關鍵詞：基金會現場總線 本質安全 危險場所 安全場所
基金會現場總線是一種全數字、串行、雙向通信協議，用于現場設備如變送器、控制器、執行器等的互連。它是存在于過程控制儀表間的一個局域網（LAN），以實現網內過程控制的分散化。與其他形式的總線相比，基金會現場總線是專門為適應自動化系統，特別是過程自動化系統在功能、環境、技術上的需要而專門設計的。在滿足苛刻的使用環境、本質安全、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，由于采用了標準功能塊以及DDL設備描述技術，它能確保不同廠家的產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場總線系統是十分合適的。
一 基金會現場總線的本質安全原理
本質安全（簡稱“本安”I.S.）技術是在爆炸性環境下使用電器設備時確保安全的一種方法。通常，將存在有爆炸危險的區域稱為危險場所，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的環境不被點燃。一般常用人工預防措施，如充沙、環氧樹脂澆封電器設備等；而本安技術采取的是另一種方法。本安電器設備與可燃性氣體的接觸將不會產生潛在的危險，這是因為整個系統（包括危險場所用本安設備和與之直接相連的安全場所用關聯設備）的設計使得即使在設備或連接電纜出現故障的情況下，可能出現的電火花或熱表面不足以引起點燃。該技術允許進行在線測量（使用認可的測量設備）和帶電調整，而且設備也可在系統工作時進行拆卸或更換。但是，本安技術僅適用于低電壓和低功耗（最高為幾歐姆）的設備。對于儀表來說，這是一種很適合的方法。與其他技術相比，本安技術是一項國際標準化程度很高的技術，這使得同一設備和系統被世界上大部分地區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標準規定的“Zone”區域以及美國和加拿大的“Division”區域。
二 危險場所用的電器設備
對于危險場所用的各種不同類型的防爆電器設備的認證，已有多年的歷史，然而對于現場總線技術設備，則要求不同廠商生產的電器設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。基金會以31.25kb/s物理層行規規范為通信設備和輔助單元規定了一些推薦認證參數，如表1所示。若按照這些參數要求進行設計，由不同制造商生產的電器設備都可以掛接到基金會現場總線上。這一技術規定來自1993年IEC/ISA現場總線物理層IEC 61158-2的第十一節和第二十二節（草案），共定義了8種現場總線通信設備類型用的行規，其中4種可在危險場所與本安現場總線相接。具體形式和基金會代號為：111型——標準功率信號，總線供電，本質安全；112型——標準功率信號，獨立供電，本質安全；121型——低功率信號，總線供電，本質安全；122型——低功率信號，獨立供電，本質安全。與其他類型的設備相比，其顯著區別是因為它們的媒體附加單元（MAU）隨時都被規定為電流吸收器，在任何工作期間都不會向總線提供電流。因此，這些設備在接收和傳輸信號時不會把電能帶入現場總線的特性，完全適合于危險場所使用。
111、112、121、122行規類型設備的任意組合可以連接到本安供電的現場總線上。基金會行規規范定義了一種能與標準功率和低功率信號設備以及這4種總線供電和獨立供電類型設備的任意組合一起運行的現場總線。任何行規規定的適用于危險場所的設備也可與基金會現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類型設備也有同樣要求）。
（1）總線供電設備（行規111和121）
這些設備的唯一電源是現場總線本身。使用總線供電設備的一個典型本安現場總線系統如圖1所示。MAU將完成兩個功能，即調節由現場總線送到設備的電源，并將信號饋送到總線。
（2）獨立供電設備（行規112和122）
這些設備除來自現場總線本身的供電外，還具有一個或多個電源。例如，應用電路需要高于本安現場總線可供電源的分析儀，或電池供電的手持單元。這些類型的設備及其電源應采用其他防爆形式進行設計，但其總線通信單元仍需與本安現場總線相連。該系統的一個實例如圖2所示。在這種情況下，設備中的MAU只需向現場總線通信電路本身提供電源。這就是使用低功率信號122類型設備在減少抽取現場總線電流方面具有顯著優點的一個例子。同樣，對于標準功率信號的112類型設備的使用，也具有同樣的優點。
（3）現場總線終端器
所有基金會現場總線的分段需要設置兩個總線終端器。對于本安現場總線來說，每根現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絡匹配器，具有和傳輸線相同的特性阻抗，以便使能引起數據錯誤的因“反射波”而造成的信號失真達到最小。不同類型行規的設備接到總線上時，可能會對系統瞬態響應產生不利影響，因此，具有其他阻抗特性的總線終端器不能用于基金會現場總線系統。
三 安全場所用的關聯設備
基金會現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備相連的安全場所設備是本安系統的一部分。這種關聯設備也可以包含在一個本安隔離器中，現場總線本安電源還可采用普通的現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規范中關于這類關聯設備推薦的本安參數。
（1）現場總線供電電源
現場總線基金會物理層行規規范中提到電源可設計成以下幾種形式：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。
現場總線所用電源的阻抗需與網絡相匹配。無論是內置還是外置的電源，均為電阻/電感網絡，它與終端器容抗相互補償，使其在較寬的頻率范圍內具有平坦的頻率響應特性。
（2）本安安全柵
基金會物理層行規規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連接的齊納二極管、串聯連接的限流電阻和保護熔斷器構成的網絡組成。它具有在點燃危險環境之前把過壓、浪涌電流和過載電流安全轉移到系統“地”的功能，如圖3所示。因此，當使用安全柵來保護危險場所的現場總線時，首先要求在安全柵和地之間設置有合適規格而又高度完善的連線。絕大多數國家的安裝規范要求設置在安全柵接地端和系統安全地（通常連接到電源配電系統的中性點）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，可能還會把現場總線終端器設計在本安安全柵內，因此用戶在選用時應加以注意。
（3）本安電流隔離器
基金會物理層行規規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傳輸到危險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特別設計，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，隔離器的顯著優點在于其危險場所電路（本安側電路）與地完全隔離，從而較好地保證了現場總線系統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場總線上呈現較小的阻抗。由于隔離器兩側的總線分段可認為是一段連續的總線，因此采用此技術的制造商不一定會將總線終端器設計在本安電流隔離器中，用戶使用時，應確定產品中有無終端器。
（5）與現場總線相連的其他安全場所設備的技術要求
由于使用了經認證的本安安全柵與電流隔離器，使與其安全區側相連的安全場所設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，與安全場所現場總線相連的任何設備的電源或可能產生的電壓，不應超過250V RMS（有效值）AC/DC。對于任何可能有高壓危險的情況，一般應通過采取在含有高壓電路的設備和本安現場總線關聯設備之間設置一個浪涌保護裝置的辦法來解決。
四 基金會本安現場總線系統安全性
各國對已經設計完成的現場總線系統，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”，是對本安系統中的供電電源及其接收設備分別給出安全參數，并允許用戶用該安全參數對系統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商的符合基金會物理層規范的現場總線系統進行分析、認證。這一工作將由獲得授權的本安認證機構根據基金會推薦參數進行系統認證。
五 系統用電纜
危險場所現場電纜的開路或短路，可能是儲能的釋放源。在系統設備安裝參數表中給出了本安現場總線電纜的最大允許電容和電感值。其最大允許長度應通過計算確定，即在一定的環境（規定的氣體組別）下，計算出系統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。在安裝規范上，大多數國家都要求設備機架、機架內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，現場總線系統的本質安全特性與傳統的4～20mA的DCS有許多不同之處，因此對現場總線系統的設計、設備選型、安裝施工等都應進行嚴格認證，確保系統的安全性、適應性，以滿足各種現場環境對自動控制的要求。迄今為止，較為成熟的有基金會現場總線控制系統，該系統在煉油、化工行業已有成功的應用，也有許多廠家正在進行該系統的施工，這標志著基金會現場總線技術的應用在我國進入了一個全新的階段。
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