本文作者狄利明先生，南京師范大學(xué)控制科學(xué)與工程系高級工程師。 關(guān)鍵詞：基金會現(xiàn)場總線　本質(zhì)安全　危險場所　安全場所 基金會現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字、串行、雙向通信協(xié)議，用于現(xiàn)場設(shè)備如變送器、控制器、執(zhí)行器等的互連。它是存在于過程控制儀表間的一個局域網(wǎng)（LAN），以實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)過程控制的分散化。與其他形式的總線相比，基金會現(xiàn)場總線是專門為適應(yīng)自動化系統(tǒng)，特別是過程自動化系統(tǒng)在功能、環(huán)境、技術(shù)上的需要而專門設(shè)計的。在滿足苛刻的使用環(huán)境、本質(zhì)安全、危險場合、多變過程以及總線供電等方面，它都有完善的措施。另外，由于采用了標(biāo)準(zhǔn)功能塊以及DDL設(shè)備描述技術(shù)，它能確保不同廠家的產(chǎn)品有很好的可互操作性和互換性。因此，在化工過程自動控制中選用基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)是十分合適的。 一 基金會現(xiàn)場總線的本質(zhì)安全原理 本質(zhì)安全（簡稱“本安”I.S.）技術(shù)是在爆炸性環(huán)境下使用電器設(shè)備時確保安全的一種方法。通常，將存在有爆炸危險的區(qū)域稱為危險場所，這種場所一般都有易燃、易爆的氣體，液體與粉塵等。為了確保工廠及人身安全，人們必須采取安全措施，以保證這些具有可燃性物質(zhì)的環(huán)境不被點燃。一般常用人工預(yù)防措施，如充沙、環(huán)氧樹脂澆封電器設(shè)備等；而本安技術(shù)采取的是另一種方法。本安電器設(shè)備與可燃性氣體的接觸將不會產(chǎn)生潛在的危險，這是因為整個系統(tǒng)（包括危險場所用本安設(shè)備和與之直接相連的安全場所用關(guān)聯(lián)設(shè)備）的設(shè)計使得即使在設(shè)備或連接電纜出現(xiàn)故障的情況下，可能出現(xiàn)的電火花或熱表面不足以引起點燃。該技術(shù)允許進行在線測量（使用認可的測量設(shè)備）和帶電調(diào)整，而且設(shè)備也可在系統(tǒng)工作時進行拆卸或更換。但是，本安技術(shù)僅適用于低電壓和低功耗（最高為幾歐姆）的設(shè)備。對于儀表來說，這是一種很適合的方法。與其他技術(shù)相比，本安技術(shù)是一項國際標(biāo)準(zhǔn)化程度很高的技術(shù)，這使得同一設(shè)備和系統(tǒng)被世界上大部分地區(qū)認可和使用成為可能。但對危險場所的分類，目前尚存兩種劃分法：IEC 97標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“Zone”區(qū)域以及美國和加拿大的“Division”區(qū)域。 二 危險場所用的電器設(shè)備 對于危險場所用的各種不同類型的防爆電器設(shè)備的認證，已有多年的歷史，然而對于現(xiàn)場總線技術(shù)設(shè)備，則要求不同廠商生產(chǎn)的電器設(shè)備按照一種兼容的方法進行認證，使它們都能連到一條共同的總線上?；饡?1.25kb/s物理層行規(guī)規(guī)范為通信設(shè)備和輔助單元規(guī)定了一些推薦認證參數(shù)，如表1所示。若按照這些參數(shù)要求進行設(shè)計，由不同制造商生產(chǎn)的電器設(shè)備都可以掛接到基金會現(xiàn)場總線上。這一技術(shù)規(guī)定來自1993年IEC/ISA現(xiàn)場總線物理層IEC 61158-2的第十一節(jié)和第二十二節(jié)（草案），共定義了8種現(xiàn)場總線通信設(shè)備類型用的行規(guī)，其中4種可在危險場所與本安現(xiàn)場總線相接。具體形式和基金會代號為：111型——標(biāo)準(zhǔn)功率信號，總線供電，本質(zhì)安全；112型——標(biāo)準(zhǔn)功率信號，獨立供電，本質(zhì)安全；121型——低功率信號，總線供電，本質(zhì)安全；122型——低功率信號，獨立供電，本質(zhì)安全。與其他類型的設(shè)備相比，其顯著區(qū)別是因為它們的媒體附加單元（MAU）隨時都被規(guī)定為電流吸收器，在任何工作期間都不會向總線提供電流。因此，這些設(shè)備在接收和傳輸信號時不會把電能帶入現(xiàn)場總線的特性，完全適合于危險場所使用。 111、112、121、122行規(guī)類型設(shè)備的任意組合可以連接到本安供電的現(xiàn)場總線上?；饡幸?guī)規(guī)范定義了一種能與標(biāo)準(zhǔn)功率和低功率信號設(shè)備以及這4種總線供電和獨立供電類型設(shè)備的任意組合一起運行的現(xiàn)場總線。任何行規(guī)規(guī)定的適用于危險場所的設(shè)備也可與基金會現(xiàn)場總線的非本安分段，或位于安全場所的基金會總線相連接。唯一要求是總線本身必須能供電（甚至對于獨立供電的112和122類型設(shè)備也有同樣要求）。 （1）總線供電設(shè)備（行規(guī)111和121） 這些設(shè)備的唯一電源是現(xiàn)場總線本身。使用總線供電設(shè)備的一個典型本安現(xiàn)場總線系統(tǒng)如圖1所示。MAU將完成兩個功能，即調(diào)節(jié)由現(xiàn)場總線送到設(shè)備的電源，并將信號饋送到總線。 （2）獨立供電設(shè)備（行規(guī)112和122） 這些設(shè)備除來自現(xiàn)場總線本身的供電外，還具有一個或多個電源。例如，應(yīng)用電路需要高于本安現(xiàn)場總線可供電源的分析儀，或電池供電的手持單元。這些類型的設(shè)備及其電源應(yīng)采用其他防爆形式進行設(shè)計，但其總線通信單元仍需與本安現(xiàn)場總線相連。該系統(tǒng)的一個實例如圖2所示。在這種情況下，設(shè)備中的MAU只需向現(xiàn)場總線通信電路本身提供電源。這就是使用低功率信號122類型設(shè)備在減少抽取現(xiàn)場總線電流方面具有顯著優(yōu)點的一個例子。同樣，對于標(biāo)準(zhǔn)功率信號的112類型設(shè)備的使用，也具有同樣的優(yōu)點。 （3）現(xiàn)場總線終端器 所有基金會現(xiàn)場總線的分段需要設(shè)置兩個總線終端器。對于本安現(xiàn)場總線來說，每根現(xiàn)場總線至少需有一個終端器安裝在危險場所（如圖2所示）。終端器是一種用于傳輸線終點或靠近終點的網(wǎng)絡(luò)匹配器，具有和傳輸線相同的特性阻抗，以便使能引起數(shù)據(jù)錯誤的因“反射波”而造成的信號失真達到最小。不同類型行規(guī)的設(shè)備接到總線上時，可能會對系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生不利影響，因此，具有其他阻抗特性的總線終端器不能用于基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)。 三 安全場所用的關(guān)聯(lián)設(shè)備 基金會現(xiàn)場總線危險場所的唯一電源來自安裝在安全場所的安全電源。所有直接與危險場所布線或設(shè)備相連的安全場所設(shè)備是本安系統(tǒng)的一部分。這種關(guān)聯(lián)設(shè)備也可以包含在一個本安隔離器中，現(xiàn)場總線本安電源還可采用普通的現(xiàn)場總線電源和本安安全柵的組合配置而成。表2列出了基金會物理層行規(guī)規(guī)范中關(guān)于這類關(guān)聯(lián)設(shè)備推薦的本安參數(shù)。 （1）現(xiàn)場總線供電電源 現(xiàn)場總線基金會物理層行規(guī)規(guī)范中提到電源可設(shè)計成以下幾種形式：131型本安電源是為本安防爆柵供電而設(shè)計的，輸出電壓取決于防爆柵的功率；132型非本安電源不用于本安防爆柵供電，輸出電壓最大值為32V DC；133型本安電源符合推薦的本安參數(shù)。 現(xiàn)場總線所用電源的阻抗需與網(wǎng)絡(luò)相匹配。無論是內(nèi)置還是外置的電源，均為電阻/電感網(wǎng)絡(luò)，它與終端器容抗相互補償，使其在較寬的頻率范圍內(nèi)具有平坦的頻率響應(yīng)特性。 （2）本安安全柵 基金會物理層行規(guī)規(guī)范的本安安全柵適合于安裝在安全場所。典型的本安安全柵由并聯(lián)連接的齊納二極管、串聯(lián)連接的限流電阻和保護熔斷器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)組成。它具有在點燃危險環(huán)境之前把過壓、浪涌電流和過載電流安全轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)“地”的功能，如圖3所示。因此，當(dāng)使用安全柵來保護危險場所的現(xiàn)場總線時，首先要求在安全柵和地之間設(shè)置有合適規(guī)格而又高度完善的連線。絕大多數(shù)國家的安裝規(guī)范要求設(shè)置在安全柵接地端和系統(tǒng)安全地（通常連接到電源配電系統(tǒng)的中性點）之間的接地電纜的直流電阻小于1Ω。一些安全柵制造商為了方便用戶，可能還會把現(xiàn)場總線終端器設(shè)計在本安安全柵內(nèi)，因此用戶在選用時應(yīng)加以注意。 （3）本安電流隔離器 基金會物理層行規(guī)規(guī)范含有一個本安電流隔離器。與本安安全柵相比，這種隔離器是通過采用能防止浪涌電流或過載電流從安全區(qū)傳輸?shù)轿ｋU場所的高度可靠的隔離措施來保證安全的。隔離器中電能和信號的傳輸是通過使用經(jīng)特別設(shè)計，并具有可靠的最小分離間距和隔離特性的器件來完成的，同本安安全柵一樣在信號傳遞到危險場所之前，隔離器電路中也設(shè)置了限壓和限流電路，這一電路就確定了隔離器的本安輸出特性，如圖4所示。在使用時，由于隔離器不將浪涌電流轉(zhuǎn)移到地，因此也就不再需要像本安安全柵那樣連接安全地線。不過，本安電流隔離器仍需提供一個合適的系統(tǒng)接地端，用以連接電纜屏蔽層，它僅適合于在安全場所安裝。 （4）本安安全柵與本安隔離器的比較 與本安安全柵相比，隔離器的顯著優(yōu)點在于其危險場所電路（本安側(cè)電路）與地完全隔離，從而較好地保證了現(xiàn)場總線系統(tǒng)對地以平衡的方式運行。另外，隔離器中使用的有源電路在信號頻率下也可使隔離器在每根現(xiàn)場總線上呈現(xiàn)較小的阻抗。由于隔離器兩側(cè)的總線分段可認為是一段連續(xù)的總線，因此采用此技術(shù)的制造商不一定會將總線終端器設(shè)計在本安電流隔離器中，用戶使用時，應(yīng)確定產(chǎn)品中有無終端器。 （5）與現(xiàn)場總線相連的其他安全場所設(shè)備的技術(shù)要求 由于使用了經(jīng)認證的本安安全柵與電流隔離器，使與其安全區(qū)側(cè)相連的安全場所設(shè)備的使用幾乎不受任何條件的限制。唯一必須遵守的重要原則是，與安全場所現(xiàn)場總線相連的任何設(shè)備的電源或可能產(chǎn)生的電壓，不應(yīng)超過250V RMS（有效值）AC/DC。對于任何可能有高壓危險的情況，一般應(yīng)通過采取在含有高壓電路的設(shè)備和本安現(xiàn)場總線關(guān)聯(lián)設(shè)備之間設(shè)置一個浪涌保護裝置的辦法來解決。 四 基金會本安現(xiàn)場總線系統(tǒng)安全性 各國對已經(jīng)設(shè)計完成的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，在安裝前所需進行的第三方認證的要求是各不相同的。由北美國家提出的“整體概念”，是對本安系統(tǒng)中的供電電源及其接收設(shè)備分別給出安全參數(shù)，并允許用戶用該安全參數(shù)對系統(tǒng)的配置進行適用性和安全性分析，這將很適合對于具有眾多供應(yīng)商的符合基金會物理層規(guī)范的現(xiàn)場總線系統(tǒng)進行分析、認證。這一工作將由獲得授權(quán)的本安認證機構(gòu)根據(jù)基金會推薦參數(shù)進行系統(tǒng)認證。 五 系統(tǒng)用電纜 危險場所現(xiàn)場電纜的開路或短路，可能是儲能的釋放源。在系統(tǒng)設(shè)備安裝參數(shù)表中給出了本安現(xiàn)場總線電纜的最大允許電容和電感值。其最大允許長度應(yīng)通過計算確定，即在一定的環(huán)境（規(guī)定的氣體組別）下，計算出系統(tǒng)電纜最大允許電容量值除以所用電纜單位長度的測量或估計電容值。在安裝規(guī)范上，大多數(shù)國家都要求設(shè)備機架、機架內(nèi)的本安電路布線與其他電路布線分開，如使用不同的接線盒等。 綜上所述，現(xiàn)場總線系統(tǒng)的本質(zhì)安全特性與傳統(tǒng)的4～20mA的DCS有許多不同之處，因此對現(xiàn)場總線系統(tǒng)的設(shè)計、設(shè)備選型、安裝施工等都應(yīng)進行嚴(yán)格認證，確保系統(tǒng)的安全性、適應(yīng)性，以滿足各種現(xiàn)場環(huán)境對自動控制的要求。迄今為止，較為成熟的有基金會現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在煉油、化工行業(yè)已有成功的應(yīng)用，也有許多廠家正在進行該系統(tǒng)的施工，這標(biāo)志著基金會現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用在我國進入了一個全新的階段。 來源：《世界儀表與自動化》