_防爆安全技术_讲座第12讲现场总线本安防爆技术.pdf
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1、5自动化仪表6第 30卷第 2期 2009年 2月/防爆安全技术 0讲座第 12讲 现场总线本安防爆技术徐建平(上海仪器仪表自控系统检验测试所,上海 200233)1 概述总线技术的数字化通信方式不仅能够实现自控系统更全面、更迅捷的操作功能,而且可明显降低系统总成本。因此,将总线技术运用于自控系统已成为广大工程设计人员的设计方向。鉴于使用本安技术制造的电气设备不仅具有重量轻、体积小、成本低的特点,而且还可实现带电维护和 0区危险场所的应用。因此,本安防爆技术已被越来越多的防爆仪器仪表制造厂商和用户所选用,这对于需要使用在爆炸性气体危险场所的现场总线系统也不例外。就现场总线本身而言,希望其可挂接
2、的负载数越多越好,但就本安防爆而言,向挂接负载供电的关联设备的输出电压和电流必须控制在一个安全的水平上,因而又必将牵制总线系统可挂接负载数的增加。此外,由于关联设备允许外接的等效电容和电感是非常有限的,按照/参量认可 0技术,这些参数扣除了总线电缆的分布参数后,留给本安现场设备的已经不多。但是为了满足电磁兼容性(EMC)要求,现场本安设备的输入电容和电感也必然会增大,若要挂接多台则就更大,从而必然导致总线系统可挂接的负载数大大减少,牵制了总线自控系统/多负载 0特征的体现。2 本质安全现场总线系统的结构图 1所示是通信频率为 31125 kbps的本安现场总线系统的典型结构。图 1 本安现场总
3、线系统典型结构跟传统的/点到点 0式模拟回路本安系统一样,本安现场总线系统的电源必须由一个安全栅接口供给。而现场总线设备本身则可以是总线供电,必要时也可以是独立供电。通常情况下,一些具有较低功率的现场设备可由总线本身的电源供给,然而对于像分析仪和电磁流量计等设备,需要远高于本安现场总线可供功率的电源。因此,它们必须采用独立供电电源。为了简化系统认证,确保独立供电设备仍能连接到本安现场总线,最重要的是应保证供电电源与本安现场总线电路的完全隔离,实现本安总线系统的/单一 0供电。因此,从广义上讲,影响现场总线系统本安防爆性能的仍将是关联设备、本安现场设备和系统传输电缆三个部分。所不同的是本安现场总
4、线系统具有/多负载 0特征,而且要求满足/可互换性 0和/可互操作性 0的要求,即允许不同制造厂商生产的总线设备自由地挂接在同一总线上,并实现相互通信。不过,也正是这些由总线技术引出的特征与要求,将给现场总线系统的本安设计与认证带来许多新的变化。3 现场总线系统本安设计总体要求总线技术的出现,要求防爆认证机构对本安系统的认证实现从/系统认证 0到/参量认证 0的转变。相应地,本安总线设备制造厂商在研究开发过程中,也必须迎合总线技术的特征要求,并做到按/参量认证 0技术要求,完成兼容的安全设计,使不同制造厂商生产的本安设备都可安全地挂接到同一总线上,从确保现场总线系统/可互换性 0和/可互操作性
5、 0特征的角度出发,对关联设备、本安现场设备和系统用电缆的参数进行优化设计,以使本安现场总线系统可挂接的负载数达到最大。3.1 关联设备现场总线技术的前期验证工作表明:本安现场总线系统用关联设备可以采用齐纳安全栅,也可采用隔离式安全栅。但是,由于现场总线系统必须满足在地73/防爆安全技术 0讲座(第 12讲 现场总线本安防爆技术)徐建平PROCESS AUTOM ATION INSTRUMENTATION Vol 130 No12 February 2009电位平衡的方式下运行。因此,对于齐纳安全栅接口,必须采用双通路齐纳安全栅,并且要求安全栅的两个通路具有相同的电压降。与齐纳安全栅相比,采用
6、隔离式安全栅的总线系统不仅不需要可靠的安全接地,而且由于其危险场所电路与地完全隔离,较好地保证了现场总线系统在地电位平衡方式下运行。为了满足现场总线/多负载 0特征要求,本安现场总线关联设备参数设计的重点是要确保系统可获取的电流达到最大。根据本安防爆理论,关联设备的输出参数将受到一些边界条件的限制。图 2所示是关联设备可能工作的范围。图 2 关联设备可能工作的范围从本安现场总线系统的角度分析,我们又可得出图 3所示的关于本安现场设备可获取电流随关联设备最高输出电压 Uo变化曲线。从曲线图可以看出,本安现场总线系统用关联设备最高输出电压高于 24 V是没有益处的。通常情况下,对于不同现场总线系统
7、,关联设备的最高输出电压可介于 14 28V之间,若控制在 14 24 V之间则最佳。相应的关联设备最大输出电流可基于确定的最高输出电压借助于最小点燃曲线确定。例如,对于 II C爆炸性环境,齐纳安全栅的安全参数可设计为?11 V、51 8、210mA;隔离式安全栅的安全参数可设计成 22 V、100 8、210mA。图 4给出了这 2种典型安全栅接口的原理图。图 3 设备可获得电流随关联设备最高开路电压的变化曲线图 4 两种典型安全栅接口原理图为了确保现场总线的正常运行,电源电压必须与安全栅接口的工作电压相匹配。特别是对于齐纳安全栅,过高的电压不仅会影响总线通信,甚至将导致安全栅的永久性损坏
8、。一般地说,电源电压比认证的齐纳安全栅的最高开路电压 Uo低 3V是合适的。另外,由于齐纳安全栅阻抗的引入,使之构成了现场总线干线的一端。因此,为了用户使用方便,齐纳安全栅制造商可将现场总线终端器设计在安全栅内。对于隔离式安全栅,如果在信号频率下其两侧的总线分段可认为是一根连续总线的话,隔离式安全栅制造商也就不必将现场总线终端器设计在安全栅内。否则,也应考虑将终端器内置在隔离式安全栅内。3.2 本安现场设备对于/点到点 0式本安系统,关联设备输出的功率一般总能很好地满足单台本安现场设备的供电要求。对于现场总线系统,所有挂接的本安现场设备将共享关联设备可能输出的电流。但是,如前所述,由于从本安现
9、场总线上可获取的电流将是非常有限的。因此,本安现场设备设计的首要任务是要降低每台设备工作所需的功率(即工作电流和电压)。目前条件下,可控制在小于 20mA和 9 32 V内,但较理想的值应是 10 mA和 9 V或更小。这些数值与关联设备的输出特性参数和总线特性阻抗参数一起决定了本安总线系统可挂接的负载数。假若本安现场设备的正常工作电流和电压过高,势必会大大地减少系统的可挂接负载数。然而,为了使本安设备更好地满足与现场总线关联设备的兼容要求,本安现场设备的最大输入功率 Pi应尽可能设计得大一些。其理想值为 110 113W 之间,其中最理想的情况是 112W,因为这些数值将同时有利于简化设备温
10、度组别的认定。关于本安现场设备的最大内部电容和电感,在满足电磁兼容性(EMC)要求的前提下,应尽可能设计得小一些。这些参数的降低不仅将有利于本安现场总线系统允许电缆长度的增加,确保总线系统本安防爆的实现,而且由于本安现场设备的最大输入电流 Ii和电压 Ui,是与其最大内部电感 Li和电容 Ci有关的,足够74/防爆安全技术 0讲座(第 12讲 现场总线本安防爆技术)徐建平5自动化仪表6第 30卷第 2期 2009年 2月小的 Ci和 Li值也能确保设备具有较高的 Ii和 Vi值,从而可更好地实现与关联设备参数的兼容。因此,这里最理想的是 Ci和 Li值均为零的情况。对于独立供电设备,在其电路结
11、构上还必须采取特殊的技术措施(如光电隔离等),以保证其外部电源及其相关电路与通信电路之间的完全隔离,确保在正常工作和故障条件下这些外部供电电源的能量不会传输到本安现场总线。跟总线供电本安设备一样,设备的媒体附加单元(MAU)应既能把通信信号馈送到总线,又能调节从本安现场总线送到设备的电源。但是,由于独立供电设备只要求总线向其通信电路提供电源,它从本安总线抽取的电流相对就比较小(有的甚至根本不从总线抽取电流)。因此,使用这种类型的设备对于提高本安现场总线系统的可挂接负载数显然是有利的。不过,独立供电设备不可能全部满足本安要求,它们的外部电源等电路尚需采取其它的防爆措施(如隔爆、浇封技术等)。只有
12、这样才能确保整个独立供电设备在爆炸性危险场所的安全使用。3.3 终端器在本安现场总线系统中,处于危险场所的终端器也相当于 1台本安现场设备。根据现场总线物理层的定义,终端器实际上是 1个阻-容组件。例如,对于 FF总线,它是由 1个 100 120 8 的电阻和 1个 1 3 LF的电容串联组成的。在设计终端器时,尽管我们可以将电阻器设计成可靠元件,但是由于该阻-容电路无法采用标准的最小点燃曲线进行安全评定。因此,任何设计成用于危险场所的终端器都必须经国家指定的防爆检验机构认证。此外,设计人员还应注意到因电容器短路故障使电阻直接并接在总线上的情况。这一方面会导致通信故障。同时也可能存在一个安全
13、问题,即在最不利的情况下,关联设备的全部输出功率将施加到电阻上。此时,电阻的表面温度可能就难以满足相应的温度组别要求。通常情况下,仪表的温度组别可设计成 T4。此时,我们不必进行任何试验,只需基于总线系统配用关联设备的最大输出功率 Po和终端器电路元件的表面积,根据前述的 T4温度组别判别规则认定即可。但是,若把终端器设计成更高的温度组别(例如,T5或 T6),这可能就需要选用合适功率的电阻,或对终端器采取浇封的技术措施。3.4 推荐安全参数为了便于完成兼容的设计和认证,基金会现场总线(FF)物理层描述性规范定量地给出了现场总线用关联设备、本安现场设备和终端器的推荐安全参数。这些推荐安全参数分
14、别列于表 1、表 2和表 3。基金会推荐安全参数与上述现场总线系统本安设计总体要求是完全吻合的。假如本安现场总线设备的设计能很好地遵循这些推荐安全参数,必将有利于本安现场总线特征的体现和系统配置的优化。表 1 关联设备推荐安全参数参 数 推荐值设备防爆标志Ex ia IIC最高输出电压 Uo24V max最大输出电流 Io250mA max最大输出功率 Po1.2W max表 2 本安现场设备推荐安全参数参 数 推荐值设备防爆标志Ex ia IIC T4最高输入电压 Ui24V m in最大输入电流 Ii250mA m in最大输入功率 Pi1.2W m in最大内部电容 Ci 5 nF最大内
15、部电感 Li 20 LH表 3 终端器推荐安全参数参 数 推荐值设备防爆标志Ex ia IIC T4最高输入电压 Ui24V m in最大输入电流 Ii250mA min最大输入功率 Pi1.2W min3.5 本安现场总线媒体电缆本安现场总线系统用媒体电缆是影响系统本安防爆性能的重要因素之一。I EC 61158-2物理层规范规定了 4种适用于 31125 kbps现场总线系统的媒体电缆。它们分别是 A型屏蔽双绞线、B型屏蔽多对双绞线、C型无屏蔽双绞线和 D型多芯屏蔽电缆。分析表明这些电缆几乎覆盖了所有适用于模拟仪表系统的电缆。在按/参量认证 0技术分析系统电缆安全性能时,通常将电缆视作为一
16、个集中的电容和电感。对于 II C爆炸性环境,电缆长度超过 500 m时,其集中电容和电感参数就可能对系统的本安性能产生不利影响。另一方面,由于在电缆电阻上的直流损耗将随总线长度的增加而增加,挂接在本安现场总线上的本安设备可获取的电流也将随总线长度的变化而变化。图 5所示的是在一定假设条件下总线设备可获取电流随电缆长度变化的典型曲线。因此,为了优化本安现场总线系统的配置,75/防爆安全技术 0讲座(第 12讲 现场总线本安防爆技术)徐建平PROCESS AUTOM ATION INSTRUMENTATION Vol 130 No12 February 2009还必须考虑电缆的因素,并要求尽量选
17、用单位长度分布电容、分布电感和直流电阻参数均较小的电缆。图 5 设备可获得电流随总线长度的变化曲线4 基于/参量认可0的总线系统安全性分析4.1 分析规则如前所述,目前/系统认可 0是我国现行的本安系统认证技术。这种组合一经认定,其本安设备或关联设备就不能用未经检验机构按这种组合认证过的其他型号规格的设备替代。显然,为了从真正意义上确保现场总线系统/可互换性 0和/可互操作性 0特征的实现,要求每一个具有不同配置的总线系统,按/系统认可 0的要求单独地进行系统认证将是一件完全不能接受的事情。因此,/系统认可 0已不能很好地适应本安现场总线系统的认证。而/参量认可 0技术可给本安系统的配置赋予极
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