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(jí)工程師。 關(guān)鍵詞：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)　本質(zhì)安全　危險(xiǎn)場(chǎng)所　安全場(chǎng)所 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是一種全數(shù)字、串行、雙向通信協(xié)議，用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如變送器、控制器、執(zhí)行器等的互連。它是存在于過(guò)程控制儀表間的一個(gè)局域網(wǎng)（LAN），以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)過(guò)程控制的分散化。與其他形式的總線(xiàn)相比，基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是專(zhuān)門(mén)為適應(yīng)自動(dòng)化系統(tǒng)，特別是過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)在功能、環(huán)境、技術(shù)上的需要而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的。在滿(mǎn)足苛刻的使用環(huán)境、本質(zhì)安全、危險(xiǎn)場(chǎng)合、多變過(guò)程以及總線(xiàn)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(chǎng)家的產(chǎn)品有很好的可互操作性和互換性。因此，在化工過(guò)程自動(dòng)控制中選用基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)是十分合適的。 一 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的本質(zhì)安全原理 本質(zhì)安全（簡(jiǎn)稱(chēng)“本安”I.S.）技術(shù)是在爆炸性環(huán)境下使用電器設(shè)備時(shí)確保安全的一種方法。通常，將存在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域稱(chēng)為危險(xiǎn)場(chǎng)所，這種場(chǎng)所一般都有易燃、易爆的氣體，液體與粉塵等。為了確保工廠(chǎng)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(diǎn)燃。一般常用人工預(yù)防措施，如充沙、環(huán)氧樹(shù)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(huì)產(chǎn)生潛在的危險(xiǎn)，這是因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)（包括危險(xiǎn)場(chǎng)所用本安設(shè)備和與之直接相連的安全場(chǎng)所用關(guān)聯(lián)設(shè)備）的設(shè)計(jì)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(diǎn)燃。該技術(shù)允許進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)量（使用認(rèn)可的測(cè)量設(shè)備）和帶電調(diào)整，而且設(shè)備也可在系統(tǒng)工作時(shí)進(jìn)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(duì)于儀表來(lái)說(shuō)，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(xiàng)國(guó)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(rèn)可和使用成為可能。但對(duì)危險(xiǎn)場(chǎng)所的分類(lèi)，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(guó)和加拿大的“Division”區(qū)域。 二 危險(xiǎn)場(chǎng)所用的電器設(shè)備 對(duì)于危險(xiǎn)場(chǎng)所用的各種不同類(lèi)型的防爆電器設(shè)備的認(rèn)證，已有多年的歷史，然而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)設(shè)備，則要求不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的電器設(shè)備按照一種兼容的方法進(jìn)行認(rèn)證，使它們都能連到一條共同的總線(xiàn)上?；饡?huì)以31.25kb/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(rèn)證參數(shù)，如表1所示。若按照這些參數(shù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，由不同制造商生產(chǎn)的電器設(shè)備都可以?huà)旖拥交饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)上。這一技術(shù)規(guī)定來(lái)自1993年IEC/ISA現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(chǎng)總線(xiàn)通信設(shè)備類(lèi)型用的行規(guī)，其中4種可在危險(xiǎn)場(chǎng)所與本安現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相接。具體形式和基金會(huì)代號(hào)為：111型——標(biāo)準(zhǔn)功率信號(hào)，總線(xiàn)供電，本質(zhì)安全；112型——標(biāo)準(zhǔn)功率信號(hào)，獨(dú)立供電，本質(zhì)安全；121型——低功率信號(hào)，總線(xiàn)供電，本質(zhì)安全；122型——低功率信號(hào)，獨(dú)立供電，本質(zhì)安全。與其他類(lèi)型的設(shè)備相比，其顯著區(qū)別是因?yàn)樗鼈兊拿襟w附加單元（MAU）隨時(shí)都被規(guī)定為電流吸收器，在任何工作期間都不會(huì)向總線(xiàn)提供電流。因此，這些設(shè)備在接收和傳輸信號(hào)時(shí)不會(huì)把電能帶入現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的特性，完全適合于危險(xiǎn)場(chǎng)所使用。 111、112、121、122行規(guī)類(lèi)型設(shè)備的任意組合可以連接到本安供電的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)上?；饡?huì)行規(guī)規(guī)范定義了一種能與標(biāo)準(zhǔn)功率和低功率信號(hào)設(shè)備以及這4種總線(xiàn)供電和獨(dú)立供電類(lèi)型設(shè)備的任意組合一起運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。任何行規(guī)規(guī)定的適用于危險(xiǎn)場(chǎng)所的設(shè)備也可與基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的非本安分段，或位于安全場(chǎng)所的基金會(huì)總線(xiàn)相連接。唯一要求是總線(xiàn)本身必須能供電（甚至對(duì)于獨(dú)立供電的112和122類(lèi)型設(shè)備也有同樣要求）。 （1）總線(xiàn)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(chǎng)總線(xiàn)本身。使用總線(xiàn)供電設(shè)備的一個(gè)典型本安現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)如圖1所示。MAU將完成兩個(gè)功能，即調(diào)節(jié)由現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)送到設(shè)備的電源，并將信號(hào)饋送到總線(xiàn)。 （2）獨(dú)立供電設(shè)備（行規(guī)112和122） 這些設(shè)備除來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)本身的供電外，還具有一個(gè)或多個(gè)電源。例如，應(yīng)用電路需要高于本安現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)可供電源的分析儀，或電池供電的手持單元。這些類(lèi)型的設(shè)備及其電源應(yīng)采用其他防爆形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，但其總線(xiàn)通信單元仍需與本安現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相連。該系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例如圖2所示。在這種情況下，設(shè)備中的MAU只需向現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信電路本身提供電源。這就是使用低功率信號(hào)122類(lèi)型設(shè)備在減少抽取現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)電流方面具有顯著優(yōu)點(diǎn)的一個(gè)例子。同樣，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)功率信號(hào)的112類(lèi)型設(shè)備的使用，也具有同樣的優(yōu)點(diǎn)。 （3）現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)終端器 所有基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的分段需要設(shè)置兩個(gè)總線(xiàn)終端器。對(duì)于本安現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)說(shuō)，每根現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)至少需有一個(gè)終端器安裝在危險(xiǎn)場(chǎng)所（如圖2所示）。終端器是一種用于傳輸線(xiàn)終點(diǎn)或靠近終點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)匹配器，具有和傳輸線(xiàn)相同的特性阻抗，以便使能引起數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的因“反射波”而造成的信號(hào)失真達(dá)到最小。不同類(lèi)型行規(guī)的設(shè)備接到總線(xiàn)上時(shí)，可能會(huì)對(duì)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(xiàn)終端器不能用于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)。 三 安全場(chǎng)所用的關(guān)聯(lián)設(shè)備 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)危險(xiǎn)場(chǎng)所的唯一電源來(lái)自安裝在安全場(chǎng)所的安全電源。所有直接與危險(xiǎn)場(chǎng)所布線(xiàn)或設(shè)備相連的安全場(chǎng)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(gè)本安隔離器中，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)本安電源還可采用普通的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)電源和本安安全柵的組合配置而成。表2列出了基金會(huì)物理層行規(guī)規(guī)范中關(guān)于這類(lèi)關(guān)聯(lián)設(shè)備推薦的本安參數(shù)。 （1）現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)供電電源 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì)物理層行規(guī)規(guī)范中提到電源可設(shè)計(jì)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(jì)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(chǎng)總線(xiàn)所用電源的阻抗需與網(wǎng)絡(luò)相匹配。無(wú)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(bǔ)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(huì)物理層行規(guī)規(guī)范的本安安全柵適合于安裝在安全場(chǎng)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(hù)熔斷器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)組成。它具有在點(diǎn)燃危險(xiǎn)環(huán)境之前把過(guò)壓、浪涌電流和過(guò)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(lái)保護(hù)危險(xiǎn)場(chǎng)所的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)時(shí)，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(xiàn)。絕大多數(shù)國(guó)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(diǎn)）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(hù)，可能還會(huì)把現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)終端器設(shè)計(jì)在本安安全柵內(nèi)，因此用戶(hù)在選用時(shí)應(yīng)加以注意。 （3）本安電流隔離器 基金會(huì)物理層行規(guī)規(guī)范含有一個(gè)本安電流隔離器。與本安安全柵相比，這種隔離器是通過(guò)采用能防止浪涌電流或過(guò)載電流從安全區(qū)傳輸?shù)轿ｋU(xiǎn)場(chǎng)所的高度可靠的隔離措施來(lái)保證安全的。隔離器中電能和信號(hào)的傳輸是通過(guò)使用經(jīng)特別設(shè)計(jì)，并具有可靠的最小分離間距和隔離特性的器件來(lái)完成的，同本安安全柵一樣在信號(hào)傳遞到危險(xiǎn)場(chǎng)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(shí)，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(xiàn)。不過(guò)，本安電流隔離器仍需提供一個(gè)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(chǎng)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(diǎn)在于其危險(xiǎn)場(chǎng)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(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)對(duì)地以平衡的方式運(yùn)行。另外，隔離器中使用的有源電路在信號(hào)頻率下也可使隔離器在每根現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)上呈現(xiàn)較小的阻抗。由于隔離器兩側(cè)的總線(xiàn)分段可認(rèn)為是一段連續(xù)的總線(xiàn)，因此采用此技術(shù)的制造商不一定會(huì)將總線(xiàn)終端器設(shè)計(jì)在本安電流隔離器中，用戶(hù)使用時(shí)，應(yīng)確定產(chǎn)品中有無(wú)終端器。 （5）與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相連的其他安全場(chǎng)所設(shè)備的技術(shù)要求 由于使用了經(jīng)認(rèn)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(chǎng)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(chǎng)所現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(guò)250V RMS（有效值）AC/DC。對(duì)于任何可能有高壓危險(xiǎn)的情況，一般應(yīng)通過(guò)采取在含有高壓電路的設(shè)備和本安現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)備之間設(shè)置一個(gè)浪涌保護(hù)裝置的辦法來(lái)解決。 四 基金會(huì)本安現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)安全性 各國(guó)對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)，在安裝前所需進(jìn)行的第三方認(rèn)證的要求是各不相同的。由北美國(guó)家提出的“整體概念”，是對(duì)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(hù)用該安全參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的配置進(jìn)行適用性和安全性分析，這將很適合對(duì)于具有眾多供應(yīng)商的符合基金會(huì)物理層規(guī)范的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行分析、認(rèn)證。這一工作將由獲得授權(quán)的本安認(rèn)證機(jī)構(gòu)根據(jù)基金會(huì)推薦參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)認(rèn)證。 五 系統(tǒng)用電纜 危險(xiǎn)場(chǎng)所現(xiàn)場(chǎng)電纜的開(kāi)路或短路，可能是儲(chǔ)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(chǎng)總線(xiàn)電纜的最大允許電容和電感值。其最大允許長(zhǎng)度應(yīng)通過(guò)計(jì)算確定，即在一定的環(huán)境（規(guī)定的氣體組別）下，計(jì)算出系統(tǒng)電纜最大允許電容量值除以所用電纜單位長(zhǎng)度的測(cè)量或估計(jì)電容值。在安裝規(guī)范上，大多數(shù)國(guó)家都要求設(shè)備機(jī)架、機(jī)架內(nèi)的本安電路布線(xiàn)與其他電路布線(xiàn)分開(kāi)，如使用不同的接線(xiàn)盒等。 綜上所述，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、安裝施工等都應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格認(rèn)證，確保系統(tǒng)的安全性、適應(yīng)性，以滿(mǎn)足各種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)自動(dòng)控制的要求。迄今為止，較為成熟的有基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(chǎng)家正在進(jìn)行該系統(tǒng)的施工，這標(biāo)志著基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用在我國(guó)進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。 來(lái)源：《世界儀表與自動(dòng)化》