工業無線網絡的防爆保護
發布時間：2021-07-07 來源：控制工程網
尋求在危險區域實現無線設備通信的過程系統運營商，在選擇合適的接入點時幾乎沒有選擇余地，因為大多數具有Ex認證的特定型號，都無法提供高性能的中央網絡管理，而具有此功能的產品往往不適合工業環境。一種選擇是將沒有防爆認證的標準設備集成到防爆機柜中。用于本安型無線信號轉換的緊湊型高頻隔離器使得在Zone 1和Zone 2區使用標準天線成為可能。
在物流、機器維護和維修以及生產監控領域，無線網絡已成為工業4.0不可或缺的組成部分。在過程工業中，無線通信網絡也正在逐步興起。在遠程工廠中配置傳感器和執行器，以及在使用移動終端設備進行過程控制時，該技術的優勢顯而易見。一個相關的應用是資產管理，通過無線測量獲取的數據，可以簡化監控生產設備狀況的過程，并改善預測診斷。
圖1：Wi-Fi可以在危險區域中實現高帶寬的無線數據通信。本文圖片來源：R.Stahl
不同工業無線標準的特點
有多種不同的無線標準滿足工業要求，并根據預期目的的不同而具有不同的優勢。對于很多數據量不大的靜態傳感器/執行器連接而言，Sub-GHz或2.4GHz技術是理想的選擇，例如WirelessHART、ISA100.11a自動化用無線系統、LoRaWAN或低能耗藍牙。對于與獨立生產單元或移動設備的通信，3G、LTE、NB-IoT或5G等技術更適合。
對于在有限地形上的移動參與者之間的快速寬帶數據傳輸，符合IEEE 802.11以太網協議系列標準的Wi-Fi解決方案是首選的解決方案。這使網絡參與者可以實現從生產區域內的一個接入點到另一個接入點的無中斷傳輸。
圖2：防爆保護的封裝無線系統可用于Zone 1的Wi-Fi網絡。
危險區域的無線挑戰
由于所有具有無線功能的設備（例如Wi-Fi接入點，移動無線組件以及RFID接收器和天線），始終會根據適用的防爆標準來識別潛在的點火危險，因此需要在危險區域中使用適當的、包括接口在內的點火保護裝置。通常，只要點火源工作時的發射功率小于幾百瓦，電磁場就不能點燃爆炸性混合物。
在不符合EMC保護要求的金屬物品或電子開關中，磁場可能會感應出電流，并且這些電流可能會形成火花。因此，國際標準IEC EN 60079-0定義了危險區域中無線信號的極限值要求。除了在正常運行中符合極限值外，該標準還要求對Zone 1區中的設備進行故障檢查，以應對由短路、分流或斷路引起的爆炸危險。
在生產制造領域，盡管有多種合適的網絡組件可供選擇，但是過程技術工廠的運行人員在尋找合適的設備時需要考慮防爆保護，在這方面他們面臨著特殊的挑戰。在防爆Zone 1區中，運行所需的無線組件大多由特殊的外殼保護。
要在危險區域中使用未經特殊許可的標準Wi-Fi設備，必須將其安裝在防爆外殼或使用超壓封裝的外殼中；該外殼必須滿足Ex d或Ex p防護類型的要求。
但是，這無法解決天線問題，因為大多數這種類型的封裝外殼都是由金屬制成的，會阻擋大部分天線發出的電磁輻射。使用定向天線，可以將RFID接收器或運動檢測器布置在玻璃板后面的Ex d外殼中。
市場上已經有些經過Ex認證的外部天線，可以實現全向輻射。這些設計是由提供防爆保護的需要決定的，不包括使安裝和維護變得更便利所需的標準插頭連接器。
安全的連接到天線
基于全面的外殼和合適的高頻隔離器，在防爆1區和2區中使用常規Wi-Fi硬件的解決方案可與天線配套使用。為了安全地將具有潛在危險的Wi-Fi接入點封裝在Zone 1/21區中，防爆專家為Cisco和Aruba等制造商的設備提供了定制化的具有Ex d認證的防爆外殼，尺寸可以定制。
帶有Ex e保護的獨立連接室，可輕松快速地連接CAT電纜或光纖。在Zone 1中使用以太網端子和FO接頭盒，也可以實現此功能。經過測試和認證的外殼，可在全球范圍內使用，其本質安全的襯套可用于任何工業用天線的外部連接。緊湊的高頻隔離器適用于150 MHz至8 GHz的頻率范圍，并支持Wi-Fi和一系列其它無線標準，例如藍牙、LoRaWAN、WirelessHART和ISA100.11a。
高頻隔離器可以防止低頻信號在發生錯誤時被傳輸，并確保外部天線只接收符合Ex ia IIC的本質安全水平的信號。這樣的解決方案更易于安裝和處理，因為無線設備和外部天線無需使用沒有插頭的非撓性電線進行連接。取而代之的是使用預組裝的連接電纜，可以在必要時連接和斷開。一個更簡單的選擇是將天線連接到外殼襯套上。
圖3：該圖顯示了無線設備在Zone 1和Zone 2區域的使用，以及高頻隔離器如何防止低頻信號的傳輸。
標準化應用的優勢
許多公司已經在行政和物流部門使用Wi-Fi網絡。如果在整個公司范圍內都使用標準化的無線網絡，那就可以實現集中管理，這是它們最大的優點，因此IT專家通常建議統一規劃硬件。
另一個優勢是避免因更換供應商或更改維護策略而導致額外的工作和支出，這個目標很明確。因此，很多用戶在擴展其生產區域的Wi-Fi網絡時，希望使用相同的設備。IT設備通常沒有獲得Ex認證；在過去，這意味著這些設備還必須利用Ex d外殼進行額外保護，以便可以用于Zone 2區域。（作者：Kerstin Wolf）