“防爆平安手艺”讲座 第12讲 现场总线本安防爆手艺 时候：2015-10-27来历：中国防爆网作者：阅读次数：486

（上海仪器仪表自控系统查验测试所，上海1概述总线手艺的数字化通讯体例不但可以或许实现自控系统更周全、更迅捷的操作功能，并且可较着下降系统总本钱。是以，将总线手艺应用在自控系统已成为泛博工程设计人员的设计标的目的。鉴在利用本安手艺制造的电气装备不但具有重量轻、体积小、本钱低的特点，并且还可实现带电保护和0区危险场合的利用。是以，本安防爆手艺已被愈来愈多的防爆仪器仪表制造厂商和用户所选用，这对需要利用在爆炸性气体危险场合的现场总线系统也不破例。

就现场总线自己而言，但愿其可挂接的负载数越多越好，但就本安防爆而言，向挂接负载供电的联系关系装备的输出电压和电流必需节制在一个平安的程度上，因此又势必牵制总线系统可挂接负载数的增添。另外，因为联系关系装备答应外接的等效电容和电感长短常有限的，依照“参量承认”手艺，这些参数扣除总线电缆的散布参数后，留给本安现场装备的已不多。

可是为了知足电磁兼容性（EMC）要求，现场本安装备的输入电容和电感也必定会增年夜，若要挂接多台则就更年夜，从而必定致使总线系统可挂接的负载数年夜年夜削减，牵制了总线自控系统“多负载”特点的表现。

2素质平安现场总线系统的布局25kbP的本安现场总线系统的典型布局。

跟传统的“点到点”式摹拟回路本安系同一样，本安现场总线系统的电源必需由一个平安栅接供词给。

而现场总线装备自己则可所以总线供电，需要时也能够是自力供电。凡是环境下，一些具有较低功率的现场装备可由总线自己的电源供给，但是对像阐发仪和电磁流量计等装备，需要远高在本安现场总线可供功率的电源。是以，它们必需采取自力供电电源。

为了简化系统认证，确保自力供电装备仍能毗连到本安现场总线，*主要的是应包管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。是以，从广义上讲，影响现场总线系统本安防爆机能的仍将是联系关系装备、本安现场装备和系统传输电缆三个部门。

所分歧的是本安现场总线系统具有“多负载”特点，并且要求知足“可交换性”和“可互操作性”的要求，即答应分歧制造厂商出产的总线装备自由地挂接在统一总线上，并实现彼此通讯。不外，也恰是这些由总线手艺引出的特点与要求，将给现场总线系统的本安设计与认证带来很多新的转变。

3现场总线系统本安设计整体要求总线手艺的呈现，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”的改变。响应地，本安总线装备制造厂商在研究开辟进程中，也必需逢迎总线手艺的特点要求，并做到按“参量认证”手艺要求完成兼容的平安设计使分歧制造厂商出产的本安装备都可平安地挂接到统一总线上，从确保现场总线系统“可交换性”和“可互操作性”特点的角度动身，对联系关系装备、本安现场装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到达*年夜。

31联系关系装备现场总线手艺的前期验证工作注解：本安现场总线系统用联系关系装备可以采取齐纳平安栅，也可采取隔离式平安栅。可是，因为现场总线系统必需知足在地电位均衡的体例下运行。是以，对芥纳平安栅接口，必需采取双通路齐纳平安栅，而且要求平安栅的两个通路具有不异的电压降。与齐纳平安栅比拟，采取隔离式平开云体育app安栅的总线系统不但不需要靠得住的平安接地，并且因为其危险场合电路与地完全隔离，较好地包管了现场总线系统在地电位均衡体例下运行。

为了知足现场总线“多负载”特点要求，本安现场总线联系关系装备参数设计的重点是要确保系统可获得的电流到达*年夜。

按照本安防爆理论，联系关系装备的输出参数将遭到一些鸿沟前提的限制。所示是联系关系装备可能工作的规模。

从本安现场总线系统的角度阐发，我们又可得出所示的关在本安现场装备可获得电流随联系关系装备*高输出电压U转变曲线。从曲线图可以看出，本安现场总线系统用联系关系装备*高输出电压高在24V是没有好处的。凡是环境下，对分歧现场总线系统，联系关系装备的*高输出电压可介在14~28V之间，若节制在14~24V之间则*佳。响应的联系关系装备*年夜输出电流可基在肯定的*高输出电压借助在*小点燃曲线肯定。例如，对I爆炸性情况，齐纳平安栅的平安参数可设计为±11V5in、210mA隔离式平安栅的平安参数可设计成22V1⑴、210mA给出了这2种典型平安栅接口的道理图。

为了确保现场总线的正常运行，电源电压必需与平安栅接口的工作电压相匹配。特殊是对齐纳平安栅，太高的电压不但会影响总线通讯，乃至将致使平安栅的永远性破坏。一般地说，电源电压比认证的齐纳平安栅的*高开路电压U低3V是适合的。

别的，因为齐纳平安栅阻抗的引入，使之组成了现场总线干线的一端。是以，为了用户利用便利，齐纳平安栅制造商可将现场总线终端器设计在平安栅内。对隔离式平安栅，假如在旌旗灯号频率下其两侧的总线分段可认为是一根持续总线的话，隔离式平安栅制造商也就没必要将现场总线终端器设计在平安栅内。不然，也应斟酌将终端器内置在隔离式平安栅内。

32本安现场装备对“点到点”式本安系统，联系关系装备输出的功率一般总能很好地知足单台本安现场装备的供电要求。

对现场总线系统，所有挂接的本安现场装备将同享联系关系装备可能输出的电流。可是，如前所述，因为从本安现场总线上可获得的电流将长短常有限的。是以，本安现场装备设计的重要使命是要下降每台装备工作所需的功率即工作电流和电压）。今朝前提下，可节制在小在20mA和9~32V内，但较抱负的值应是1mA和9V或更小。这些数值与联系关系装备的输出特征参数和总线特征阻抗参数一路决议了本安总线系统可挂接的负载数。假若本安现场装备的正常工作电流和电压太高，必将会年夜年夜地削减系统的可挂接负载数。但是，为了使本安装备更好地知足与现场总线联系关系装备的兼容要求，本安现场装备的*年夜输入功率P应尽量设计得年夜一些。其抱负值为1.0~1.3W之间，此中*抱负的环境是1.2W由于这些数值将同时有益在简化装备温度组此外认定。

关在本安现场装备的*年夜内部电容和电感，在知足电磁兼容性（EMC）要求的条件下，应尽量设计得小一些。这些参数的下降不但将有益在本安现场总线系统答应电缆长度的增添，确保总线系统本安防爆的实现，并且因为本安现场装备的*年夜输入电流i和电压U是与其*年夜内部电感L和电容C有关的，足够小的C和L值也能确保装备具有较高的i和V值，从而可更好地实现与联系关系装备参数的兼容。是以，这里*抱负的是C和L值均为零的环境。

对自力供电装备，在其电路布局上还必需采纳非凡的手艺办法（如光电隔离等）以包管其外部电源和其相干电路与通讯电路之间的完全隔离，确保在正常工作和故障前提下这些外部供电电源的能量不会传输到本安现场总线。跟总线供电本安装备一样，装备的媒体附加单位（mau）应既能把通讯旌旗灯号馈送到总线，又能调理从本安现场总线送到装备的电源。可是，因为自力供电装备只要求总线向其通讯电路供给电源，它从本安总线抽取的电流相对就比力小（有的乃至底子不从总线抽取电流）。是以，利用这类类型的装备对提高本安现场总线系统的可挂接负载数明显是有益的。不外，自力供电装备不成能全数知足本安要求，它们的外部电源等电路尚需采纳其它的防爆办法（如隔爆、浇封手艺等）。只有如许才能确保全部自力供电装备在爆炸性危险场合的平安利用。

33终端器在本安现场总线系统中，处在危险场合的终端器也相当在1台本安现场装备。按照现场总线物理层的界说，终端器现实上是1个阻2容组件。例如，对FF总线，它是由1个100~120的电阻和1个1~3PF的电容串连构成的。

在设计终端器时，虽然我们可以将电阻器设计成靠得住元件，可是因为该阻容电路没法采取尺度的*小点燃曲线进行平安评定。是以，任何设计成用在危险场合的终端器都必需经国度指定的防爆查验机构认证。

另外，设计人员还应留意到因电容器短路故障使电阻直接并接在总线上的环境。这一方面会致使通讯故障。同时也可能存在一个平安问题，即在*晦气的环境下，联系关系装备的全数输出功率将施加到电阻上。

此时，电阻的概况温度可能就难以知足响应的温度组别要求。

凡是环境下，表的温度组别可设计成叉此时，我们没必要进行任何实验，只需基在总线系统配用联系关系装备的*年夜输出功率P和终端器电路元件的概况积，按照前述的T温度组别辨别法则认定便可。可是，若把终端器设计成更高的温度组别（例如，T5或T）这可能就需要选用适合功率的电阻，或对终端器采纳浇封的手艺办法。

34保举平安参数为了便在完成兼容的设计和认证，基金会现场总线（FF）物理层描写性规范定量地给出了现场总线用联系关系装备、本安现场装备和终端器的保举平安参数。

这些保举平安参数别离列在表1、表2和表3基金会保举平安参数与上述现场总线系统本安设计整体要求是完全吻合的。假设本安现场总线装备的设计能很好地遵守这些保举平安参数，势必有益在本安现场总线特点的表现和系统设置装备摆设的优化。

表1联系关系装备保举平安参数参数保举值装备防爆标记*高输出电压U*年夜输出电流I*年夜输出功率po表2本安现场装备保举平安参数参数保举值装备防爆标记*高输入电压A*年夜输入电流I*年夜输入功率Pi*年夜内部电容C*年夜内部电感L表3终端器保举平安参数参数保举值装备防爆标记*高输入电压U*年夜输入电流I*年夜输入功率P 35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机能的主要身分之一。EC61158―2物理层规范划定了4种合用在31.25kbP现场总线系统的媒体电缆。

它们别离是A型屏障双绞线、B型屏障多对双绞线、C型无屏障双绞线和D型多芯屏障电缆。阐发注解这些电缆几近笼盖了所有合用在摹拟表系统的电缆。

在按“参量认证”手艺阐发系统电缆平安机能时，凡是将电缆视作为一个集中的电容和电感。对ni炸性情况，电缆长度跨越500m时，其集中电容和电感参数便可能对系统的本安机能发生晦气影响。另外一方面，因为在电缆电阻上的直流消耗将随总线长度的增添而增添，挂接在本安现场总线上的本安装备可获得的电流也将随总线长度的转变而转变。所示的是在必然假定前提下总线装备可获得电流随电缆长度转变的典型曲线。是以，为了优化本安现场总线系统的设置装备摆设，还必需斟酌电缆的身分，并要求尽可能选用单元长度散布电容、散布电感和直流电阻参数均较小的电缆。

4基在“参量承认”的总线系统平安性阐发41阐发法则如前所述，今朝“系统承认”是我国现行的本安系统认证手艺。这类组合一经认定，其本安装备或联系关系装备就不克不及用未经查验机构按这类组合认证过的其他型号规格的装备替换。

明显，为了从真正意义上确保现场总线系统“可交换性”和“可互操作性”特点的实现，要求每个具有分歧设置装备摆设的总线系统，按“系统承认”的要求零丁地进行系统认证将是一件完全不克不及接管的工作。是以，认证。

而“参量承认”手艺可给本安系统的设置装备摆设付与极年夜的矫捷性，若对这类认证手艺加以延长，势必很好地合用在现场总线本安系统的平安设置装备摆设，并确保总线系统“可交换性”和“可互操作性”特点的表现。

如前所述，“参量认证”的*年夜特点是对经参量认证过的本安装备和联系关系装备，用户可以正当地组合和评定本安系统。这一进程本色上就是经由过程对现场总线系统中供给能量装备的平安参数和接管能量装备的平安参数进行比力来阐发系统平安性的进程。具体地说，应遵照以下平安阐发步调。

现场总线上挂接的每台装备必需知足以下前提：全部总线本安系统的防爆标记应取系统中所有装备的*低品级。

本安系统总线电缆的*年夜答应电容C应为联系关系装备答应的*年夜外部电容C与总线挂接的所有本安装备*年夜内部电容C累加值之差；本安系统总线电缆的*年夜答应电感L应为联系关系装备答应的*年夜外部电感L与总线挂接的所有本安装备*年夜内部电感L累加值之差。即：假如已知现实利用电缆的单元长度电容和电感值，我们便可按照求出的Q.L值别离推算出答应的*年夜电缆长度，然后取二者的较小值。若不知道现实利用电缆的参数，我们也可采取以下保举值进行计较：电缆电容为200PF/m电缆电感为0需要留意的是，上述阐发进程只能包管总线系统的本安防爆机能，其实不能同时包管如许组合的系统知足其正常工作机能要求。是以，设计人员或用户还必需进一步阐发和验证如许组合的系统的正常操作机能，以确保系统能按划定的机能要求工作。

42本安现场总线系统平安性阐发实例列国对已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不异。在英国，没有任何法定例定要求获得如许的认证，但是在其他一些欧洲国度，对某些利用环境则又是必需的。例如，在法国和德国，当触及0区（Zie）利用时，就明白划定必需进行系统认证。在日本，到今朝为止，系统认证仍是一个强迫性要求。

的概念，它将对本安系统中的供电电源和其领受装备别离给出平安参数，并答应有能力的用户经由过程比力给出的装备平安参数对系统的设置装备摆设进行公道性和平安性阐发。

若对这类方式加以延长，它将很好地合用在对具有多供给商特点的合适基金会物理层描写性规范的现场总线系统进行阐发。这类阐发可所以一个由系统设计人员完成的平安评估，也能够作为供给给第三方认证机构进行进一步认证的简单阐发成果。如前所述，虽然系统认证在良多国度不是一个法定要求可是绝年夜大都的首要用户仍是将它视为确保安装系统平安运行的附加包管。

对需要系统认证的国度，他们的认证机构将要求本安系统中每个相干装备完全肯定下来。

量的装备平安参数和接管能量的装备平安参数进行比力。对经由过程认证、并确认合适基金会物理层描写性规范保举本安参数的兼容装备，其系统平安机能很轻易地获得包管。是以，在安装之前，不管是不是需要进行第三方认证，这一工作都必需进行。

保举的法子是按表4示出的格局列出每台装备（包罗安装在平安场合的联系关系装备和安装在危险场合的本安装备）的具体环境，具体应包罗以下内容。

对所有的装备：制造商的具体环境、产物型号规格、认证机构、认证尺度、认证证书或认证文件编号、认证种别（exarExib）、答应气体组别（nAnB对危险场合用素质平安装备：认证的*高输入电压，U（）；认证的*年夜输入电流，i（L）；认证的*年夜输入功率，P（Px）温度组别，T装备*年夜内部电容，C装备*年夜内部电感，L对平安场合用联系关系装备：认证的*高输出电压，U（Uc见注）；认证的*年夜输出电流，o认证的*年夜输出功率，P（Pm）；答应的*年夜外部电容，c，（ca）；答应的*年夜外部电感，L（L）答应的*年夜电感鹿阻比，L/R（L/R）。

按照北美术语划定，由多个本安源的组合得出的整体参数用V和丨暗示，而不是uc和n设计系统中每装备的上述相干内容都是必须的。假如对装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获得书面联系。对装备认证所划定的非凡利用前提，也应引发特殊的正视。在搜集了所有必须的资料后，便可按表4划定的格局完成表5所示的文件。事实上，这一工作已完成了对按EC种别要求认证的装备的系统平安评估，并且它也可轻易地转换成对按北美种别要求认证的装备的系统平安评估。可是，在凡是环境下，这类评估方式不克不及利用在同时含有按分歧（不完全兼容）尺度要求认证的装备的本安系统。

表5所列数据仅为举例需要而假定的，并不是暗示这些装备的现实存在或所列数据的公道性。

一个平安的系统，现场总线收集上的每台装备必需知足以下前提：表4保举的系统平安阐发表场合数据本安承认尺度：GB383厂商型号规格认证机构证书编号认证种别气体组别U.（L/R）联系关系装备（平安场合）本安装备制造厂商型号规格认证机构证书编号认证种别气体组别温度组别U（Li）（危险场合）认证证书认证气体温度U.IP.电缆*年夜电容电缆*年夜电感电缆*年夜电感/电阻比表5系统平安阐发实例场合数据制造型号认证证书认证气体U.IP.c.L.L/R.本安承认尺度：厂商规格机构编号种别组别（Uo.）（n）（Pm）（ca）（La）（L/R）165nF0（B）（IB）制造型号认证证书认证气体温度uiniPi ciLi厂商规格机构编号种别组别组别（umax）（Inax）（Pmx）证书认证气体温度u.Ip.电缆*年夜电容电缆*年夜电感电缆*年夜电感/电阻比机构编号种别组别组别，uK‘）（n’）（Pm）cL/R.全部系统很较着，表5所示系统能知足这些前提。

全部系统的认证种别和蔼体组别应取系统中所有装备的*低品级。在表5中，因为列出的所有装备的本安认证参数都合适基金会保举参数，是以，系统总的认证标记为ExialK；可是，假如系统中任一装备被认证为t种别，或认证为只能用在较低的IB或八气体组别，则系统总的认证标记应限制到这些*低品级。一样，由各装备的温度组别可知，在情况温度为60°C时，系统总的温度组别为T.关在全部系统的电容和电感参数问题，我们也可从表5所示的系统装备平安参数表中，轻易地取得本安现场总线电缆的*年夜答应电容和电感值。在危险场合现场总线开路或短路时，它们是可能的储能释放源，是以，这些参数很是主要。凡是，每个平安场合用本安联系关系装备的认证都将给出答应毗连到其本安真个*年夜电容和电感值，它们将随气体组此外分歧而分歧，且KC气体组别（北美的A和3组的答应值*低。

电缆*年夜答应电容为平安场合用联系关系装备答应的电容与所有本安装备内部*年夜电容累加值之差，该值也就是电缆可到达的电容数值。一样，电缆*年夜答应电感为平安场合用联系关系装备答应的电感与所有本安装备内部*年夜电感累加值之差。对表5所示的系统实例，KC组别答应的电缆电容和电感的计较以下：Ccablemax对某些规格的电缆，上述答应的电容可能会限制危险场合总线的长度。

年夜大都由*年夜答应电感参数引发的对电缆长度的限制，可经由过程利用答应的电感电阻比（LR）加以降服。认证机构在认证平安场合用联系关系装备时，凡是会给出其本安端答应毗连的电缆*年夜电感电阻比（L/R）这一参数可用来评判电缆的电感特征是不是合适要求。例如，表5所示的K；系统可以使用L/R比值为31H/O的电缆，它就笼盖了绝年夜大都经常使用在本安系统的电缆布局。是以，它可降服由较低的答应电感带来的问题。

电缆参数确切仅仅是K；北美的A和战且）利用所需要关心的问题。如表5所示，对KB（北美的C组）气体情况的利用，答应的*年夜电容和电感值将年夜年夜地增添。这些参数将足以能知足现实利用需要，且不会对本安系统的利用发生任何限制。响应在KA（北美的D且）利用所答应的数值就更高了。EC本安委员会正想法展开工作，以进一步简化本安系统电缆参数的评定。可是，要改变今朝的评定方式，可能还需若干年的尽力。

当需要肯定一根已铺设的电缆的电容和电感时，**的方式应是与电缆制造商获得联系，以获得铺设电缆的具体参数值。如果可行的话，这类方式将是*简略单纯的解决法子。可是，凡是利用这类方式常常很难取得这些参数。此时，我们可使用LR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障间测定电容的*年夜值，或因为绝年夜大都经常使用在毗连仪表系统的电缆的L/R比和电容别离小在25MH/O和200PF/m是以，我们也可以使用这些典型值。

危险场合现场总线的*年夜答应长度应经由过程计较肯定，即用电缆单元长度的丈量或估量电容值除以划定气体组别下计较出的系统*年夜答应电容值。例如，假定电缆单元长度的电容值为140fF/m则对IC危险场合，表5所列系统答应的现场总线*年夜长度为缆，对KB危险场合答应的现场总线*年夜长度将增添到8年夜大都国度的安装规范都要求装备机箱、机柜内的本安电路布线和其他电路布线分隔安插。习惯的做法是将两种分歧性质的电缆别离铺设在分歧的导线管中走线，并清晰地加以标记，并且统一根多芯现场电缆凡是要求全数用作本安电路布线或非本安电路布线，即统一电缆中不答应同时含有两种分歧型式的电路。

可是，列国对这些要求也不完全不异，它们首要表示在：是不是统一根电缆或导线管中可以同时存在两种分歧型式的电路。是以，在装备安装之前，用户应当真领会本地的实践规范要求。另外，本安电路和非本安电路的现场布线也凡是要求利用分歧的接线盒。

编者的话由徐建平传授撰写的“防爆平安手艺”讲座十二讲已全数登载。该讲座以通俗、适用为主旨，以爆炸性夹杂物的根基特征、防爆根基道理为根本，介绍了主动化仪表和系统在爆炸危险场合和与平安相干的防爆手艺共性问题，讲述了主动化仪表产物*为经常使用的隔爆型和素质平安型防爆手艺要乞降设计原则。

但愿该讲座对大师的现实工作有所帮忙。同时，我们真诚接待大师来电来函，对此讲座提出贵重的定见和观点。