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产品描述
西门子6ES7321-1BH50-0AA0产品齐全
1. 前言
化工生产过程中相当大的一部分场所为具有爆炸危险性气体存在的危险场所，自动控制系统在这类场合下的应用一定要遵从符合防爆技术规范。在爆炸危险区内本质防爆（Ex-i）方式是自控设计者经常使用的方法，本安防爆在过程控制系统工程设计、施工、工程造价以及可操作性和维护性等方对于其他防爆形式（Ex-d、Ex-e、Ex-m等）具有明显的优越性。
西门子的全集成一体化控制系统在危险区的本安防爆应用方式上具有很大的灵活性。具有大量防爆产品可供用户设计成为满足不同要求的本安防爆系统，大的方便了用户的选择和应用，用户可以根据自己的实际情况和资金情况涉及建立符合自己要求的防爆控制系统。
本文就西门子防爆系统的几种应用方式进行了探讨和总结，以求对防爆用户的设计应用有所帮助启发。
2. 爆炸性危险场所的划分
在危险场所中地使用爆炸性环境用电气设备的前题条件是合理的选择、正确的安装和考虑系统日常生产运行时必要的维护。因此应根据其使用所在的危险场所的性质来合理的选择防爆电气设备。
危险场所就是由于存在着易燃易爆性气体、蒸气、液体、可燃性粉尘或者可燃性纤维而具有引起火灾或者爆炸危险的场所。典型的危险场所，如石油化工行业中爆炸性物质的生产、加工和贮存过程中所形成的环境。对爆炸性气体环境，按场所中危险物质存在时间的长短，将爆炸性气体环境危险区域划分为三个区，即分为Ex.Zone0区、Ex.Zone1区和Ex.Zone2区。
Ex.Zone0区：连续出现或长期出现爆炸性气体混和物的环境。
Ex.Zone1区：在正常运行时可能出现爆炸性气体混和物的环境。
Ex.Zone2区：在正常运行时不可能出现爆炸性气体混和物的环境或即使出现也仅是短时存在的爆炸性气体混和物的环境。
在工程实践中，Ex.Zone0区一般只存在于密闭的容器、贮罐等内部气体空间，在实际设计过程中Ex.Zone1区也很少存在，大多数情况属于Ex.Zone2区。
为实现电气设备防爆，工程上采取了多种防爆技术方法，并通过防爆认证，构成防爆电气设备，用来防止爆炸危险性环境形成及其爆炸。主要有隔爆、本安、增安、正压、充油、充砂、无火花型等形式的防爆电气设备。对于自控系统来说，常见的是隔爆和本安两种防爆技术方法。本安防爆技术又具有很多优点，如本质，结构简单，可带电检修等，在过程仪表自控系统中是选择。
本质型电气设备是从限制电路中的能量入手，通过的控制电路参数设计，将潜在的电火花能量降低到可点燃规定的气体混合物能量以下，导线及元件、壳体表面的发热温度也限制在规定的气体混合物的点燃温度之下。本质防爆型式的设备内部，所有电路都是由在标准规定条件（包括正常工作和规定的故障条件）下，产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的本质电路。它又分为“ia”、“ib”两个等级， “ia”等级电气设备，是正常工作和施加一个故障和任意组合的两个故障条件下，均不能引起点燃的本质型电气设备；“ib”等级电气设备，是正常工作和施加一个故障条件下，不能引起点燃的本质型电气设备（参见GB38364标准）。本安防爆形式因对能量有严格的限制，因此只能应用于弱电设备中，设备其中Ex-ia设备适用于Ex.Zone 0、1、2区或Ex-ib设备适用于Ex.Zone 1、2区。本安防爆设备可以在带电情况下进行检修和校准，因此尤其适合过程自控系统应用。
本安防爆技术的优点和特点使得其在过程自动控制领域获得了越来越广泛的应用，本文将以自控系统的本安应用作为进行讨论。
3. 西门子SIMATIC系统在防爆场所的几种应用解决方案
由于近年西门子全集成自动化（TIA）理念在西门子系统中的推广和应用，西门子SIMATIC系统尤其PCS 7系统中增添了许多可供用户选择的丰富的防爆系统解决方案，大大加强了其在防爆领域的应用能力。而且由于本质型现场总线PROFIBUS-PA的推广应用，日臻成熟，为解决传统的防爆系统设计提供了灵活、的解决方案。本文主要介绍以西门子SIMATIC系统为构架完成一个防爆系统的几种典型解决方案。
（1）从点对点接线到点对点接线（Point to Point）解决方案
即传统DCS/PLC+栅方案，见图1所示。这类本安防爆接口以隔离式和齐纳式栅为代表。应用特点是本安防爆现场仪表以点对点的接线方式通过电缆接至区控制柜内的栅，栅再以点对点的接线方式接至控制系统（DCS／PLC）的通用I/O卡。这是传统的本安防爆接口技术。
（2）本安防爆I/O卡板解决方案
本安防爆I/O卡板解决方案是在DCS／PLC的通用I/O卡板基础上增加本安电路，使之成为本安防爆卡板，可直接与现场两线制本安仪表相连接，省却栅环节，构成本安防爆控制系统，见图2所示。其本质与DCS/PLC+栅方案相同，但是减少了栅环节，节省了线路连接点，因此能够降低系统的故障点。而且这类本安模块如SIMATIC S7-300系列的本安防爆式Ex I/O卡板SM322，SM321，SM331，SM332等，其防爆等级为Ex-ibIIC，可以挂接Ex.Zone1区内的本安仪表。由于本安防爆卡板使用了集成栅技术，减少了隔离式和齐纳式栅的使用，因此结构紧凑，节约了空间和费用。
（3）从总线到总线（Bus to Bus） 解决方案
即FISCO现场总线解决方案。Fieldbus Instinsicailly Safe Concept Modem现场总线本质防爆构想模型简称FISCO。FISCO使得PROFIBUS-PA现场总线以本质方式安装使用在Ex-区成为可能，以经济简便的方式解决了现场总线的防爆应用问题。FISCO适用于Ex-iaIIC级别的本安防爆方式。PROFIBUS-PA总线既能实现数字通讯（31.25kbps），又可实现对所挂接现场总线仪表的本安供电。西门子PROFIBUS-PA总线防爆系统一般由DP/PA耦合器/链接器，本安配电链接模块，T型总线接头、PA总线电缆和本安现场总线仪表构成。Bus to Bus方式的应用特点是智能现场总线仪表以总线方式挂接在PROFIBUS-PA上，经过上述产品，仍以现场总线方式接至控制系统的现场总线网卡。整个系统的数据信号链路用一条双绞电缆即可构成。
其特点是：直接用于危险区域中的现场总线不仅节省了大量的布线成本，而且也节约了许多传统方案中的I/O 信号的隔离栅、配电盘和分流器和大量信号电缆，同时节约了大量控制箱柜空间。此外，还可以省去防爆现场元件的机械保护装置如双层绝缘、附加金属保护网等，以及在使用非本质导线时所需要的防爆钢管。
FISCO本质现场总线（如PROFIBUS-PA）是新的本安防爆接口技术。
（4）从点对点接线到总线（Point to Bus） 解决方案
即本安防爆远程分布式I/O方案，产品包括总线式隔离栅和本安型的分布式I/O模块。其中代表性的是西门子ET200iSP系列本质分布式I/O。见图2所示：ET200iSP本身可以安装应用在Ex.Zone 1区，通过点对点电缆连接至Ex.Zone 0区的本安仪表。
与从总线到总线（Bus to Bus） 解决方案相比，其应用特点是：现场仪表仍可以采用传统4～20mA本安仪表，以点对点的接线方式接至分布式I/O，而分布式I/O向上则以经本安链接器485/iS隔离后的PROFIBUS-DP/iS（1.5Mbps）总线方式接至控制系统通信总线或现场总线网卡。ET200iSP不仅具有栅功能，为现场回路提供本质防爆，而且ET200iSP本身还具有很高的防爆等级，其I/O模块、电源模块和网关本身也采用本安防爆（ATEX II 2 G EEx ib IIC T4）。 因而ET200iSP可以直接安装在Ex.Zone 1区，可对其所有电子模块（包括电源模块和总线连接模块）进行带电热插拔维护、操作。显然，这种本安防爆解决方案中，现场仪表仍可使用传统的4—20mA仪表。本安防爆远程分布式I/O方案是能兼顾FISCO现场总线方式和点对点方式两类应用方案优点的一种中间方案，也是本文将详细讨论的方案。
除ET200iSP外，值得一提的是SIMATIC还有防爆ET200M分布式I/O方案可供用户选择。ET200M如果选用相应的防爆结构和S7-300系列的防爆Ex I/O卡板后，其本身就构成无火花型防爆形式，可以直接安装在危险区。但ET200M本身的防爆级别要比ET200iSP低，只能安装在增安型（Ex e）保护箱中，用于Ex.Zone 2区。ET200M的采用PROFIBUS-DP，速率可达12 Mbps，相比ET200iSP的1.5Mbps通讯速率要高。
4. 西门子控制系统防爆器件介绍
（1）ET200iSP
SIMATIC ET-200iSP是用于Ex危险区的分布式I/O系统。使用符合欧洲电工标准标准防爆等级Ex［ia/ib］ IIC T4 的新型PROFIBUS分布式外设，可以安装于危险区域Ex.Zone 1中，连接来自Ex.Zone 0区的本安信号。ET-200iSP通过本质的PROFIBUS-DP/iS总线实现与控制系统的通讯，传输速率1.5Mbps。
一个SIMATIC ET-200iSP 站点由一个密封电源、一个用于连接PROFIBUS-DP 的接口模块（可扩展32 块电子模块），和一个总线终端电阻模块组成。而且，其电源和接口模块均可进行冗余配置。
ET-200iSP的防爆电源是一个隔爆Ex-d的供电模块，由总线底板向各电子模块供电。电源模块本身的供电通过Ex-e端子实现，在危险区不允许拆开此连接。而且送电电源安装在区。
每台ET-200iSP的 PROFIBUS DP接口模块多可连接64个模拟信号或128个数字信号。
ET-200iSP的模块化结构为用户提供了大限度的灵活性，可以连接NAMUR 数字量输入、电磁阀、模拟量输入/ 输出、HART 输入/ 输出、热电耦以及热电阻等。所有电子模块均具有本安结构，而且在危险1区可对所有的电子模块（包括供电及总线连接模块）带电进行换，即“热插拔”。
HART 协议模板可实现与HART仪表的无缝集成。
采用弹簧压紧或螺钉快速连接现场本安设备。
（2） ET200M
在SIMATIC ET 200 产品系列中， ET 200M 是主要的分布式I/O系统，与SIMATIC PCS7一起用于过程应用，支持在线修改（ 使用有源总线模块设计），它可使用丰富的S7-300 I/O 模块包括S7-300标准信号模块，冗余信号模块，防爆输入/ 输出模块以及符合HART协议的防爆模拟量输入和输出模块。每个ET200M接口模块多可以连接8 个I/O 模块。ET 200M 是在PROFIBUS-DP 现场总线上的从站，大速率为12 Mbit/s。
ET200M模块本身采用无火花型防爆，即ATEX II 3 G EEx n II A T4，配合增安型防护箱，可安装在Ex.Zone 2区，这已可满足大部分现场机柜安装地点的防爆要求，其连接的本安传感器/执行器可以用于Ex.Zone 1区。
ET 200M可选用有源总线模板进行配置。在非防爆环境中，允许带电热插拔操作，但在危险区使用时不能进行热插拔维护。
（3） 本安防爆I/O卡板
（4） RS485/IS耦合器
由于ET200iSP直接安装在Ex.Zone 1区，进行本安操作需要本安PROFIBUS-DP总线。RS485-IS耦合器是一个“现场总线隔离器”，非本安的PROFIBUS-DP总线通过RS485-IS耦合器后成为本安的PROFIBUS-DP/iS总线。RS485/IS耦合器对总线进行隔离并限制其能量，使之处于范围之内，起到了总线中继和防爆隔离的作用。在危险区内，本安的PROFIBUS-DP/iS可以带电进行插接操作。
需要注意RS485-IS耦合器本身安装在区内。
（5） DP/PA耦合器/链接器
DP/PA耦合器/链接器实现PROFIBUS-DP到本安现场总线PROFIBUS-PA的转换和连接。PA本安现场总线还可以实现对本安现场总线仪表的馈电。
DP/PA耦合器（Coupler）的主要作用：
实现物理层的转换，并通过总线向现场仪表供电
实现栅隔离功能，使危险区与区电气隔离。
DP/PA链接器（bbbb）的主要作用：
完成过程仪表与主控制器之间的数据通讯工作，它肩负着主设备和从设备的双重身份。作为主设备，它控制着内部总线的正常工作；作为从设备，它又担负着与上一层总线的通讯任务。
DP/PA 链接器是一种非常简单的网关，它可互连PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA，但去耦传输速率。这就意味着PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA可以组合使用，而不会影响PROFIBUS -DP的性能。
（6） 本安操作员面板
如果防爆现场需要多的信息显示和操作，在控制系统中设计选择防爆操作界面是非常必要的。防爆操作屏由于功率较大，大多采用隔爆形式实现防爆。
5. 西门子本安防爆系统的综合应用
前文所述4种本安防爆控制系统解决方案有各自的特点和应用场合，在实践中均有很多应用实例。而且SIMATIC系统还提供了很大的灵活性，用户可以很方便的利用一种解决方案组成自己的本安防爆控制系统。因为西门子的集成一体化思想在SIMATIC产品上的充分体现，我们可以通过一条PROFIBUS-DP现场总线将几种防爆解决方案统一在一个防爆控制系统中，如图5所示，甚至将防爆应用和非防爆应用统一在一个控制系统中。这常见于西门子PCS7系统中多区域、多场所、多站点的应用。
因此用户可以根据自己生产的特点，充分的利用不同防爆解决方案的特点，灵活组合几种防爆解决方案组成自己的本安防爆控制系统。图5是西门子SIMATIC本安防爆系统的综合应用。
一、引言：
在高炉炼铁生产中，进料系统是设备的重要组成部分，其性直接影响到生产效率及经济效益。本文对西门子MM440变频器在该系统改造部分的应用，以及该系统的传控部分进行讨论。
二，原系统概述：
1、原系统机械部分构成
由一台卷扬机拖动两台料车，料车位于轨道斜面上，互为上行、下行，即其中一台料车载料上行，另一台为空车下行，运行过程中电机始终处于负载状态。
2、原系统电气部分构成
原系统由一台655kW绕线式电机拖动，转子回路靠切换电阻实现速度调整，通过主令控制器（与电机同轴连接）采集料车的位置，控制电阻的投入切除，同时控制机械抱闸的开闭。
3、原系统存在的问题：
由于该调速方式为转子串电阻调速，电阻烧毁，加上卷扬机钢丝绳松紧程度不一致，有时出现料车“挂”事故，严重影响了生产。
三、新系统构成；
电气部分改造过程：
在不改变原来工人操作习惯的前提下，增加一台S7－224的PLC，保留原来电机，将其转子滑环短接，拆除调速电阻，保留原来主令控制器，在轨道斜面安装两个行程开关，作为料车位置的限保护。
3、新系统工作原理：
操作工发出料车1上行指令，选通变频器的固定频率50Hz，变频器由0Hz开始提速，开启抱闸，直到全速运行；随着电机的转动，主令控制器的K1闭合至PLC，由PLC发出中速指令，选通变频器的固定频率20Hz，电机以中速运行；当主令控制器的K2闭合时，选通变频器的固定频率6Hz，电机以低速运行；当主令控制器的K3闭合时．说明料车已经达到终点，变器封锁输出，同时关闭机械抱闸，料车l送料完毕。料车2重复如上过程。
在轨道斜面上位于料车终点稍后一点安装两个行程开关，作为限保护点，以防止主令控制器失灵时的后保护，再次防止料车，“挂”事故的发生。对于变频器自身故障由PLC采集，当故障发生时，立即关闭机械抱闸，以防止料车下滑。
四、过程中遇到的问题
1、变频器选型：
考虑到冶金系统的设计特点，电机已经加大了余量，而且原系统电机的实际运行电流在85安培左右，故变频器同级选配55kW。由于该卷扬机拖动两台料车，变频器工作于象限．没有能量回馈，故不必选配制动单元和制动电阻。
2、在空载调试阶段：
每次在料车1下行时，变频器过压保护经测量输入端电压为390V，从理论析，此种故障不应该出现，但是过压保护就是由于电机的再生能量造成，而且故障始终出现在料车1下行时，经过仔细检查两台料车发现，料车2的配重已经丢失，经重新调整两台料车的配重之后，变频器正常。
3、加速曲线的调整：
变频器从0Hz开始加速，通过斜坡时间至全速，已经实现了对电机的软启动，考虑到卷扬机钢丝绳的伸缩以及减速机的齿隙影响，在加速开始加入圆弧曲线．从而进一步减小对机械部分的冲击。
4、制动器的配合
当变频器收到正转（或反转）指令后，经过0.5秒延时后，打开抱闸，料车上行，随着低段速的选通，电机处于爬行状态，当PLC检测到终点信号时，发出停车命令，变频器封锁输出执行OFF2停止，同时关闭抱闸。如此控制抱闸既防止变频器过流保护．又防止料车下滑．
五、技术性能及特点：
以上述方案改造的钢迁安钢铁厂1号、2号高炉送料系统，自2001年7月投入运行以来，至今电气部分未出一次故障，料车“挂”事故也发生过，提高了生产效率，降低了设备维护、运行费用。西门子MM440变频器性高，控制方便，尤其是低频特性好值得在起重行业推广应用。
由于时间仓促对于该变频器的功能了解的不一定很透彻，敬请各位同仁指正。
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