本质安全型现场总线的结构及安全要求

1.现场总线的结构和防爆安全水平

（1）结构和组成

在爆炸性气体环境中使用的现场总线，一般由以下几部分组成（图10.6）：

●现场总线电源；

●现场设备；

●现场总线终端器；

●适当长度的电缆。

在本质安全型现场总线中，总线电源只应该设置一个，而且要设置在距总线一端不超过60m的非危险场所（当然，在用其他防爆型式保护起来时也可以设置在危险场所中）；连接在分支线上的现场设备数量最多不得超过32台；终端器最多两个，设置在总线的两端。

图10.6 现场总线示意图

1—现场总线电源（矩形特性） 2—数据线 3—终端器 4—主干线 5—分支线 6—手持终端器 7—现场设备

本质安全型现场总线的这些组成单元应该具有本质安全型防爆型式或其他适当的防爆型式。它们由电缆连接起来，分布在一定的空间中，数据信号通过传输线与计算机连接在一起，构成一个局域控制系统。

本质安全型现场总线中所有组成单元的参数（包括电缆）都必须符合相应的规定，一经确定就不得任意更改。然而，人们可以替换某些符合相应参数要求的设备。这是本质安全型现场总线的特征。

（2）防爆安全水平

本质安全型现场总线应该具有适合于它周围环境的防爆安全水平，即应该满足它周围环境的危险区域（0区、1区或2区）及其中存在的可燃性气体的防爆级别（ⅡA级、ⅡB级或ⅡC级）、温度组别（T1组、T2组、T3组、T4组、T5组或T6组）和相应的设备保护级别（“ia”级、“ib”级或“ic”级）的要求。

在设计本质安全型现场总线时，人们应该根据总线预期使用的可燃性气体环境情况来确定总线应该具有的防爆安全水平。

通常情况下，现场总线运行的环境可能会包括爆炸性危险场所的0区、1区和2区，有时候可能还会包含非危险区域。

因而，人们在选择总线上所连接的设备时就应该选择与环境相适应的防爆型式、防爆级别、温度组别以及合适的设备保护级别。

例如，假若本质安全型现场总线预期使用环境中包含0区，那么总线上所连接的设备都必须是“ia”级的本质安全型设备；假若不包含0区，那么可以是“ia”级和（或）“ib”级甚至“ib”级、“ic”级的本质安全型设备。

这里有一个原则，那就是，对于某一特定场所，本质安全型现场总线的防爆安全水平是由总线中所连接设备中最低等级的设备决定的，不管总线中设备有几种等级。例如，对于ⅡB级可燃性气体的1区场所，当一个总线中包含防爆标志为ExiaⅡBT5Ga和ExibⅡCT4Gb的两种设备时，则总线的防爆安全水平应该按ExibⅡBT4Gb来考虑。这一点是很容易理解的。

当然，现场总线上所连接的现场设备有可能一部分运行在某种可燃性气体的0区，而另一部分则运行在1区。此时，人们应该根据现场总线本质安全理论和现场情况作出具体的判断和处理。

2.现场总线中的设备

在本质安全型现场总线中所连接的设备应该满足本质安全型电气设备和电路的基本性能和基本要求，而且还应该符合以下要求。

（1）现场总线用电源

在本质安全型现场总线中使用的电源应该具有线性输出特性，或者，不规则四边形输出特性、矩形输出特性。这种电源在本质安全电路中是一种关联设备，它的最高电压（U_m）不应该大于250V。

这种电源除应该符合关联设备的规定外还必须满足以下要求：

●最大输出电压：14≤U_o≤17.5V；

●最大输出电流和最大输出功率符合表10.2中所列数值（对于矩形特性电源）；

●最大内部电容：C_i≤5nF；

●最大内部电感：L_i≤10μH。

表10.2 矩形输出特性电源在相应电压条件下的最大输出电流和最大输出功率①

注：1.矩形输出特性电源，实际上，是一种恒压恒流电源。它的输出电压和输出电流是恒定的，只要符合本质安全性能要求，不管负载是否出现短路或断路非正常工作状态，电路都是安全的。例如，稳压二极管（两只并联）稳压电路输出端加上电子限流控制环节就构成这种矩形输出特性电源。

2.对于“ia”级和“ib”级总线电源，表中所列的电流值已施加了1.5倍安全系数。另外，现场总线的最大输出电流，除按照本表外，也可以按照GB 3836.4《爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》中的规定确定，但是不得大于本表所列相应电压下的最大值，例如380mA（在输出电压为14V的条件下）。(www.xing528.com)

①引自GB 3836.19《爆炸性环境 第19部分：现场总线本质安全概念（FISCO）》。

（2）现场总线用设备

本质安全型现场总线用设备就是连接到现场总线上的设备或装置（包括终端器）。这样的设备或装置，除应该符合本质安全型设备和电路的各项要求外，还应该满足以下规定：

●额定电压：U_i≥17.5V；

●额定电流：I_i≥表10.2中的规定值，例如，在电压为14V时，对于ⅡB级的“ia”级和“ib”级设备，I_i≥380mA；

●额定功率：P_i≥表10.2中的规定值，例如，在电压为14V时，对于ⅡB级的“ia”级和“ib”级设备，P_i≥5.32W；

●最大内部电容：C_i≤5nF；

●最大内部电感：对于“ia”级和“ib”级设备，L_i≤10μH；对于“ic”级设备，L_i≤20μH；

●所有接线端子都应该与地保持绝缘。

这里需要指出的是，假若某些现场设备还由其他电源供电时，连接现场总线的接线端子和其他电源的接线端子之间必须有可靠的隔离；而且，这样的设备还应该符合其他防爆型式的相应规定。

（3）现场总线用终端器

本质安全型现场总线应该设置两个终端器。

终端器，顾名思义，应该设置在现场总线的两端，是一段现场总线的终结。

这样的终端器，从原理上讲，就是一个简单的“阻容吸收装置”。它的主要作用是能够避免总线信号在长距离传输时可能会在总线两端产生信号波反射，造成信号失真。对于本质安全型现场总线来说，它还能够吸收总线中可能出现的危险能量，防止这样的能量侵害现场设备，防止这样的能量可能造成点燃危险。

3.现场总线的电缆

本质安全型现场总线所用的电缆，通常为屏蔽双绞线，除应该符合爆炸性气体环境中所用电缆的相关要求外，还应该符合下列要求。

（1）电缆参数

●电缆电阻不应该大于150Ω/km；

●电缆电感不应该大于1mH/km；

●电缆电容不应该大于200nF/km。

（2）电缆长度

①每条主干线（包括支线），对于ⅡB级总线，不应该大于5km；对于ⅡC级总线，不应该大于1km。

②每条分支线，对于ⅡB级和ⅡC级总线，均不应该大于60m。

需要指出的是，这里提出的电缆长度是一个最大限值。然而，在实际确定电缆长度时，人们应该通过计算求得。

我们已经知道，在本质安全系统中，一定长度的电缆所具有的电缆电容（C_c）和电缆电感（L_c）不得大于关联设备上标志的最大外部电容（C_o）和最大外部电感（L_o）与所连接的本质安全型设备所具有的最大内部电容（C_i）和最大内部电感（L_i）之差。于是，人们在计算时可以先确定这个差值，然后根据这个差值和电缆单位长度所具有的电容值和电感值就可以求得所需的电缆长度。

当然，在计算时，人们也可以使用参数：电缆电感（L_c）与电缆电阻（R_c）之比（L_c/R_c）。

4.现场总线接线端子的隔离

现场总线的所有接线端子都应该与地隔离开来。此外，总线上有一些设备可能由其他电源供电时，总线的接线端子必须与这些电源的接线端子隔离开来。

这样的隔离，主要是保持本质安全型现场总线的所有接线端子处于“无源”状态，消除总线以外其他能量源对总线的侵害，保证总线传输数据的安全性和总线系统的本质安全性能。

现场总线的接线端子，与地之间可以采用加强绝缘的措施进行这种隔离，与其他电源之间可以用绝缘隔板进行隔离，也可以用接地的金属板进行隔离。当然，现场总线的接线端子与非现场总线的接线端子之间还可以采用间隔至少50mm的方法进行隔离。

5.现场总线的接地

在本质安全型现场总线中，通常情况下，供电电源可以接地，其他的必须与地隔离，不得接地。

通常情况下，现场总线用电缆应该是屏蔽电缆。此时，电缆的屏蔽层必须接地，而且，不管是主干线还是分支线，所有的屏蔽层必须连接在一起，在一点接地。