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工业无线网络的防爆保护

来源:控制工程网2021.07.07阅读 1666

  寻求在危险区域实现无线设备通信的过程系统运营商,在选择合适的接入点时几乎没有选择余地,因为大多数具有Ex认证的特定型号,都无法提供高性能的中央网络管理,而具有此功能的产品往往不适合工业环境。一种选择是将没有防爆认证的标准设备集成到防爆机柜中。用于本安型无线信号转换的紧凑型高频隔离器使得在Zone 1和Zone 2区使用标准天线成为可能。
  在物流、机器维护和维修以及生产监控领域,无线网络已成为工业4.0不可或缺的组成部分。在过程工业中,无线通信网络也正在逐步兴起。在远程工厂中配置传感器执行器,以及在使用移动终端设备进行过程控制时,该技术的优势显而易见。一个相关的应用是资产管理,通过无线测量获取的数据,可以简化监控生产设备状况的过程,并改善预测诊断。

图1:Wi-Fi可以在危险区域中实现高带宽的无线数据通信。本文图片来源:R.Stahl

  不同工业无线标准的特点
  有多种不同的无线标准满足工业要求,并根据预期目的的不同而具有不同的优势。对于很多数据量不大的静态传感器/执行器连接而言,Sub-GHz或2.4GHz技术是理想的选择,例如WirelessHART、ISA100.11a自动化用无线系统、LoRaWAN或低能耗蓝牙。对于与独立生产单元或移动设备的通信,3G、LTE、NB-IoT或5G等技术更适合。
  对于在有限地形上的移动参与者之间的快速宽带数据传输,符合IEEE 802.11以太网协议系列标准的Wi-Fi解决方案是首选的解决方案。这使网络参与者可以实现从生产区域内的一个接入点到另一个接入点的无中断传输。

图2:防爆保护的封装无线系统可用于Zone 1的Wi-Fi网络。

  危险区域的无线挑战
  由于所有具有无线功能的设备(例如Wi-Fi接入点www.cechina.cn,移动无线组件以及RFID接收器和天线),始终会根据适用的防爆标准来识别潜在的点火危险,因此需要在危险区域中使用适当的、包括接口在内的点火保护装置。通常,只要点火源工作时的发射功率小于几百瓦,电磁场就不能点燃爆炸性混合物。
  在不符合EMC保护要求的金属物品或电子开关中,磁场可能会感应出电流,并且这些电流可能会形成火花。因此,国际标准IEC EN 60079-0定义了危险区域中无线信号的极限值要求。除了在正常运行中符合极限值外,该标准还要求对Zone 1区中的设备进行故障检查,以应对由短路、分流或断路引起的爆炸危险。
  在生产制造领域,尽管有多种合适的网络组件可供选择,但是过程技术工厂的运行人员在寻找合适的设备时需要考虑防爆保护,在这方面他们面临着特殊的挑战。在防爆Zone 1区中,运行所需的无线组件大多由特殊的外壳保护。
  要在危险区域中使用未经特殊许可的标准Wi-Fi设备控制工程网版权所有,必须将其安装在防爆外壳或使用超压封装的外壳中;该外壳必须满足Ex d或Ex p防护类型的要求。
  但是,这无法解决天线问题,因为大多数这种类型的封装外壳都是由金属制成的CONTROL ENGINEERING China版权所有,会阻挡大部分天线发出的电磁辐射。使用定向天线,可以将RFID接收器或运动检测器布置在玻璃板后面的Ex d外壳中。
  市场上已经有些经过Ex认证的外部天线,可以实现全向辐射。这些设计是由提供防爆保护的需要决定的,不包括使安装和维护变得更便利所需的标准插头连接器。
  安全的连接到天线
  基于全面的外壳和合适的高频隔离器,在防爆1区和2区中使用常规Wi-Fi硬件的解决方案可与天线配套使用。为了安全地将具有潜在危险的Wi-Fi接入点封装在Zone 1/21区中,防爆专家为Cisco和Aruba等制造商的设备提供了定制化的具有Ex d认证的防爆外壳,尺寸可以定制。
  带有Ex e保护的独立连接室,可轻松快速地连接CAT电缆或光纤。在Zone 1中使用以太网端子和FO接头盒,也可以实现此功能。经过测试和认证的外壳,可在全球范围内使用,其本质安全的衬套可用于任何工业用天线的外部连接。紧凑的高频隔离器适用于150 MHz至8 GHz的频率范围CONTROL ENGINEERING China版权所有,并支持Wi-Fi和一系列其它无线标准CONTROL ENGINEERING China版权所有,例如蓝牙、LoRaWAN、WirelessHART和ISA100.11a。
  高频隔离器可以防止低频信号在发生错误时被传输,并确保外部天线只接收符合Ex ia IIC的本质安全水平的信号。这样的解决方案更易于安装和处理,因为无线设备和外部天线无需使用没有插头的非挠性电线进行连接。取而代之的是使用预组装的连接电缆,可以在必要时连接和断开。一个更简单的选择是将天线连接到外壳衬套上。

图3:该图显示了无线设备在Zone 1和Zone 2区域的使用,以及高频隔离器如何防止低频信号的传输。

  标准化应用的优势
  许多公司已经在行政和物流部门使用Wi-Fi网络。如果在整个公司范围内都使用标准化的无线网络,那就可以实现集中管理,这是它们最大的优点,因此IT专家通常建议统一规划硬件。
  另一个优势是避免因更换供应商或更改维护策略而导致额外的工作和支出,这个目标很明确。因此,很多用户在扩展其生产区域的Wi-Fi网络时,希望使用相同的设备。IT设备通常没有获得Ex认证;在过去,这意味着这些设备还必须利用Ex d外壳进行额外保护,以便可以用于Zone 2区域。(作者:Kerstin Wolf)
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