1 引言
现场总线系统应用在工艺过程中必须满足一定的要求。除了功能方面以外，常常必须遵循安全技术规定。在石油、化工爆炸危险区(Ex—区)内，“EExi—本质安全防爆方式”是经常使用的防爆方法，它在设计、制造开销和可操作性方面明显地优于其他方式(EEx e，EEx d和EEx m等)。
自动化技术产品的生产企业和置于危险区生产设备的用户对此极感兴趣，因为本安防爆应用于现场总线系统无疑是十分有益的。
1990年，德国联邦物理工程研究院(PTB)作为防爆检测与认证中心和一些知名的PNO会员企业合作研究现场总线系统本质安全防爆问题。当时选择了物理层国际标准草案IEC61158—2作为研究的基础标准之一。
1993年，研究成果"Fieldbus Intrinsically Safe Concept，现场总线本质安全防爆构想”，简称FISCO—模型开始进入PROFIBUS—PA技术的范畴。FISC0使得PROFIBUS—PA以本质安全防爆方式安装、应用在Ex—区中成为可能，以十分经济、简便的方式解决了现场总线的防爆问题。
FISCO适用于EEx ia IIc—和EEx ib IIC／IIB本安防爆方式。研究表明，挂接于PROFIBUS—PA分段上的现场仪表数量只受段耦合器(Segmentkoppler)电力特性的限制；每段可挂接的现场仪表数量达到了最大值，明显地多于其他现场总线；分段可以在FISCO的限制内扩充，但无须重新进行本安核算；不同生产厂的现场仪表可以互换，也无须再进行本安核算。尤其重要的一点是无须系统认证，只须对一些主要参数的匹配进行验证即可；工程设计与计算，安装与维护大为简化，费用明显节省；极大地提高了生产安全性。
FISCO—模型的上述优点对PROFIBUS—PA(IEC 61158，Parts 2—6，Type3)有Ex—区中应用的迅速扩大，无疑起了重要的推动作用。
本报告概述迄今为止还鲜为人知的FISCO—模型的基本概念规则、结论及应用。最后简要提及当前的标准状况。
2 “i”—现场总线(PROFIBUS)基础
2．1 典型结构
2.2 电气设备的防爆
众所周知，电火花和炽热表面在一定的前提下能够点燃爆炸性混合物。但在许多情况下，不可能将潜在的引爆源—电器—由爆炸危险区中消除掉。所以，必须采取一些防爆措施：尽量避免引爆源，使之失效或大大减小它起引爆作用的概率。必要的防爆措施的范围是针对爆炸气氛出现的频度而定的。
2.2.1 爆炸危险范围的地区划分
就爆炸性气氛存在的概率(时间上的和地点上的)而言，并作为确定防爆措施范围的基础，可燃气体、蒸汽或雾同空气的混合物存在于以下3个不同的地区：
0区：经常地或持久地存在着爆炸气氛(如液化气罐中的气室)；
1区：爆炸气氛偶尔出现(如在反应容器安全阀的四周)；
2区：爆炸气氛罕见且短时出现(如石化企业空旷区)。
大多数情况为1区，防爆措施通常是针对该地区制订的。
2.2.2 本质安全防爆方式
EN50020以此有下列定义：
本质安全防爆电路：在此电路中，在本标准所规定的试验条件下(包括正常运行条件和出现一定事故的条件)出现的火花和热效应不能引爆一定的爆炸气氛。本安电路或电器分为两类，即“ ia”和“ib”，其中“ia”同“ib"相比有更高的安全水准。从基本结构来看,“ia"是在0区应用的先决条件，而“ib”则相当于在1区中使用。
定义中有两种具有不同物理特征的引爆源，即电火花(火花引爆)和炽热表面(热引爆)。对前者进行了实验性研究，所使用的仪器是符合VDE 0171并由IEC和EN50020推荐的标准电火花试验仪，由德国PTB研制，见图PTB—3。
为研究本安防爆电路火花引爆特性，试验仪的爆炸室中充有规定的混合气体，它同空气的比例如下：
I组 (8．3±0．3)％ 甲烷Methan
IIA组 (5．25±0．25)％ 丙烷nopn
(根据EN50020 及 IEC79-3)
1. 触盘(阴极-) 2. 触丝(阳极+) 3. 支架 4. 爆炸室
图PTB—3本质安全防爆电路火花实验仪表示意图
IIB组 (7．8±0．5)％ 乙烯Ethley
IIC组 (21±2)％ 氢 H2
图PTB—4所示为一个电容电路的例子。它由电源U，串联电阻Rv、电容C和火花试验仪组成。在一定的电压Uz作用下开始计数火花的数目，直至起爆为止。然后，算出引爆电火花数量的平均值。其倒数称为引爆概率，被记人在相应电压下的概率图表中(图PTB—4)。
为比较不同电路的引爆值，在一定的引爆概率下观察所有的值。与本质安全性有关的概率是 10-3，即平均每1000个火花中有一个能起爆。根据 EN50020的规定，金属丝(钨)支架旋转200次时不允许引爆，在装有4根钨丝的情况下，产生约800个火花。根据上述情况，在相同范围所得出的引爆概率约为1.25X10-3。
3 研究内容与目的
应用于过程自动化的PROFIBUS PA由于应用IEC—物理层传输技术(IEC 61158—2)并在PROFI-BUS—DP基础上扩充了非循环数据传输服务 (DPVl)，而能够满足石化行业的特殊要求(总线馈电、本安防爆、报警处理、可互操作性等)，是一个用于分布式自动化系统和现场仪表的通信系统(IEC 61158，Parts 2—6，Typ3)。
物理层传输技术的主要性能是：
● 数字、位同步数据传输；
● 传输速率31.25kbit／s；
● 曼彻斯特编码(Manchester—Ⅱ—Code)；
● 与编码相匹配的帧头；
● 防止故障的起始与结束定界符；
● 发送电平0．75 Vss—1 Vss；
● 使用双绞线(屏蔽与非屏蔽)传输信号；
● 使用信号缆芯实现远程馈电；
● 本安防爆；
● 总线形与树形拓扑结构；
● 每段最多可挂接的仪表数量为32台；
● 最多可使用4台中继器。
作为研究的基础应遵循下列条件：
——本质安全防爆(根据EN 50020和IEC 79—11“ib”类或“ia”类)；
——按照本质安全性的含意只存在一个主动源；当一个站点发送时，不向总线输送功率；
——每个站点消耗恒定的基本电流(直流)；
——各站点(变送器、手动操作仪、总线主站和中继器)的作用相当于无源的耗电器；
——在本安条件下各站点的有效内电感和内电容很小，可以忽略不计；
——可以使用不同类型的电缆；
——终端电阻(网端)置于总线主干电缆的两端。
在信号调制时，假定总线上每个站点所消耗的基本电流至少应为10mA，且通常供现场仪表用电。通信信号是由发送仪表对基本电流进行+／-9mA的调制后产生的(图PNO -3，-4)。
电流的调制根据IEC SC 65C WG6的规定采用Manchester—Ⅱ—Code。当有的现场仪表所需的消耗电流超过lOmA时，则可以为该仪表增大基本电流，但可挂接仪表的数量将会受到限制。
3.1 馈电装置(电源)
接于总线上的本安电源通常安装在危险区以外的控制室中。根据EN 50020的规定，电源是一个“附属电气设备”，它本身并不防爆，但产生一个本安防爆电路。
倘若在危险区中使用电源，则可使用另一种被认可的防爆类型，例如“d”(表壳带耐压密封罩)。
本安电源可以是其他现场总线部件(例如分段耦合器)的组成部分。
3.1.1 “ib"类电源
电源输出电路的内阻应尽量小，因此电源装有一个有源电流调节器(电子限流器)。这类电源的输出特性曲线在理想情况下呈矩形(图PNO -5，-6)。当输出电流增大时，输出电压实际上一直保持恒定，直到电流达到一定的极限值时为止。EN 50020在假定采用冗余的电流、电压限制器和一个非本安电路的安全电位隔离装置的情况下规定了这样一个解决方案。
输出电压首先假定为14V(直流)，此值似乎比较合适，因为更多的电压会限制有用功率。从“ib”电源引爆极限曲线可见，功率许可值随电压的增加而明显地下降。
当馈电压很小时，总线电缆上产生的压降和现场仪表还能够工作的最低电压会引发各种问题。假定的14V是一个很好的折衷方案。从安全技术考虑，电源的最大电压值应始终大于名义输出电压值，因为必须考虑所有的误差。因此，Uz应设定为Uz=15V。
根据有关的爆炸组别从已有的引爆极限曲线及实际的引爆试验中得出允许的电流值。在PTB报告-W39中，对于IIC组(H2)允许的极限直流为 Ik=130mA。
3.1. 2 “ia"类电源
根据EN50020的规定，为带电子限流器的电源结构出具合格证明仅限于“ib”类。在欧洲一些国家，如意大利和英国，常把“ia”视为本安电路的标准。因此，应讨论一个能满足“ia"各个条件的替代电源，所采取的办法是用带固定电阻和Z--二极管的电路来取代电子限流器。对包含以下与安全相关的电路元件的电源进行了研究(图PNO -7，-8)。
源电压Uo=34V，R=150Ω，Z--二极管UZD=15V(最大值)。此电源具有“梯形”输出特性曲线 (图PNO—8)。
电源的工作值如下：
U=14V
I=120mA
P=1.7W
以上工作值可同“ib”方案的数值相比较。“ia”--方案的缺点是串联电阻应有相当高的负载能力，其次在工作状态下始终有功率损失。
取安全系数为1.5时，Z--二极管的最大功率应为2.7W。
这里也可以分摊到两个串联的Z--二极管上。在研制本安防爆电源时的其他原则应以标准EN50014和EN50020为依据。
3.2 现场仪表
在讨论现场仪表时假定总线接口对所有仪表而言，无论它们由总线馈电，还是由外接电源供电，几乎都具有相同的构造。使用外接电源时，在接口与其余电路之间需连接一个电位隔离器。与总线相连接部分的有效内电容与内电感小得可以忽略不计。它们的值应在5nF和10μH以下。
仪表的连接应与极性无关。通常在现场仪表的输入电路中接有一个桥路以满足上述要求(图PTB一5)。
现场仪表的基本电流设定为10mA(直流)。现场仪表可以消耗更大的基本电流。
现场仪表输入端所需最小电压设定为9V。但并不排除研制在此电压以下仍能工作的现场仪表。但是，在9V电压下所有现场仪表都能够正常地工作。现场仪表的数据归纳如下：
Umin=9V
IB=10mA(或更大)
Li<10μH
Ci<5nf
3．3 电缆
选择三种类型电缆进行研究，其参数极不相同。
A、安装电缆4X2.5mm2NYM—J(无屏蔽)
测得的每公里数值如下：
R'=15.6Ω
L'=605pH
C'=117nF
导线具有很小的分布电阻。电感、电容为平均值。
B、信号电缆2X0.6mm2(无屏蔽)
测得的每公里数值如下：
R'=123Ω
L'=308μH
C'=96.3nF
这种导线具有很高的分布电阻，但很小的分布电感与电容。
C、信号电缆(制造厂Belden，型号8761，带屏蔽)
测得以下数值(以每公里计)：
R'=83.4Ω
L'=530μH
C'=86.7nF
CLs=173.95nF (C'LS=电缆—屏蔽分布电容)
这种导线具有相当高的分布电阻，平均分布电感和相当高的分布电容(由于屏蔽)。
从电源额定电压和现场仪表最小输入电压之差求得电缆允许的最大压降：
UD=Us—Umin
UD=14V—9V
UD=5V
总线电缆上的压降是由于分布电阻、电缆长度和供电电流而产生的。在最不利的情况下，所有现场仪表位于总线末端，可用电流在100…120mA内。由此得出最大允许的电缆电组为：
Rmax=5V／120mA
Rmax=41.67Ω
根据此值对于A类电缆设定长度为1000m，而对B型、C型电缆的研究所设定的长度为500m。
总线电缆的有效电容首先由电容内衬C'求得，它是两根缆芯之间的电容。假如电缆有一个屏蔽，则有一个附加电容在起作用。
电容的计算是针对总线电缆与屏蔽的连接电路进行的。假如，总线电路对接地的屏蔽是0电位，或者假如屏蔽在电源正、负端之间是对称分布的，那么除了缆芯对缆芯的电缆，还必须考虑由电容缆芯对屏蔽和屏蔽对缆芯的串联电路。于是C'=C'缆芯／缆芯+0.5C'缆芯／屏蔽。假如屏蔽向电源的一个缆芯相连，则C'=C'缆芯／缆芯+C'缆芯／屏蔽。
3．4 手动操作仪和连接总线主站耦合器
为简便起见，它们的特性如同接于总线上的现场仪表。
它们同样作为无源的耗电器，在任何情况下都不能够向总线馈电。它们的有效内部电容与电感参见3.2中的有关规定。
3．5 电缆终端电阻
为连接总线电缆，假定在主干线的两端设置终端电阻，由于通常不能在电源的输出端获得所需的阻抗，因此需安置一个独立的电缆终端电阻。
终端电阻由一个电容和一个电阻所组成，RC元件的数值如下：
R=93．4Ω
C=1μF或2.2μF
3．6 故障隔离电子电路Fault Disconnection Electronics (FDE)
对现场总线系统有一个十分重要的要求，这就是一个有毛病的总线站点不应该妨碍其余系统的功能。讨论中应将电源中或联通总线主站的耦合器中出现的故障排除在外，除非它们使用冗余结构。现场总线被封锁，可以因某个站点持续发送信号所致。使用看门狗从内部监控最长的发送时间，在超越最大许可值时将站点从总线上切断。
仪表的基本电流也可以因出现故障而改变。当明显地超出某个站点特定的基本电流时，总线电源的限流器立即作出反应，使供电电压减少，最终使通信中断。
3．7 现场总线模型
现场总线模型的基本结构如图PNO—3所示。在控制室中(非爆炸危险区)装有总线馈电源和衔接PNK(靠近过程的部件)总线主站。
在现场区(爆炸危险区)，接于总线上的有现场仪表以及手动操作仪表。并联于总线主电缆、连接现场仪表的分电缆长度应在30m以内。
针对本质安全防爆方式对该模型进行了以下研究。
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