1 引言
現(xiàn)場總線系統(tǒng)應用在工藝過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規(guī)定。在石油、化工爆炸危險區(qū)(Ex—區(qū))內，“EExi—本質安全防爆方式”是經常使用的防爆方法，它在設計、制造開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)。
自動化技術產品的生產企業(yè)和置于危險區(qū)生產設備的用戶對此極感興趣，因為本安防爆應用于現(xiàn)場總線系統(tǒng)無疑是十分有益的。
1990年，德國聯(lián)邦物理工程研究院(PTB)作為防爆檢測與認證中心和一些知名的PNO會員企業(yè)合作研究現(xiàn)場總線系統(tǒng)本質安全防爆問題。當時選擇了物理層國際標準草案IEC61158—2作為研究的基礎標準之一。
1993年，研究成果"Fieldbus Intrinsically Safe Concept，現(xiàn)場總線本質安全防爆構想”，簡稱FISCO—模型開始進入PROFIBUS—PA技術的范疇。FISC0使得PROFIBUS—PA以本質安全防爆方式安裝、應用在Ex—區(qū)中成為可能，以十分經濟、簡便的方式解決了現(xiàn)場總線的防爆問題。
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)場儀表數(shù)量達到了最大值，明顯地多于其他現(xiàn)場總線；分段可以在FISCO的限制內擴充，但無須重新進行本安核算；不同生產廠的現(xiàn)場儀表可以互換，也無須再進行本安核算。尤其重要的一點是無須系統(tǒng)認證，只須對一些主要參數(shù)的匹配進行驗證即可；工程設計與計算，安裝與維護大為簡化，費用明顯節(jié)省；極大地提高了生產安全性。
FISCO—模型的上述優(yōu)點對PROFIBUS—PA(IEC 61158，Parts 2—6，Type3)有Ex—區(qū)中應用的迅速擴大，無疑起了重要的推動作用。
本報告概述迄今為止還鮮為人知的FISCO—模型的基本概念規(guī)則、結論及應用。最后簡要提及當前的標準狀況。
2 “i”—現(xiàn)場總線(PROFIBUS)基礎
2．1 典型結構
2.2 電氣設備的防爆
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爆炸氣氛出現(xiàn)的頻度而定的。
2.2.1 爆炸危險范圍的地區(qū)劃分
就爆炸性氣氛存在的概率(時間上的和地點上的)而言，并作為確定防爆措施范圍的基礎，可燃氣體、蒸汽或霧同空氣的混合物存在于以下3個不同的地區(qū)：
0區(qū)：經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)(如在反應容器安全閥的四周)；
2區(qū)：爆炸氣氛罕見且短時出現(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該地區(qū)制訂的。
2.2.2 本質安全防爆方式
EN50020以此有下列定義：
本質安全防爆電路：在此電路中，在本標準所規(guī)定的試驗條件下(包括正常運行條件和出現(xiàn)一定事故的條件)出現(xiàn)的火花和熱效應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。從基本結構來看,“ia"是在0區(qū)應用的先決條件，而“ib”則相當于在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)。對前者進行了實驗性研究，所使用的儀器是符合VDE 0171并由IEC和EN50020推薦的標準電火花試驗儀，由德國PTB研制，見圖PTB—3。
為研究本安防爆電路火花引爆特性，試驗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(陽極+) 3. 支架 4. 爆炸室
圖PTB—3本質安全防爆電路火花實驗儀表示意圖
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和火花試驗儀組成。在一定的電壓Uz作用下開始計數(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。與本質安全性有關的概率是 10-3，即平均每1000個火花中有一個能起爆。根據(jù) EN50020的規(guī)定，金屬絲(鎢)支架旋轉200次時不允許引爆，在裝有4根鎢絲的情況下，產生約800個火花。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 研究內容與目的
應用于過程自動化的PROFIBUS PA由于應用IEC—物理層傳輸技術(IEC 61158—2)并在PROFI-BUS—DP基礎上擴充了非循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸服務 (DPVl)，而能夠滿足石化行業(yè)的特殊要求(總線饋電、本安防爆、報警處理、可互操作性等)，是一個用于分布式自動化系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表的通信系統(tǒng)(IEC 61158，Parts 2—6，Typ3)。
物理層傳輸技術的主要性能是：
● 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；
● 使用信號纜芯實現(xiàn)遠程饋電；
● 本安防爆；
● 總線形與樹形拓撲結構；
● 每段最多可掛接的儀表數(shù)量為32臺；
● 最多可使用4臺中繼器。
作為研究的基礎應遵循下列條件：
——本質安全防爆(根據(jù)EN 50020和IEC 79—11“ib”類或“ia”類)；
——按照本質安全性的含意只存在一個主動源；當一個站點發(fā)送時，不向總線輸送功率；
——每個站點消耗恒定的基本電流(直流)；
——各站點(變送器、手動操作儀、總線主站和中繼器)的作用相當于無源的耗電器；
——在本安條件下各站點的有效內電感和內電容很小，可以忽略不計；
——可以使用不同類型的電纜；
——終端電阻(網端)置于總線主干電纜的兩端。
在信號調制時，假定總線上每個站點所消耗的基本電流至少應為10mA，且通常供現(xiàn)場儀表用電。通信信號是由發(fā)送儀表對基本電流進行+／-9mA的調制后產生的(圖PNO -3，-4)。
電流的調制根據(jù)IEC SC 65C WG6的規(guī)定采用Manchester—Ⅱ—Code。當有的現(xiàn)場儀表所需的消耗電流超過lOmA時，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區(qū)以外的控制室中。根據(jù)EN 50020的規(guī)定，電源是一個“附屬電氣設備”，它本身并不防爆，但產生一個本安防爆電路。
倘若在危險區(qū)中使用電源，則可使用另一種被認可的防爆類型，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
電源輸出電路的內阻應盡量小，因此電源裝有一個有源電流調節(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)。當輸出電流增大時，輸出電壓實際上一直保持恒定，直到電流達到一定的極限值時為止。EN 50020在假定采用冗余的電流、電壓限制器和一個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，因為更多的電壓會限制有用功率。從“ib”電源引爆極限曲線可見，功率許可值隨電壓的增加而明顯地下降。
當饋電壓很小時，總線電纜上產生的壓降和現(xiàn)場儀表還能夠工作的最低電壓會引發(fā)各種問題。假定的14V是一個很好的折衷方案。從安全技術考慮，電源的最大電壓值應始終大于名義輸出電壓值，因為必須考慮所有的誤差。因此，Uz應設定為Uz=15V。
根據(jù)有關的爆炸組別從已有的引爆極限曲線及實際的引爆試驗中得出允許的電流值。在PTB報告-W39中，對于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構出具合格證明僅限于“ib”類。在歐洲一些國家，如意大利和英國，常把“ia”視為本安電路的標準。因此，應討論一個能滿足“ia"各個條件的替代電源，所采取的辦法是用帶固定電阻和Z--二極管的電路來取代電子限流器。對包含以下與安全相關的電路元件的電源進行了研究(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”--方案的缺點是串聯(lián)電阻應有相當高的負載能力，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，Z--二極管的最大功率應為2.7W。
這里也可以分攤到兩個串聯(lián)的Z--二極管上。在研制本安防爆電源時的其他原則應以標準EN50014和EN50020為依據(jù)。
3.2 現(xiàn)場儀表
在討論現(xiàn)場儀表時假定總線接口對所有儀表而言，無論它們由總線饋電，還是由外接電源供電，幾乎都具有相同的構造。使用外接電源時，在接口與其余電路之間需連接一個電位隔離器。與總線相連接部分的有效內電容與內電感小得可以忽略不計。它們的值應在5nF和10μH以下。
儀表的連接應與極性無關。通常在現(xiàn)場儀表的輸入電路中接有一個橋路以滿足上述要求(圖PTB一5)。
現(xiàn)場儀表的基本電流設定為10mA(直流)?，F(xiàn)場儀表可以消耗更大的基本電流。
現(xiàn)場儀表輸入端所需最小電壓設定為9V。但并不排除研制在此電壓以下仍能工作的現(xiàn)場儀表。但是，在9V電壓下所有現(xiàn)場儀表都能夠正常地工作?，F(xiàn)場儀表的數(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行研究，其參數(shù)極不相同。
A、安裝電纜4X2.5mm2NYM—J(無屏蔽)
測得的每公里數(shù)值如下：
R'=15.6Ω
L'=605pH
C'=117nF
導線具有很小的分布電阻。電感、電容為平均值。
B、信號電纜2X0.6mm2(無屏蔽)
測得的每公里數(shù)值如下：
R'=123Ω
L'=308μH
C'=96.3nF
這種導線具有很高的分布電阻，但很小的分布電感與電容。
C、信號電纜(制造廠Belden，型號8761，帶屏蔽)
測得以下數(shù)值(以每公里計)：
R'=83.4Ω
L'=530μH
C'=86.7nF
CLs=173.95nF (C'LS=電纜—屏蔽分布電容)
這種導線具有相當高的分布電阻，平均分布電感和相當高的分布電容(由于屏蔽)。
從電源額定電壓和現(xiàn)場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、電纜長度和供電電流而產生的。在最不利的情況下，所有現(xiàn)場儀表位于總線末端，可用電流在100…120mA內。由此得出最大允許的電纜電組為：
Rmax=5V／120mA
Rmax=41.67Ω
根據(jù)此值對于A類電纜設定長度為1000m，而對B型、C型電纜的研究所設定的長度為500m。
總線電纜的有效電容首先由電容內襯C'求得，它是兩根纜芯之間的電容。假如電纜有一個屏蔽，則有一個附加電容在起作用。
電容的計算是針對總線電纜與屏蔽的連接電路進行的。假如，總線電路對接地的屏蔽是0電位，或者假如屏蔽在電源正、負端之間是對稱分布的，那么除了纜芯對纜芯的電纜，還必須考慮由電容纜芯對屏蔽和屏蔽對纜芯的串聯(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纜芯相連，則C'=C'纜芯／纜芯+C'纜芯／屏蔽。
3．4 手動操作儀和連接總線主站耦合器
為簡便起見，它們的特性如同接于總線上的現(xiàn)場儀表。
它們同樣作為無源的耗電器，在任何情況下都不能夠向總線饋電。它們的有效內部電容與電感參見3.2中的有關規(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，因此需安置一個獨立的電纜終端電阻。
終端電阻由一個電容和一個電阻所組成，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)
對現(xiàn)場總線系統(tǒng)有一個十分重要的要求，這就是一個有毛病的總線站點不應該妨礙其余系統(tǒng)的功能。討論中應將電源中或聯(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構?，F(xiàn)場總線被封鎖，可以因某個站點持續(xù)發(fā)送信號所致。使用看門狗從內部監(jiān)控最長的發(fā)送時間，在超越最大許可值時將站點從總線上切斷。
儀表的基本電流也可以因出現(xiàn)故障而改變。當明顯地超出某個站點特定的基本電流時，總線電源的限流器立即作出反應，使供電電壓減少，最終使通信中斷。
3．7 現(xiàn)場總線模型
現(xiàn)場總線模型的基本結構如圖PNO—3所示。在控制室中(非爆炸危險區(qū))裝有總線饋電源和銜接PNK(靠近過程的部件)總線主站。
在現(xiàn)場區(qū)(爆炸危險區(qū))，接于總線上的有現(xiàn)場儀表以及手動操作儀表。并聯(lián)于總線主電纜、連接現(xiàn)場儀表的分電纜長度應在30m以內。
針對本質安全防爆方式對該模型進行了以下研究。
（轉載）
