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1、“防爆安全技术”讲座(第1 2 讲现场总线本安防爆技术)徐建平“防爆安全技术 讲座第1 2 讲现场总线本安防爆技术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，希望其可挂接的负载数越多越好，但就本安防爆而言，向挂接负载供电
2、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”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(E M C)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”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3 1 2 5k b p s 的本安现场总线系统的典型结构。徐建军(上海仪器仪表自控系统检验测试所，上海2 0 0 2
3、3 3)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，必要时也可以足独立供电。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”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线系统具有“多负载”特征，而且要求满足“可互换性”和“
4、可互操作性”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”到“参量认证”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”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”和“可互操作性”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
5、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7 3万方数据“防爆安全技术”讲座(第1 2 讲现场总线本安防爆技术)徐建平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”特征要求，本安现场总线关联设
6、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。，孝-；图2 关联设备可能上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u。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2 4V 是没有益处的。通常情况下，对于不同现场总线系统，关联设备的最高输出电压可介于1 4 2 8V 之间，若控制在1 4 2 4V 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I I
7、C 爆炸性环境，齐纳安全栅的安全参数可设计为1 1V、5 1Q、2 1 0m A；隔离式安全栅的安全参数可设计成2 2V、1 0 0Q、2 1 0m A。图4 给出了这2 种典型安全栅接口的原理图。7 4l I痞曾曩相魁怒四本安回路开路电压g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摹产i 垂(I)齐纳安全栅接口(含终端器J(b)隔离式安全据接口I 古电源)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。一般地说，电源电压比认证的齐纳安全栅的最高开路电压
8、玑低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”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
9、的首要任务足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2 0 肌和9 3 2V 内，但较理想的值应是1 0m A和9V 或更小。这些数值与关联没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P i 应尽可能设计得大一些。其理想值为1 0 1 3w 之间，其中最理想的情况是1 2w，因为这些数值将同时有利于简化设备温度组别的认定。关于本安现场设备的最大内部电容和电感，在满足电磁
10、兼容性(E M C)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，i 和电压U，是与其最大内部电感厶和电容C；有关的，足够P R O C E S SA U T o M A T l O NI N S T R U M E N T A T l O NV o L3 0N o 2F e b r u a r y2 0 0 9万方数据“防爆安全技术”讲座(第1 2 讲现场总线本安防爆技术)徐建平小的c i 和己；值也能确保设备具有较高的，i 和K 值，从而可更好地实现与关联设备参数的兼容。因此
11、，这里最理想的是C 和值均为零的情况。对于独立供电设备，在其电路结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(M A U)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，
12、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l 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 个阻一容组件。例如，对于F F 总线，它是由1 个1 0 0 1 2 0Q 的电阻和1 个1 3“F 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，但是由于该阻一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
13、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T 4。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P。和终端器电路元件的表面积，根据前述的T 4 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，耶或眄)，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(F F)物理层描述性规范定量地给出了现场
14、总线用自动化仪表第3 0 卷第2 期2 0 0 9 年2 月关联设备、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别列于表】、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足完全吻合的。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l 关联设备推荐安全参数参数推荐值设备防爆标志最高输出电压U最大输出电流，o最大输出功率P。E x i a I I C2 4V m a x2 5 0 m A M1 2 W m a x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最高输入电压u最大输人电流，i最大输入功率
15、P最大内部电容c最大内部电感L；E xi a l lCT 42 4 V r a i n2 5 0 m A r a i n1 2 W r a i n 5n F 2 0 l a,H表3 终端器推荐安全参数参数推荐值设备防爆标志最高输入电压U最大输入电流最大输入功率PE x i a I ICT 42 4V m i n2 5 0 m Am i n1 2 W m i n3 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 E C6 1 1 5 8 2 物理层规范规定了4 种适用于3 1 2 5k b p s 现场总线系统的媒体电缆。它们分别是A 型屏蔽双绞线、B
16、 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”技术分析系统电缆安全性能时，通常将电缆视作为一个集中的电容和电感。对于I IC 爆炸性环境，电缆长度超过5 0 0m 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，7 5万方数据“防爆安全技术”讲座(第1 2 讲
17、现场总线本安防爆技术)徐建平还必须考虑电缆的因素，并要求尽量选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”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”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”和“可互操作性”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”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”已不能很好地适应本安现场总线系统的
18、认证。而“参量认可”技术可给本安系统的配置赋予极大的灵活性，若对这种认证技术加以延伸，必将很好地适用于现场总线本安系统的安全配置，并确保总线系统“可互换性”和“可互操作性”特征的体现。如前所述，“参量认证”的最大特点是对于经参量认证过的本安设备和关联设备，用户可以合法地组合和评定本安系统。这一过程实质上就是通过对现场总线系统中提供能量设备的安全参数和接受能量设备的安全参数进行比较来分析系统安全性的过程。具体地说，应遵守下列安全分析步骤。现场总线上挂接的每一台设备必须满足下列条件：U i 以；，i，o；P，P。整个总线本安系统的防爆标志应取系统中所有设备的最低等级。本安系统总线电缆的最大允许电容
19、c。应为关联设备允许的最大外部电容C。与总线挂接的所有本安设备最大内部电容C；累加值之差；本安系统总线电缆的最大允许电感L 应为关联设备允许的最大外部电感。与总线挂接的所有本安设备最大内部电感累加值之差。即：C。C。一(C i l+C 芘+C i。)L。一(L j I+L 口+L 洒)如果已知实际使用电缆的单位长度电容和电感值，我们即可根据求出的C。、。值分别推算出允许的最大电缆长度，然后取两者的较小值。若不知道实际使用电缆的参数，我们也可采用下列推荐值进行计算：电缆电容为2 0 0p F m；电缆电感为0 6 6t t H m。需要注意的是，上述分析过程只能保证总线系统的本安防爆性能，并不能
20、同时保证这样组合的系统满足其正常工作性能要求。因此，设计人员或用户还必须进一步分析和验证这样组合的系统的正常操作性能，以确保系统能按规定的性能要求工作。4 2 本安现场总线系统安全性分析实例各国对已经设计完成的现场总线系统，在安装前所要进行的第三方认证的要求各不相同。在英国，没有任何法定规定要求取得这样的认证，然而在其他一些欧洲国家，对于某些应用情况则又是必须的。例如，在法国和德国，当涉及0 区(Z o n e0)应用时，就明确规定必须进行系统认证。在日本，到目前为止，系统认证还是一个强制性要求。“整体概念”首先由北美国家提出。这是一个系统的概念，它将对本安系统中的供电电源及其接收设备分别给出
21、安全参数，并允许有能力的用户通过比较给出的设备安全参数对系统的配置进行合理性和安全性分析。若对这种方法加以延伸，它将很好地适用于对具有多供应商特点的符合基金会物理层描述性规范的现场总线系统进行分析。这种分析可以是一个由系统设计人员完成的安全评估，也可以作为提供给第三方认证机构进行进一步认证的简单分析结果。如前所述，尽管系统认证在很多国家不是一个法定要求，但是绝大多数的主要用户还是将它视为确保安装系统安全运行的附加保证。对于需要系统认证的国家，他们的认证机构将要求本安系统中每一个相关设备完全确定下来。“整体概念”方法直接对给本安现场总线提供能量的设备安全参数和接受能量的设备安全参数进行比较。对于
22、通过认证、并确认符合基金会物理层描述性规范推荐本安参数的兼容设备，其系统安全性能很容易地得到保证。因此，在安装之前，无论是否需要进行第三方认证，这一工作都必须进行。推荐的办法是按表4 示出的格式列出每台设备(包括安装在安全场所的关联设备和安装在危险场所的本安设备)的详细情况，具体应包括以下内容。对于所有的设备：制造商的详细情况、产品型号规格、认证机构、认证标准、认证证书或认证文件编7 6P R O C E S SA U T O M A T I O NI N S T R U M E N T A T I O NV o L3 0N o 2F e b r u a r y2 0 0 9万方数据“防爆安全
23、技术”讲座(第1 2 讲现场总线本安防爆技术)徐建平号、认证类别(E xi ao rE xi b)、允许气体组别(I lA，B，I IC)。对于危险场所用本质安全设备：认证的最高输入电压，(U。)；认证的最大输入电流，(，)；认证的最大输入功率，P(P 一)；温度组别，r；设备最大内部电容，C _；设备最大内部电感，厶。对于安全场所用关联设备：认证的最高输出电压，玑(以，见注)；认证的最大输出电流，I o；认证的最大输出功率，P。(P。)；允许的最大外部电容，C。(c。)；允许的最大外部电感，。(己。)；允许的最大电感电阻比，L。R。(L R)。根据北美术语规定，由多个本安源的组合得出的整体参
24、数用K 和，l 表示，而不是和，。设计系统中每一设备的上述相关内容都是必需的。如果对设备的参数有任何疑问的话，应与制造商或其授权的区域代表取得书面联系。对于设备认证所规定的特殊使用条件，也应引起特别的重视。在收集了所有必需的资料后，就可按表4 规定的格式完成表5 所示的文件。事实上，这一工作已经完成了对按I E C 类别要求认证的设备的系统安全评估，而且它也可容易地转换成对按北美类别要求认证的设备的系统安全评估。但是，在通常情况下，这种评估方法不能使用于同时含有按不同(不完全兼容)标准要求认证的设备的本安系统。表5 所列数据仅为举例需要而假设的，并非表示这些设备的实际存在或所列数据的合理性。一
25、个安全的系统，现场总线网络上的每一台设备必须满足下列条件：U 玑(U 一虬)，；，。(，一L)P P。(P 一P。)很明显，表5 所示系统能满足这些条件。表4 推荐的系统安全分析表表5 系统安全分析实例整个系统认证证书认证气体温度U oI oP。电缆最大电容电缆最大电感电缆最大电感电阻比机构编号类别组别组别(U。)(k)(P。)C。L。LR。I aI I cT 4 盟。V2 1 4 m A 9 w1 1 1 5 0 2 n 州F(I T I B IC)：9 9 3 0。m H(I I I C B；3 1 斗p H H l Q (I I(1 1C B；自动化仪表第3 0 卷第2 期2 0 凹年2
26、 月7 7万方数据“防爆安全技术”讲座(第1 2 讲现场总线本安防爆技术)徐建平整个系统的认证类别和气体组别应取系统中所有设备的最低等级。在表5 中，由于列出的所有设备的本安认证参数都符合基金会推荐参数，因此，系统总的认证标志为E xi aI IC。但是，如果系统中任一设备被认证为i b 类别，或认证为只能用于较低的I IB 或I IA气体组别，则系统总的认证标志应限制到这些最低等级。同样，由各设备的温度组别可知，在环境温度为6 0c|C 时，系统总的温度组别为T 4。为了便于获得授权的本安认证机构的系统认证，应提供如表5 所示的完整表格、图6 所示系统框图(北美称之为控制图)以及每台设备的相
27、关文件。危险场所图6系统控制图实例关于整个系统的电容和电感参数问题，我们也可从表5 所示的系统设备安全参数表中，容易地获得本安现场总线电缆的最大允许电容和电感值。在危险场所现场总线开路或短路时，它们是可能的储能释放源，因此，这些参数非常重要。通常，每一个安全场所用本安关联设备的认证都将给出允许连接到其本安端的最大电容和电感值，它们将随气体组别的不同而不同，且I IC 气体组别(北美的A 和B 组)的允许值最低。电缆最大允许电容为安全场所用关联设备允许的电容与所有本安设备内部最大电容累加值之差，该值也就是电缆可达到的电容数值。同样，电缆最大允许电感为安全场所用关联设备允许的电感与所有本安设备内部
28、最大电感累加值之差。对于表5 所示的系统实例，I IC 组别允许的电缆电容和电感的计算如下：C c a b l em a x=1 6 5n F 一(2+5+5+3)n F=1 5 0n FL e a b l en l f l X=3 5 0 斗H 一(1 0+1 0+2 0+1 0)斗H=3 0 0 斗H对于某些规格的电缆，上述允许的电容可能会限制危险场所总线的长度。大多数由最大允许电感参数引起的对电缆长度的限制，可通过使用允许的电感电阻比(L R)加以克服。认证机构在认证安全场所用关联设备时，通常会给出其本安端允许连接的电缆最大电感电阻比(尺。)，这一参数可用来评判电缆的电感特性是否符合要求
29、。例如，表5 所示的I I C 系统可使用L。R。比值为3 10,H Q 的电缆，它就覆盖了绝大多数常用于本安系统的电缆结构。因此，它可克服由较低的允许电感带来的问题。电缆参数确实仅仅是I Ic(北美的A 和B 组)应用所需要关心的问题。如表5 所示，对于I IB(北美的C组)气体环境的应用，允许的最大电容和电感值将大大地增加。这些参数将足以能满足实际应用需要，且不会对本安系统的应用产生任何限制。相应于I IA(北美的D 组)应用所允许的数值就更高了。I E C 本安委员会正设法开展工作，以进一步简化本安系统电缆参数的评定。但是，要改变目前的评定方法，可能还需若干年的努力。当需要确定一根已经铺
30、设的电缆的电容和电感时，首选的方法应是与电缆制造商取得联系，以获取铺设电缆的具体参数值。要是可行的话，这种方法将是最简易的解决办法。但是，通常应用这种方法往往很难获得这些参数。此时，我们可以使用L C R 电桥来测定铺设电缆的参数，且电容应取芯线与芯线间和芯线与屏蔽问测定电容的最大值，或者由于绝大多数常用于连接仪表系统的电缆的尺。比和电容分别小于2 5I-L H f I和2 0 0p F m。因此，我们也可使用这些典型值。危险场所现场总线的最大允许长度应通过计算确定，即用电缆单位长度的测量或估计电容值除以规定气体组别下计算出的系统最大允许电容值。例如，假设电缆单位长度的电容值为1 4 0p F
31、 m，则对于I IC 危险场所，表5 所列系统允许的现场总线最大长度为1 5 0n F 1 4 0p F m=10 7 1m(35 1 5f t)；若使用同样的电缆，对于I IB 危险场所允许的现场总线最大长度将增加到8 0 3 5m(2 63 6 3f t)。大多数国家的安装规范都要求设备机箱、机柜内的本安电路布线和其他电路布线分开布置。习惯的做法是将两种不同性质的电缆分别铺设在不同的导线管中走线，并清楚地加以标志，而且同一根多芯现场电缆通常要求全部用作本安电路布线或非本安电路布线，即同电缆中不允许同时含有两种不同型式的电路。但是，各国对这些要求也不完全相同，它们主要表现在：是否同一根电缆或
32、导线管中可以同时存在两种不同型式的电路。因此，在设备安装之前，用户应认真了解当地的实践规范要求。此外，本安电路和非本安电路的现场布线也通常要求使用不同的接线盒。编者的话由徐建平教授撰写的“防爆安全技术”讲座十二讲已全部刊登。该讲座以通俗、实用为宗旨，以爆炸性混合物的基本特性、防爆基本原理为基础，介绍了自动化仪表及系统在爆炸危险场所以及与安全相关的防爆技术共性问题，讲述了自动化仪表产品最为常用的隔爆型和本质安全型防爆技术要求和设计原则。希望该讲座对大家的实际工作有所帮助。同时，我们热诚欢迎大家来电来函，对此讲座提出宝贵的意见和看法。7 8P R O C E S SA U T O M A T I O NI N S T R U M E N T A T I O NV o L3 0N o 2F e b r u a r y2 0 0 9万方数据