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LonWorks现场总线的本安技术
xiao_xiao1 发表于 2009/10/20 14:02:58 562 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。它主要解决现场的智能化仪表、控制器、执行机构等现场设备之间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。LonWorks现场总线是由Echelon公司推出的，采用内含3个CPU的神经元芯片；协议采用LONTALK协议，该协议遵循ISO的OSI全部七层模型；可支持多种通信介质，如双绞线、电力线、光纤等；编程语言采用由ANSI C派出来的Neuron C语言，软件开发极为方便。LonWorks现场总线目前广泛应用于楼宇自动化、汽车电子、过程监控等领域。
本安是一种危险区域的防爆技术，原理是通过限制进入危险区域电路和设备的能量。危险区域是指有可燃性介质存在的区域，可燃性介质的种类很多，主要包括原油及其衍生物、酒精、天然或人工合成气体、金属粉尘、碳粉尘及纤维等。本安技术允许可燃性介质进入电气设备，它主要考虑了两种点燃机制，即电火花和热表面。与其它防爆技术相比，本安技术有如下优点：①维护方便，无需密封和磁耦合控制；②低成本，体积小、重量轻；③更高的可靠性；④更广的应用场合。
尽管国内介绍LonWorks现场总线方面的文章很多，但有关它的本安技术未见文献报道。本文侧重介绍LonWorks本安物理通道IS-78规范及其与安全区网络的连接方法，旨在为LonWorks本安技术的实际应用提供理论指导，为最终将LonWorks现场总线应用于危险区域铺平道路。
1 本安标准及电路参数设计
本安概念起源于英国，时间大约在1914-1916年。1913年10月14日，英国南威尔士的一座煤矿发生了重大爆炸事故，原因是火花引爆矿井中的甲烷气体所致，439名矿工在这次事故中丧生。1945英国颁布了第一个正式的本安标准BS1259，标准中正式定义了本安概念。IEC标准定义了两个本安等级，即在保证设备安全的前提下，允许出现的故障数。这两个标准如下：
①ia：允许出现多达两个元件或其它故障仍能保持防爆。这样的本安装置可以安装或连接到区域0、区域1、区域2。
②ib：允许出现一个元件或其它故障仍能保持防爆。这样的本安装置可以安装或连接到区域1和区域2。
本安电路参数设计的主要依据是最小点燃曲线，但如果直接用曲线提供的数据设计本安电路是不可靠的，必须考虑一定的安全系数。ia级和ib级的安全系数如下：
①ia级。要求在正常时或发生一个故障或两个故障都不会引爆可燃性介质。因此，正常工作时的安全系数为2.0；发生一个故障时为1.5，发生两个故障时为1.0。
②ib级。要求在正常时或发生一个故障时不引爆可燃性介质。正常时安全系数取2.0；一个故障时为1.5。
那么，电路的最大允许电流（电压）可按下式计算：
电路最大允许电流（电压）=最小点燃电流（电压）/安全系数。
用最小点燃曲线设计电路参数还应该注意以下问题：
①先对电路进行精确的等效变换，使实际电路简化，从而确定其性质是阻性、感性或是容性；
②准确地给出电源电压、电感量、电容量等已知参数；
③对电压考虑波动量，对元器件应考虑允许误差，波动方向和误差符号都按照最不利于安全的情况考虑；
④查曲线时要注意电路的性质，使用在何种危险场所，电路中是否有无镉、锌、镁、铝材料等；
⑤电路在正常和故障状态下的最大电流和电压，都不应超过计算出的允许值。
2 IS-78本安组件及规范
为了能将LonWorks现场总线应用于危险区域，MTL开发了IS-78 LonWorks本安物理通道，利用该物理通道可将LonWorks网络扩展到危险区域。IST-78是一种满足本安要求的收发器，ISC-78是一种满足本安要求的控制模块，它们都已通过“ia”本安认证，用户如需设计LonWorks本安节点，可直接采用这些组件来设计，既可缩短开发时间，同时还可减少认证成本，因为认证机构无需对已认证的模块再作考虑。选用IST-78收发器进行本安节点设计时，用户除了要考虑应用电路以外，同时还需考虑神经元芯片电路、存储器电路等。使用ISC-78控制模块设计节点时，用户只需考虑应用电路，因为ISC-78控制模块中包括本安收发器、神经元芯片及存储器电路等，使用极为方便。在本安节点设计时，建议采用T4设备温度等级，这样可满足大部分场合的要求。
IST-78收发器内部有3只变压器，一只用于提供电源，另两只分别用于两个方向上的通信。IST-78收发器框图如图1所示。IST-78收发器和IST-78控制模块都可通过插头安装到电路板上。
图1 IST-78收发器框图
任何进入危险区域的电路或回路，必须采用经过认证的齐纳安全栅或电气隔离器来限制进入危险区域MTL3054本安