ATEX-与SIL-及仪表认证

第八届工业仪表与自动化学术会议1ATEX与SIL及仪表认证张伟郁光建（上海恩德斯豪斯自动化设备有限公司1，上海200241）摘要：着重介绍了新的欧洲防爆标准ATEX和功能安全等级认证SIL，并就这两个标准在恩德斯豪斯公司的仪表产品中的应用作了说明。关键词：防爆标准ATEX功能安全等级认证应用0引言仪表认证在众多领域有着广泛的应用。在爆炸性环境主要应用的认证包含FM，CSA，ATEX，TIIS等防爆认证；在电气方面的认证包含EMC，CE等；在食品制药行业主要应用的认证包含FDA，3A等卫生认证。本文将着重介绍近几年流行的ATEX防爆认证和SIL安全认证，以及它们在恩德斯豪斯公司（Endress+Hauser）仪表中的应用。1新的欧洲防爆标准ATEXATEX是以“ATmosphereEXplosible”(爆炸性环境)命名的标准，由两个欧盟指令组成：欧洲94/9/EC标准和1999/92/EC标准。1999/92/EC是针对具有潜在爆炸性气体环境的公司，而94/9/EC是针对前者的仪表供应商的。ATEX认证是防爆电气产品在欧洲市场的强制认证，其严格规定了防爆产品的特性和使用操作规范，自2003年7月1日起，只有拥有ATEX认证的产品，才可以在欧盟国家内被生产、制造、销售、并应用于易燃易爆危险区域。也就是说，任何在欧盟国家内销售同时在易燃易爆危险区域内应用的防爆产品必须通过ATEX的认证。该认证取代了欧盟各国的地方认证。1.1“ATEX137(ATEX1999/92/ECart.137)directive”标准“ATEX137(ATEX1999/92/ECart.137)directive”标准于2000年1月28日生效，2003年7月1日起强制执行。该标准对气体和粉尘的爆炸性环境进行了风险评估，定义了“区”的概念。1.1.1爆炸性混合物爆炸性混合物是指在大气条件下（-20°C温度+60°C，0.8bar压力1.1bar），气体、蒸汽、薄雾、粉尘或纤维状的易燃物质与空气混合，点燃后燃烧将在整个范围内传播的混合物。1.1.2“区”（Zone）“区”是指爆炸危险场所的全部或部分。“区”的分类是根据爆炸性混合物的发生概率来划分的，按照爆炸性混合物出现的频率和持续时间可分为不同危险程度的若干区，如表1所示。第八届工业仪表与自动化学术会议2表1爆炸性混合物的发生概率气体混合物粉尘混合物不大可能发生，或只发生短暂的一段时间（t10小时/年）2区（Zone2）22区（Zone22）很可能偶尔发生（10t1000小时/年）1区（Zone1）21区（Zone21）连续发生，或发生很长一段时间，或经常发生（t1000小时/年）0区（Zone0）20区（Zone20）1.2“ATEX95(ATEX94/9/EC)directive”标准“ATEX95(ATEX94/9/EC)directive”标准于1996年3月生效，2003年7月1日起强制执行。该标准的推广使用提高了仪表的安全性能，保护了现场工人的安全与健康；使得各国的取证程序一致化；方便了各国仪表的自由贸易。ATEX95标准与ATEX137标准相匹配，定义了与“区”相对应的防护方式。列举一台符合ATEX95安全标准的，恩德斯豪斯公司的杆式雷达液位计铭牌上的安全标示如下：ATEXII2(1)GEExd[ia]IICT6这表明该仪表遵循ATEX标准，可用于常规行业1区的气体防爆，防爆型式为EExd[ia]，易燃气体类别为IIC，温度组别为T6。下面将分别介绍爆炸性环境类别/级别、易燃气体类别、温度组别、防爆型式等几个概念。1.2.1爆炸性环境类别/级别ATEX95标准根据仪表使用的爆炸性环境划分类别，类别可再划分为级别，如表2所示。表2类别Ⅰ（GroupⅠ）级别M1（CategoryM1）级别M2（CategoryM2）采矿行业在危险环境下运行（IM1）在危险环境下关闭（IM2）类别Ⅱ（GroupⅡ）常规行业级别1（Category1）级别2（Category2）级别3（Category3）气体（Gas-Ex）Zone0（Ⅱ1G）Zone1（Ⅱ2G）Zone2（Ⅱ3G）粉尘（Dust-Ex）Zone20（Ⅱ1D）Zone21（Ⅱ2D）Zone22（Ⅱ3D）资质第三方授予证书制造商授予证书1.2.2易燃气体类别在爆炸性环境里，可以引起爆炸的引燃源包括热表面、火焰、机械摩擦火花、静电火花、闪电、电磁辐射、超声波辐射等。ATEX95标准按照热表面的引燃温度和电火花的引燃能量，对易燃气体或蒸汽进行了分类，如表3所示。表3类别（Group）最小引燃能量（本安）最大试验安全间隙（隔爆）Ⅰ采矿行业甲烷A160μJ（如丙烷等）0.4mmB60μJ（如乙烯等）0.2mmⅡ常规行业C20μJ（如氢气/乙炔等）0.15mm第八届工业仪表与自动化学术会议31.2.3温度组别温度组别是按仪表最高表面温度划分的组别。温度组别划分方法如表4所示。表4温度组别最高表面温度注释T1450℃T2300℃T3200℃T4135℃T5100℃T685℃环境温度：40℃在表4中，最高表面温度指仪表在允许范围内的最不利条件下运行时，暴露于爆炸性混合物的任何表面的任何部分，不可能引起仪表周围爆炸性混合物爆炸的最高温度。为了防止非导电(RS1GΩ)塑料表面所积聚的静电可能使爆炸性混合物引燃，ATEX95标准还对非导电表面需满足的条件做出了规定，如表5所示。表5暴露的塑料外壳面积杆、缆的最大直径金属表面上塑料衬里的最大厚度类别(Group)0区1区0区1区0+1区ⅡA50cm2100cm23mm30mm2mmⅡB25cm2100cm23mm30mm2mmⅡC4cm220cm21mm20mm0.2mm1.2.4防爆型式为防止点燃周围爆炸性混合物需对仪表采取各种特定措施的防爆型式。“ATEX95(ATEX94/9/EC)directive”标准所划分防爆型式包括：本安EExia/ib，隔爆Exd，增安Exe，填充Exq（电子部分浸没于石英粉中），正压Exp（空气或惰性气体加压于电子部分），浸油Exo（电子部分浸没于油中），封装Exm（电子部分封装在环氧树脂中），粉尘隔爆ExtD，粉尘本安ExiD，粉尘封装ExmD等。归纳起来，这些防爆型式主要从以下3个方面采取安全防护措施：①避免爆炸性环境的产生和扩散；②避免在爆炸危险场所出现潜在引燃源；③减少爆炸所带来的危害。下面将主要介绍本安EExia/ib、隔爆Exd、增安Exe和隔爆增安Exde这4种防爆型式。1.2.4.1本安EExia/ib（intrinsicalsafetyEExia/ib）在有关标准规定的试验条件下，正常工作或规定故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定爆炸性气体的电路称为本质安全电路；全部电路为本质安全电路的仪表称为本安型仪表。本安仪表必须连接在本安电路中。整个电路的本安是通过如下3个方面实现的：①本安型仪表；②电源的能量限制，如安全栅（使电源的电流、电压指标低于本安仪表的指标）；③整个电路的低电容、电感以防止能量的储存。本安型仪表主要用于1区和0区。通过使用本安电路整个电路得到了保护，不再需要额外的机械保护。另外本安型仪表可以在现场带电打开。依据EN50020标准，EExia和EExib的完整解决方案如图1所示（注：图中CerabarS第八届工业仪表与自动化学术会议4为本安型压力变送器）。由图2可知EExia电路具有两个故障的安全裕度，而EExib电路只有1个故障的安全裕度。EExia仪表可以用于0区，而EExib仪表只能用于1区。两个故障的安全裕度CerabarS变送器EExiaCerabarS变送器两个故障的安全裕度EExib图11.2.4.2隔爆Exd（flameproofExd）内置能点燃爆炸性气体的部件的一种防护外壳称为隔爆外壳。隔爆外壳能承受内部爆炸性混合物所产生的压力，防止内部爆炸向外壳周围的爆炸性气体传播。具有隔爆外壳的仪表称为隔爆型仪表。隔爆型仪表通过隔爆穿线接头、导线管系统（Conduitsystem）或增安接线端子来实现隔爆。1.2.4.3增安Exe（increasedsafetyExe)增安专门为用于爆炸性气体而设计，在正常工作条件下不会产生可能导致点燃爆炸性气体的电弧、火花或高温，且在仪表的结构上采取措施提高了安全程度，以避免在正常工作状态或认可的过载状态下出现这些现象。增安型仪表通过增安缆塞和自动防故障装置实现防爆。1.2.4.4隔爆增安Exde如果在隔爆型仪表的电子腔室与接线腔室之间额外增加安全措施（例如隔爆穿线接头），则这样的仪表就称为隔爆增安型仪表（Exde）。1.3ATEX防爆标准在恩德斯豪斯（Endress+Hauser）仪表上的应用根据ATEX标准的要求，E+H公司所有防爆仪表的供货范围内都包含一份“安全手册”（Safetyinstruction）。1.3.1Micropilot雷达物位计如图2所示，恩德斯豪斯公司的Micropilot喇叭口雷达物位计的插拔式操作模块具有EExia安全防护，电子插件部分具有EExd安全防护，接线腔室具有EExe安全防护。整台物位计可选EExia或EExe防爆证书（美式标准亦可选）。1.3.2Promass一体式质量流量计如图3所示，E+H公司的Promass质量流量计的变送器外壳具有2GEExdIIC或EExdeIIC安全防护，变送器电子模块具有[EExib]IIC/IIB安全防护，传感器具有EExibIICT2-T6安全防护。整台流量计可选SYSTEExib/iaIIB/IIC，EExdeibIICT2-T6或EExdibIICT2-T6防爆证书（美式标准亦可选）。第八届工业仪表与自动化学术会议5图2图32“功能安全”等级认证SILSIL是为工厂安全（PlantSafety）而引入的一个仪表“功能安全”等级的概念。在阐述这个概念以前先阐述仪表的“功能安全”（FunctionSafety）和“安全性仪表系统”（SIS:SafetyInstrumentedSystem）的含义。2.1SIL的含义2.1.1“功能安全”仪表的“功能安全”旨在预防和处理由于控制系统或仪表的故障，或人员的误操作而引起的风险。这些风险包括对人员健康的伤害，对环境的污染，及对仪表的破坏。为了达到“功能安全”的要求，必须控制随机故障的发生，消除和控制系统故障的发生；而且当某个故障发生时，整个系统必须处于安全环境下，或转入安全状态（safestate）。以前，“功能安全”主要通过用户的“使用经验总结”（proven-in-use）来实现。即用户通过对仪表长时间的应用，总结出仪表可能发生故障的间隔并因此确定维护间隔，防止故障发生。这种“功能安全”的实现方法有很多弊端，用户需要花费很多精力和时间，并使用正确的方法论来进行“使用经验总结”；而且如果仪表软件更新或者功能扩展，则需要重新进行“使用经验总结”。2.1.2“安全性仪表系统”仪表用户根据一系列的条件（如危害程度、危害发生概率）对工厂整个系统的风险进行评估，第八届工业仪表与自动化学术会议6然后确定其所使用的仪表所需的“功能安全”等级，即SIL等级。如果整个系统的仪表都满足所要求的“功能安全”等级，那么我们就称这个系统为“安全仪表系统”。整个风险评估过程如图4所示。图4图5为一例由恩德斯豪斯公司仪表组成的“安全仪表系统”。图5使用SIL标准以后，仪表制造商或认证机构（approvalagency）将对出厂仪表的“功能安全”进行检验，并根据其可靠性来划分等级，如SIL1，SIL2，SIL3（参照IEC61508/61511标准）。使用带有SIL认证的仪表节省了用户的时间，而且软件更新后的SIL认证也将由仪表制造商完成，节省了用户的精力。当前各国法规以及仪表购买合同中对SIL认证的需求越来越多，SIL认证已成为一种趋势。2.2SIL认证的实现方法SIL认证的实现方法有两种：①新产品的SIL认证由仪表制造商或认证机构根据IEC61508标准来实现；②对于已经应