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基金会现场总线的本质安全技术
基金会现场总线的本质安全原理
基金会现场总线是一种全数字、串行、双向通信协议，用于现场设备如变送器、控制器、执行器等的互连。它是存在于过程控制仪表间的一个局域网(LAN)，以实现网内过程控制的分散化。与其他形式的总线相比，基金会现场总线是专门为适应自动化系统，特别是过程自动化系统在功能、环境、技术上的需要而专门设计的。在满足苛刻的使用环境、本质安全、危险场合、多变过程以及总线供电等方面，它都有完善的措施。另外，由于采用了标准功能块以及DDL设备描述技术，它能确保不同厂家的产品有很好的可互操作性和互换性。因此，在化工过程自动控制中选用基金会现场总线系统是十分合适的。
一 基金会现场总线的本质安全原理
本质安全(简称“本安”I.S.)技术是在爆炸性环境下使用电器设备时确保安全的一种方法。通常，将存在有爆炸危险的区域称为危险场所，这种场所一般都有易燃、易爆的气体，液体与粉尘等。为了确保工厂及人身安全，人们必须采取安全措施，以保证这些具有可燃性物质的环境不被点燃。一般常用人工预防措施，如充沙、环氧树脂浇封电器设备等；而本安技术采取的是另一种方法。本安电器设备与可燃性气体的接触将不会产生潜在的危险，这是因为整个系统(包括危险场所用本安设备和与之直接相连的安全场所用关联设备)的设计使得即使在设备或连接电缆出现故障的情况下，可能出现的电火花或热表面不足以引起点燃。该技术允许进行在线测量(使用认可的测量设备)和带电调整，而且设备也可在系统工作时进行拆卸或更换。但是，本安技术仅适用于低电压和低功耗(最高为几欧姆)的设备。对于仪表来说，这是一种很适合的方法。与其他技术相比，本安技术是一项国际标准化程度很高的技术，这使得同一设备和系统被世界上大部分地区认可和使用成为可能。但对危险场所的分类，目前尚存两种划分法：IEC 97标准规定的“Zone”区域以及美国和加拿大的“Division”区域。
二 危险场所用的电器设备
对于危险场所用的各种不同类型的防爆电器设备的认证，已有多年的历史，然而对于现场总线技术设备，则要求不同厂商生产的电器设备按照一种兼容的方法进行认证，使它们都能连到一条共同的总线上。基金会以31.25kb/s物理层行规规范为通信设备和辅助单元规定了一些推荐认证参数，如表1所示。若按照这些参数要求进行设计，由不同制造商生产的电器设备都可以挂接到基金会现场总线上。这一技术规定来自1993年IEC/ISA现场总线物理层IEC 61158-2的第十一节和第二十二节(草案)，共定义了8种现场总线通信设备类型用的行规，其中4种可在危险场所与本安现场总线相接。具体形式和基金会代号为：111型——标准功率信号，总线供电，本质安全；112型——标准功率信号，独立供电，本质安全；121型——低功率信号，总线供电，本质安全；122型——低功率信号，独立供电，本质安全。与其他类型的设备相比，其显著区别是因为它们的媒体附加单元(MAU)随时都被规定为电流吸收器，在任何工作期间都不会向总线提供电流。因此，这些设备在接收和传输信号时不会把电能带入现场总线的特性，完全适合于危险场所使用。
111、112、121、122行规类型设备的任意组合可以连接到本安供电的现场总线上。基金会行规规范定义了一种能与标准功率和低功率信号设备以及这4种总线供电和独立供电类型设备的任意组合一起运行的现场总线。任何行规规定的适用于危险场所的设备也可与基金会现场总线的非本安分段，或位于安全场所的基金会总线相连接。唯一要求是总线本身必须能供电(甚至对于独立供电的112和122类型设备也有同样要求)。
(1)总线供电设备(行规111和121)
这些设备的唯一电源是现场总线本身。使用总线供电设备的一个典型本安现场总线系统如图1所示。MAU将完成两个功能，即调节由现场总线送到设备的电源，并将信号馈送到总线。
(2)独立供电设备(行规112和122)
这些设备除来自现场总线本身的供电外，还具有一个或多个电源。例如，应用电路需要高于本安现场总线可供电源的分析仪，或电池供电的手持单元。这些类型的设备及其电源应采用其他防爆形式进行设计，但其总线通信单元仍需与本安现场总线相连。该系统的一个实例如图2所示。在这种情况下，设备中的MAU只需向现场总线通信电路本身提供电源。这就是使用低功率信号122类型设备在减少抽取现场总线电流方面具有显著优点的一个例子。同样，对于标准功率信号的112类型设备的使用，也具有同样的优点。
(3)现场总线终端器
所有基金会现场总线的分段需要设置两个总线终端器。对于本安现场总线来说，每根现场总线至少需有一个终端器安装在危险场所(如图2所示)。终端器是一种用于传输线终点或靠近终点的网络匹配器，具有和传输线相同的特性阻抗，以便使能引起数据错误的因“反射波”而造成的信号失真达到最小。不同类型行规的设备接到总线上时，可能会对系统瞬态响应产生不利影响，因此，具有其他阻抗特性的总线终端器不能用于基金会现场总线系统。
三 安全场所用的关联设备
基金会现场总线危险场所的唯一电源来自安装在安全场所的安全电源。所有直接与危险场所布线或设备相连的安全场所设备是本安系统的一部分。这种关联设备也可以包含在一个本安隔离器中，现场总线本安电源还可采用普通的现场总线电源和本安安全栅的组合配置而成。表2列出了基金会物理层行规规范中关于这类关联设备推荐的本安参数。
(1)现场总线供电电源
现场总线基金会物理层行规规范中提到电源可设计成以下几种形式：131型本安电源是为本安防爆栅供电而设计的，输出电压取决于防爆栅的功率；132型非本安电源不用于本安防爆栅供电，输出电压最大值为32V DC；133型本安电源符合推荐的本安参数。
现场总线所用电源的阻抗需与网络相匹配。无论是内置还是外置的电源，均为电阻/电感网络，它与终端器容抗相互补偿，使其在较宽的频率范围内具有平坦的频率响应特性。
(2)本安安全栅
基金会物理层行规规范的本安安全栅适合于安装在安全场所。典型的本安安全栅由并联连接的齐纳二极管、串联连接的限流电阻和保护熔断器构成的网络组成。它具有在点燃危险环境之前把过压、浪涌电流和过载电流安全转移到系统“地”的功能，如图3所示。因此，当使用安全栅来保护危险场所的现场总线时，首先要求在安全栅和地之间设置有合适规格而又高度完善的连线。绝大多数国家的安装规范要求设置在安全栅接地端和系统安全地(通常连接到电源配电系统的中性点)之间的接地电缆的直流电阻小于1Ω。一些安全栅制造商为了方便用户，可能还会把现场总线终端器设计在本安安全栅内，因此用户在选用时应加以注意。
(3)本安电流隔离器
基金会物理层行规规范含有一个本安电流隔离器。与本安安全栅相比，这种隔离器是通过采用能防止浪涌电流或过载电流从安全区传输到危险场所的高度可靠的隔离措施来保证安全的。隔离器中电能和信号的传输是通过使用经特别设计，并具有可靠的最小分离间距和隔离特性的器件来完成的，同本安安全栅一样在信号传递到危险场所之前，隔离器电路中也设置了限压和限流电路，这一电路就确定了隔离器的本安输出特性，如图4所示。在使用时，由于隔离器不将浪涌电流转移到地，因此也就不再需要像本安安全栅那样连接安全地线。不过，本安电流隔离器仍需提供一个合适的系统接地端，用以连接电缆屏蔽层，它仅适合于在安全场所安装。
(4)本安安全栅与本安隔离器的比较
与本安安全栅相比，隔离器的显著优点在于其危险场所电路(本安侧电路)与地完全隔离，从而较好地保证了现场总线系统对地以平衡的方式运行。另外，隔离器中使用的有源电路在信号频率下也可使隔离器在每根现场总线上呈现较小的阻抗。由于隔离器两侧的总线分段可认为是一段连续的总线，因此采用此技术的制造商不一定会将总线终端器设计在本安电流隔离器中，用户使用时，应确定产品中有无终端器。
(5)与现场总线相连的其他安全场所设备的技术要求
由于使用了经认证的本安安全栅与电流隔离器，使与其安全区侧相连的安全场所设备的使用几乎不受任何条件的限制。唯一必须遵守的重要原则是，与安全场所现场总线相连的任何设备的电源或可能产生的电压，不应超过250V RMS(有效值)AC/DC。对于任何可能有高压危险的情况，一般应通过采取在含有高压电路的设备和本安现场总线关联设备之间设置一个浪涌保护装置的办法来解决。
四 基金会本安现场总线系统安全性
各国对已经设计完成的现场总线系统，在安装前所需进行的第三方认证的要求是各不相同的。由北美国家提出的“整体概念”，是对本安系统中的供电电源及其接收设备分别给出安全参数，并允许用户用该安全参数对系统的配置进行适用性和安全性分析，这将很适合对于具有众多供应商的符合基金会物理层规范的现场总线系统进行分析、认证。这一工作将由获得授权的本安认证机构根据基金会推荐参数进行系统认证。
五 系统用电缆
危险场所现场电缆的开路或短路，可能是储能的释放源。在系统设备安装参数表中给出了本安现场总线电缆的最大允许电容和电感值。其最大允许长度应通过计算确定，即在一定的环境(规定的气体组别)下，计算出系统电缆最大允许电容量值除以所用电缆单位长度的测量或估计电容值。在安装规范上，大多数国家都要求设备机架、机架内的本安电路布线与其他电路布线分开，如使用不同的接线盒等。
综上所述，现场总线系统的本质安全特性与传统的4～20mA的DCS有许多不同之处，因此对现场总线系统的设计、设备选型、安装施工等都应进行严格认证，确保系统的安全性、适应性，以满足各种现场环境对自动控制的要求。迄今为止，较为成熟的有基金会现场总线控制系统，该系统在炼油、化工行业已有成功的应用，也有许多厂家正在进行该系统的施工，这标志着基金会现场总线技术的应用在我国进入了一个全新的阶段。