流程工业中的危险区域为什么更“青睐”无线仪表？
本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2017年3月刊，原标题为：检查安装在危险区域的无线仪表
随着科技的进步，在加工制造工艺中，在改善生产和降低伤害方面需要优先考虑安全。安全围栏可能会限制生产能力，自动化技术可以帮助用户找到最佳的解决方法。
流程工业中的一个主要趋势是不断增加的无线流量、压力、温度、液位仪表以及其他现场变送器的应用。不仅这些仪表可以广泛应用在流程工厂的非危险区域用来提供经济的、易于安装的测量，它们也可以被用在危险区域（图1）。本文解释了安装和维护传统的接线或现场总线的变送器所涉及到的困难、时间和费用，并展示了无线仪表如何避免这些问题的出现。
图1：在危险位置安装和维护有线仪表是困难并昂贵的。无线仪表能解决这些问题。本文所有图片来源：艾默生过程管理
危险区域对仪表的要求
在工艺流程安装中有许多关于安全的策略。将危险区域的风险降到最低的最简单的策略是将所有仪表都一起安装在危险区域以外，或者通过工艺改造将该区域的危险级别降低。
不过如果仪表必须安装在危险区域，那么所有的接线都必须按照相关的标准进行安装和维护，以防止在爆炸性环境下发生引燃。在危险区域保护4到20mA有线仪表以及现场总线仪表的成本是很高的。
现场仪表的接线需要电缆、导管、电缆桥架、现场接线箱以及编组机柜。如果仪表是4线制的，它必须要有独立的供电接线。所有的接线系统必须满足IEC 60079关于线路需要通过认证的保护类型的要求。例如“EX ia”代表本质安全，“EX d”代表防爆，或者其他允许的保护类型之一。
安装这些接线系统会很昂贵，可是成本并没有随着安装结束而停止，因为需要初始维护和定期维护来确保能够维持保护水平。IEC 60079涵盖了危险区域的电气设备检查。IEC 60079-14要求初始检查必须在设备第一次安装的时候进行。IEC 60079-17规定检查的间隔时间在没有获得专家建议的情况下不应该超过3年。
图2：危险区域的仪表和接线系统必须定期检查。图中所示为在外观检查过程中，一个经过认证的技术人员在查找明显的故障。
尽管全面的检查必须至少每3年进行一次，检查的级别和检查的时间间隔还是要考虑设备的类型；也就是说，有些设备根据其安装位置的环境状况可能需要的检查间隔时间短于3年。如表1所定义的，连续的外观检查应该经常进行，或者只要该区域进行维护工作就要一起进行检查。严密的详细的检查会要求打开外壳并使用特殊工具，需要在停机或该区域安全的时候进行这样的检查。
表1：在IEC 60079-17标准中关于EX “i”，“iD”和“nl”的检查计划表
在IEC 60079-17里面定义了4个检查的级别：
1.连续监管：被定义为具有符合IEC 60079-17条款4.5的设备维护知识和技能的专业人员经常到场、检查、服务、照看以及维护电气安装设备。
2.外观检查：不借助接入设备或工具，目测可以确定存在明显缺陷的检查，例如螺钉丢失或电缆损坏。
3.严密检查：定义为包括外观检查以及通过使用设备和工具能够明显确定为缺陷的检查，例如螺钉松动或电缆密封套损坏。
4.详细检查：定义为包括严密检查以及通过打开外壳并使用工具和测量设备能够明显确定为缺陷的检查。详细检查可以发现松动的接线端子或不正确的接地。
这些检查包括所有安装在危险区域的设备，以及任何安装在安全区域的保护设备（在“EX ia”情况下）。实际上，要实现这个很困难也很昂贵。有一些接线系统的走线方式导致检查非常困难。工艺工厂要求进入危险区域必须遵守内部允许的步骤，从而进一步增加了成本。此外，还需要考虑进行检查、完成文档工作以及保存所需记录的时间。
要证实一个设备安装符合详细的设备清单和电路图是很重要的。检查人员必须可以获得这些以及任何其他列出特定使用情况的文档。通常，设备清单的更新不会随着工厂改造产生设备变化而进行，产生的原因可能包括故障设备被替代设备更换，或增加新的接线。
如果一定要对安装和相关的文档记录进行阐明，这会增加检查所需要的时间。减少设备数量会减轻保持设备清单更新的负担，无线仪表是解决这个问题的最佳途径。
检查过程中发现的典型问题包括：
错误的或者受损的电缆密封套；
受损的电缆；
非本质安全电路与本质安全电路安装在一起；
本质安全和非本质安全电路隔离不正确；
使用错误的齐纳防爆栅或电流隔离器；
齐纳防爆栅没有接地；
非本质安全接地连接到本质安全接地上；
设备没有按期进行检查。
表1描述了传统仪表以及与之相关的接线系统所需的检查类型，可以看出它们有很多内容。不过有一个简化的可以消除接线以及相关的设备的解决方案。
安装无线仪表
已经通过危险区域相关保护水平认证的无线设备可以减少在危险区域安装的设备数量，例如传统有线安装所需要的接线和配套的基础设施。无线过程仪表（图3）通常是电池供电，消除了供电接线的需求，而且使用电池供电在大部分危险区域都是安全的。
例如，一家位于墨西哥的炼油厂的冷却塔有了一些问题。有线的冷却塔仪表已经老旧，大多数测量设备已经不工作了。主要由于有害的化学蒸汽，其工艺环境对于接线有腐蚀性，因此测量很困难。最终，这些区域仪表安装的情况很差。因此，控制情况很差、运行没有效率、冷却塔需要大量的维护工作。
安装有线仪表注定是过于昂贵的，因为设备以及配套基础设施的费用，还有腐蚀环境会使仪表性能降低并增加维护成本。需要进行的检查会进一步增加成本，这都使得有线仪表的安装变得不现实。
取而代之，该炼油厂安装了122台处于外壳保护之下的无线传感器和变送器，从而免受环境影响。由于这些仪表是经过认证可以使用在该区域的，因此不需要特别的保护措施。
使用无线设备削减成本
采用无线设备可以对资本支出和运营支出均产生显著的影响。
在资本支出阶段，设计一套使用无线设备的线路会实现费用节省。无须接线、导管、电缆支架、现场接线盒以及编组机柜，使得设备成本得到减少，并实现了在生成图纸和设备一览表方面的节省。这同时也降低了对空间和重量的要求，这对于某些空间有限且以重量为考虑因素的行业来说非常重要。
安装成本也必须要考虑，因为不需要安装有线仪表需要的设备，会减少劳动力成本并可以加快安装和调试的速度。这同时也减少了为这类工作提供支持的设施的费用，比如设备小屋、接入设备等等。
无线现场设备同时减少运营支出，特别是危险区域检查的费用，因为需要检查的设备大为减少。只有仪表本身需要检查，如果无线网关也安装在危险区域，也包括在检查范围内。不过在很多情况下，网关可以安装在危险区域以外。同样，因为配套设备数量的减少，也使得维修的次数降低了。
有线检查 vs. 无线检查
安装在危险区域的有线4到20mA过程仪表或者现场总线过程仪表，在安装、检查和维护方面的成本非常高，原因是这些仪表需要配套的基础设施，包括供电、接线、导管以及编组机柜。所有这些设备都需要受到保护以免引爆可燃的或者爆炸性空气，所有的设备都要定期进行检查，为了确保整个系统的安全，经常要进行维修。
图3：电池供电的现场设备，例如无线HART的液位传感器可以用在危险环境中，包括存储可燃物质的储罐。
以一台典型的使用硬接线方案的本质安全差压变送器为例，其检查工作一般会有如下15个要求：
仪表（设备）的状况、类型和认证与设备一览表一致；
仪表侧的电缆密封套的类型和状况；
现场接线盒侧电缆密封套的类型和状况；
仪表和现场接线盒之间的电缆的类型和状况；
现场接线盒中接线端子的紧固程度以及是否满足安装要求；
从安全区域接进来的主电缆的密封套；
连接到主要安全区域的电缆的类型和状况；
确保安全栅设备、继电器和其他能量限定设备的状况、类型和认证与设备一览表一致；
电缆屏蔽根据文档要求进行接地；
中继线、导管、管道及通道符合要求；
点到点的连接正确；
本质安全线路接地和绝缘电阻符合要求；
本质安全和非本质安全线路之间保持隔离；
满足特定状况使用的要求；
如果适用，电源的短路保护与文档记录一致。
从上述清单中可以清楚地看出，大部分检查任务与电缆和相关的设备有关，因此从线路中拆除这些设备会减少检查任务的数量。
因此如果有线设备被无线变送器替代，例如无线HART设备，检查列表会一定程度上缩短：
1. 仪表（设备）的状况、类型和认证与设备一览表一致
可能仅剩这一项，其他14个要求都不再适用了，因为没有使用电缆将设备和安全区域连接起来。当然，假设前提是网关安装在安全区域，这也是常规做法。不过即使网关安装在危险区域，它仍然比有线线路的检查数量有所减少。