1 引言
現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)應(yīng)用在工藝過(guò)程中必須滿足一定的要求。除了功能方面以外，常常必須遵循安全技術(shù)規(guī)定。在石油、化工爆炸危險(xiǎn)區(qū)(Ex—區(qū))內(nèi)，“EExi—本質(zhì)安全防爆方式”是經(jīng)常使用的防爆方法，它在設(shè)計(jì)、制造開(kāi)銷和可操作性方面明顯地優(yōu)于其他方式(EEx e，EEx d和EEx m等)。
自動(dòng)化技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)和置于危險(xiǎn)區(qū)生產(chǎn)設(shè)備的用戶對(duì)此極感興趣，因?yàn)楸景卜辣瑧?yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)無(wú)疑是十分有益的。
1990年，德國(guó)聯(lián)邦物理工程研究院(PTB)作為防爆檢測(cè)與認(rèn)證中心和一些知名的PNO會(huì)員企業(yè)合作研究現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)本質(zhì)安全防爆問(wèn)題。當(dāng)時(shí)選擇了物理層國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案IEC61158—2作為研究的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)之一。
1993年，研究成果"Fieldbus Intrinsically Safe Concept，現(xiàn)場(chǎng)總線本質(zhì)安全防爆構(gòu)想”，簡(jiǎn)稱FISCO—模型開(kāi)始進(jìn)入PROFIBUS—PA技術(shù)的范疇。FISC0使得PROFIBUS—PA以本質(zhì)安全防爆方式安裝、應(yīng)用在Ex—區(qū)中成為可能，以十分經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便的方式解決了現(xiàn)場(chǎng)總線的防爆問(wèn)題。
FISCO適用于EEx ia IIc—和EEx ib IIC／IIB本安防爆方式。研究表明，掛接于PROFIBUS—PA分段上的現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)量只受段耦合器(Segmentkoppler)電力特性的限制；每段可掛接的現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)量達(dá)到了最大值，明顯地多于其他現(xiàn)場(chǎng)總線；分段可以在FISCO的限制內(nèi)擴(kuò)充，但無(wú)須重新進(jìn)行本安核算；不同生產(chǎn)廠的現(xiàn)場(chǎng)儀表可以互換，也無(wú)須再進(jìn)行本安核算。尤其重要的一點(diǎn)是無(wú)須系統(tǒng)認(rèn)證，只須對(duì)一些主要參數(shù)的匹配進(jìn)行驗(yàn)證即可；工程設(shè)計(jì)與計(jì)算，安裝與維護(hù)大為簡(jiǎn)化，費(fèi)用明顯節(jié)??；極大地提高了生產(chǎn)安全性。
FISCO—模型的上述優(yōu)點(diǎn)對(duì)PROFIBUS—PA(IEC 61158，Parts 2—6，Type3)有Ex—區(qū)中應(yīng)用的迅速擴(kuò)大，無(wú)疑起了重要的推動(dòng)作用。
本報(bào)告概述迄今為止還鮮為人知的FISCO—模型的基本概念規(guī)則、結(jié)論及應(yīng)用。最后簡(jiǎn)要提及當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)狀況。
2 “i”—現(xiàn)場(chǎng)總線(PROFIBUS)基礎(chǔ)
2．1 典型結(jié)構(gòu)
2.2 電氣設(shè)備的防爆
眾所周知，電火花和熾熱表面在一定的前提下能夠點(diǎn)燃爆炸性混合物。但在許多情況下，不可能將潛在的引爆源—電器—由爆炸危險(xiǎn)區(qū)中消除掉。所以，必須采取一些防爆措施：盡量避免引爆源，使之失效或大大減小它起引爆作用的概率。必要的防爆措施的范圍是針對(duì)爆炸氣氛出現(xiàn)的頻度而定的。
2.2.1 爆炸危險(xiǎn)范圍的地區(qū)劃分
就爆炸性氣氛存在的概率(時(shí)間上的和地點(diǎn)上的)而言，并作為確定防爆措施范圍的基礎(chǔ)，可燃?xì)怏w、蒸汽或霧同空氣的混合物存在于以下3個(gè)不同的地區(qū)：
0區(qū)：經(jīng)常地或持久地存在著爆炸氣氛(如液化氣罐中的氣室)；
1區(qū)：爆炸氣氛偶爾出現(xiàn)(如在反應(yīng)容器安全閥的四周)；
2區(qū)：爆炸氣氛罕見(jiàn)且短時(shí)出現(xiàn)(如石化企業(yè)空曠區(qū))。
大多數(shù)情況為1區(qū)，防爆措施通常是針對(duì)該地區(qū)制訂的。
2.2.2 本質(zhì)安全防爆方式
EN50020以此有下列定義：
本質(zhì)安全防爆電路：在此電路中，在本標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的試驗(yàn)條件下(包括正常運(yùn)行條件和出現(xiàn)一定事故的條件)出現(xiàn)的火花和熱效應(yīng)不能引爆一定的爆炸氣氛。本安電路或電器分為兩類，即“ ia”和“ib”，其中“ia”同“ib"相比有更高的安全水準(zhǔn)。從基本結(jié)構(gòu)來(lái)看,“ia"是在0區(qū)應(yīng)用的先決條件，而“ib”則相當(dāng)于在1區(qū)中使用。
定義中有兩種具有不同物理特征的引爆源，即電火花(火花引爆)和熾熱表面(熱引爆)。對(duì)前者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性研究，所使用的儀器是符合VDE 0171并由IEC和EN50020推薦的標(biāo)準(zhǔn)電火花試驗(yàn)儀，由德國(guó)PTB研制，見(jiàn)圖PTB—3。
為研究本安防爆電路火花引爆特性，試驗(yàn)儀的爆炸室中充有規(guī)定的混合氣體，它同空氣的比例如下：
I組 (8．3±0．3)％ 甲烷Methan
IIA組 (5．25±0．25)％ 丙烷nopn
(根據(jù)EN50020 及 IEC79-3)
1. 觸盤(陰極-) 2. 觸絲(陽(yáng)極+) 3. 支架 4. 爆炸室
圖PTB—3本質(zhì)安全防爆電路火花實(shí)驗(yàn)儀表示意圖
IIB組 (7．8±0．5)％ 乙烯Ethley
IIC組 (21±2)％ 氫 H2
圖PTB—4所示為一個(gè)電容電路的例子。它由電源U，串聯(lián)電阻Rv、電容C和火花試驗(yàn)儀組成。在一定的電壓Uz作用下開(kāi)始計(jì)數(shù)火花的數(shù)目，直至起爆為止。然后，算出引爆電火花數(shù)量的平均值。其倒數(shù)稱為引爆概率，被記人在相應(yīng)電壓下的概率圖表中(圖PTB—4)。
為比較不同電路的引爆值，在一定的引爆概率下觀察所有的值。與本質(zhì)安全性有關(guān)的概率是 10-3，即平均每1000個(gè)火花中有一個(gè)能起爆。根據(jù) EN50020的規(guī)定，金屬絲(鎢)支架旋轉(zhuǎn)200次時(shí)不允許引爆，在裝有4根鎢絲的情況下，產(chǎn)生約800個(gè)火花。根據(jù)上述情況，在相同范圍所得出的引爆概率約為1.25X10-3。
3 研究?jī)?nèi)容與目的
應(yīng)用于過(guò)程自動(dòng)化的PROFIBUS PA由于應(yīng)用IEC—物理層傳輸技術(shù)(IEC 61158—2)并在PROFI-BUS—DP基礎(chǔ)上擴(kuò)充了非循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù) (DPVl)，而能夠滿足石化行業(yè)的特殊要求(總線饋電、本安防爆、報(bào)警處理、可互操作性等)，是一個(gè)用于分布式自動(dòng)化系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)儀表的通信系統(tǒng)(IEC 61158，Parts 2—6，Typ3)。
物理層傳輸技術(shù)的主要性能是：
● 數(shù)字、位同步數(shù)據(jù)傳輸；
● 傳輸速率31.25kbit／s；
● 曼徹斯特編碼(Manchester—Ⅱ—Code)；
● 與編碼相匹配的幀頭；
● 防止故障的起始與結(jié)束定界符；
● 發(fā)送電平0．75 Vss—1 Vss；
● 使用雙絞線(屏蔽與非屏蔽)傳輸信號(hào)；
● 使用信號(hào)纜芯實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程饋電；
● 本安防爆；
● 總線形與樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
● 每段最多可掛接的儀表數(shù)量為32臺(tái)；
● 最多可使用4臺(tái)中繼器。
作為研究的基礎(chǔ)應(yīng)遵循下列條件：
——本質(zhì)安全防爆(根據(jù)EN 50020和IEC 79—11“ib”類或“ia”類)；
——按照本質(zhì)安全性的含意只存在一個(gè)主動(dòng)源；當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送時(shí)，不向總線輸送功率；
——每個(gè)站點(diǎn)消耗恒定的基本電流(直流)；
——各站點(diǎn)(變送器、手動(dòng)操作儀、總線主站和中繼器)的作用相當(dāng)于無(wú)源的耗電器；
——在本安條件下各站點(diǎn)的有效內(nèi)電感和內(nèi)電容很小，可以忽略不計(jì)；
——可以使用不同類型的電纜；
——終端電阻(網(wǎng)端)置于總線主干電纜的兩端。
在信號(hào)調(diào)制時(shí)，假定總線上每個(gè)站點(diǎn)所消耗的基本電流至少應(yīng)為10mA，且通常供現(xiàn)場(chǎng)儀表用電。通信信號(hào)是由發(fā)送儀表對(duì)基本電流進(jìn)行+／-9mA的調(diào)制后產(chǎn)生的(圖PNO -3，-4)。
電流的調(diào)制根據(jù)IEC SC 65C WG6的規(guī)定采用Manchester—Ⅱ—Code。當(dāng)有的現(xiàn)場(chǎng)儀表所需的消耗電流超過(guò)lOmA時(shí)，則可以為該儀表增大基本電流，但可掛接儀表的數(shù)量將會(huì)受到限制。
3.1 饋電裝置(電源)
接于總線上的本安電源通常安裝在危險(xiǎn)區(qū)以外的控制室中。根據(jù)EN 50020的規(guī)定，電源是一個(gè)“附屬電氣設(shè)備”，它本身并不防爆，但產(chǎn)生一個(gè)本安防爆電路。
倘若在危險(xiǎn)區(qū)中使用電源，則可使用另一種被認(rèn)可的防爆類型，例如“d”(表殼帶耐壓密封罩)。
本安電源可以是其他現(xiàn)場(chǎng)總線部件(例如分段耦合器)的組成部分。
3.1.1 “ib"類電源
電源輸出電路的內(nèi)阻應(yīng)盡量小，因此電源裝有一個(gè)有源電流調(diào)節(jié)器(電子限流器)。這類電源的輸出特性曲線在理想情況下呈矩形(圖PNO -5，-6)。當(dāng)輸出電流增大時(shí)，輸出電壓實(shí)際上一直保持恒定，直到電流達(dá)到一定的極限值時(shí)為止。EN 50020在假定采用冗余的電流、電壓限制器和一個(gè)非本安電路的安全電位隔離裝置的情況下規(guī)定了這樣一個(gè)解決方案。
輸出電壓首先假定為14V(直流)，此值似乎比較合適，因?yàn)楦嗟碾妷簳?huì)限制有用功率。從“ib”電源引爆極限曲線可見(jiàn)，功率許可值隨電壓的增加而明顯地下降。
當(dāng)饋電壓很小時(shí)，總線電纜上產(chǎn)生的壓降和現(xiàn)場(chǎng)儀表還能夠工作的最低電壓會(huì)引發(fā)各種問(wèn)題。假定的14V是一個(gè)很好的折衷方案。從安全技術(shù)考慮，電源的最大電壓值應(yīng)始終大于名義輸出電壓值，因?yàn)楸仨毧紤]所有的誤差。因此，Uz應(yīng)設(shè)定為Uz=15V。
根據(jù)有關(guān)的爆炸組別從已有的引爆極限曲線及實(shí)際的引爆試驗(yàn)中得出允許的電流值。在PTB報(bào)告-W39中，對(duì)于IIC組(H2)允許的極限直流為 Ik=130mA。
3.1. 2 “ia"類電源
根據(jù)EN50020的規(guī)定，為帶電子限流器的電源結(jié)構(gòu)出具合格證明僅限于“ib”類。在歐洲一些國(guó)家，如意大利和英國(guó)，常把“ia”視為本安電路的標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)討論一個(gè)能滿足“ia"各個(gè)條件的替代電源，所采取的辦法是用帶固定電阻和Z--二極管的電路來(lái)取代電子限流器。對(duì)包含以下與安全相關(guān)的電路元件的電源進(jìn)行了研究(圖PNO -7，-8)。
源電壓Uo=34V，R=150Ω，Z--二極管UZD=15V(最大值)。此電源具有“梯形”輸出特性曲線 (圖PNO—8)。
電源的工作值如下：
U=14V
I=120mA
P=1.7W
以上工作值可同“ib”方案的數(shù)值相比較。“ia”--方案的缺點(diǎn)是串聯(lián)電阻應(yīng)有相當(dāng)高的負(fù)載能力，其次在工作狀態(tài)下始終有功率損失。
取安全系數(shù)為1.5時(shí)，Z--二極管的最大功率應(yīng)為2.7W。
這里也可以分?jǐn)偟絻蓚€(gè)串聯(lián)的Z--二極管上。在研制本安防爆電源時(shí)的其他原則應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)EN50014和EN50020為依據(jù)。
3.2 現(xiàn)場(chǎng)儀表
在討論現(xiàn)場(chǎng)儀表時(shí)假定總線接口對(duì)所有儀表而言，無(wú)論它們由總線饋電，還是由外接電源供電，幾乎都具有相同的構(gòu)造。使用外接電源時(shí)，在接口與其余電路之間需連接一個(gè)電位隔離器。與總線相連接部分的有效內(nèi)電容與內(nèi)電感小得可以忽略不計(jì)。它們的值應(yīng)在5nF和10μH以下。
儀表的連接應(yīng)與極性無(wú)關(guān)。通常在現(xiàn)場(chǎng)儀表的輸入電路中接有一個(gè)橋路以滿足上述要求(圖PTB一5)。
現(xiàn)場(chǎng)儀表的基本電流設(shè)定為10mA(直流)?，F(xiàn)場(chǎng)儀表可以消耗更大的基本電流。
現(xiàn)場(chǎng)儀表輸入端所需最小電壓設(shè)定為9V。但并不排除研制在此電壓以下仍能工作的現(xiàn)場(chǎng)儀表。但是，在9V電壓下所有現(xiàn)場(chǎng)儀表都能夠正常地工作?，F(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)歸納如下：
Umin=9V
IB=10mA(或更大)
Li<10μH
Ci<5nf
3．3 電纜
選擇三種類型電纜進(jìn)行研究，其參數(shù)極不相同。
A、安裝電纜4X2.5mm2NYM—J(無(wú)屏蔽)
測(cè)得的每公里數(shù)值如下：
R'=15.6Ω
L'=605pH
C'=117nF
導(dǎo)線具有很小的分布電阻。電感、電容為平均值。
B、信號(hào)電纜2X0.6mm2(無(wú)屏蔽)
測(cè)得的每公里數(shù)值如下：
R'=123Ω
L'=308μH
C'=96.3nF
這種導(dǎo)線具有很高的分布電阻，但很小的分布電感與電容。
C、信號(hào)電纜(制造廠Belden，型號(hào)8761，帶屏蔽)
測(cè)得以下數(shù)值(以每公里計(jì))：
R'=83.4Ω
L'=530μH
C'=86.7nF
CLs=173.95nF (C'LS=電纜—屏蔽分布電容)
這種導(dǎo)線具有相當(dāng)高的分布電阻，平均分布電感和相當(dāng)高的分布電容(由于屏蔽)。
從電源額定電壓和現(xiàn)場(chǎng)儀表最小輸入電壓之差求得電纜允許的最大壓降：
UD=Us—Umin
UD=14V—9V
UD=5V
總線電纜上的壓降是由于分布電阻、電纜長(zhǎng)度和供電電流而產(chǎn)生的。在最不利的情況下，所有現(xiàn)場(chǎng)儀表位于總線末端，可用電流在100…120mA內(nèi)。由此得出最大允許的電纜電組為：
Rmax=5V／120mA
Rmax=41.67Ω
根據(jù)此值對(duì)于A類電纜設(shè)定長(zhǎng)度為1000m，而對(duì)B型、C型電纜的研究所設(shè)定的長(zhǎng)度為500m。
總線電纜的有效電容首先由電容內(nèi)襯C'求得，它是兩根纜芯之間的電容。假如電纜有一個(gè)屏蔽，則有一個(gè)附加電容在起作用。
電容的計(jì)算是針對(duì)總線電纜與屏蔽的連接電路進(jìn)行的。假如，總線電路對(duì)接地的屏蔽是0電位，或者假如屏蔽在電源正、負(fù)端之間是對(duì)稱分布的，那么除了纜芯對(duì)纜芯的電纜，還必須考慮由電容纜芯對(duì)屏蔽和屏蔽對(duì)纜芯的串聯(lián)電路。于是C'=C'纜芯／纜芯+0.5C'纜芯／屏蔽。假如屏蔽向電源的一個(gè)纜芯相連，則C'=C'纜芯／纜芯+C'纜芯／屏蔽。
3．4 手動(dòng)操作儀和連接總線主站耦合器
為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，它們的特性如同接于總線上的現(xiàn)場(chǎng)儀表。
它們同樣作為無(wú)源的耗電器，在任何情況下都不能夠向總線饋電。它們的有效內(nèi)部電容與電感參見(jiàn)3.2中的有關(guān)規(guī)定。
3．5 電纜終端電阻
為連接總線電纜，假定在主干線的兩端設(shè)置終端電阻，由于通常不能在電源的輸出端獲得所需的阻抗，因此需安置一個(gè)獨(dú)立的電纜終端電阻。
終端電阻由一個(gè)電容和一個(gè)電阻所組成，RC元件的數(shù)值如下：
R=93．4Ω
C=1μF或2.2μF
3．6 故障隔離電子電路Fault Disconnection Electronics (FDE)
對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)有一個(gè)十分重要的要求，這就是一個(gè)有毛病的總線站點(diǎn)不應(yīng)該妨礙其余系統(tǒng)的功能。討論中應(yīng)將電源中或聯(lián)通總線主站的耦合器中出現(xiàn)的故障排除在外，除非它們使用冗余結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)總線被封鎖，可以因某個(gè)站點(diǎn)持續(xù)發(fā)送信號(hào)所致。使用看門狗從內(nèi)部監(jiān)控最長(zhǎng)的發(fā)送時(shí)間，在超越最大許可值時(shí)將站點(diǎn)從總線上切斷。
儀表的基本電流也可以因出現(xiàn)故障而改變。當(dāng)明顯地超出某個(gè)站點(diǎn)特定的基本電流時(shí)，總線電源的限流器立即作出反應(yīng)，使供電電壓減少，最終使通信中斷。
3．7 現(xiàn)場(chǎng)總線模型
現(xiàn)場(chǎng)總線模型的基本結(jié)構(gòu)如圖PNO—3所示。在控制室中(非爆炸危險(xiǎn)區(qū))裝有總線饋電源和銜接PNK(靠近過(guò)程的部件)總線主站。
在現(xiàn)場(chǎng)區(qū)(爆炸危險(xiǎn)區(qū))，接于總線上的有現(xiàn)場(chǎng)儀表以及手動(dòng)操作儀表。并聯(lián)于總線主電纜、連接現(xiàn)場(chǎng)儀表的分電纜長(zhǎng)度應(yīng)在30m以內(nèi)。
針對(duì)本質(zhì)安全防爆方式對(duì)該模型進(jìn)行了以下研究。
（轉(zhuǎn)載）
