PROFIBUS—PA現(xiàn)場總線電纜的本質(zhì)安全技術(shù)的探究

陳宇

摘 要：應(yīng)用于過程自動化的PROFIBUS-PA由于應(yīng)用IEC-物理層傳輸技術(shù)（IEC61158-2）并在PROFIBUS-DP基礎(chǔ)上擴充了非循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)（DPV1），因而能夠滿足石油、化工等行業(yè)的要求。由于在化工生產(chǎn)過程中相當(dāng)大的一部分場所具有爆炸危險性氣體存在，所以自動控制系統(tǒng)在這類場合下的應(yīng)用一定要遵從防爆安全技術(shù)規(guī)范。對BS5308中的《儀表電纜》第一部分《聚乙烯絕緣電纜規(guī)范》中的指標(biāo)與FISCO模型的要求進行對比，得出結(jié)論BS5308中的儀表電纜的指標(biāo)符合FISCO模型的規(guī)定。依據(jù)FISCO模型設(shè)計了PROFIBUS-PA型現(xiàn)場總線電纜的指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：FISCO模型；電容；電感；電阻；現(xiàn)場總線

在爆炸危險區(qū)內(nèi)本質(zhì)安全防爆（Ex-i）方式是自控設(shè)計者經(jīng)常使用的方法，本安是一種危險區(qū)域的防爆技術(shù)，原理是通過限制進入危險區(qū)域電路和設(shè)備的能量。危險區(qū)域是指有可燃性介質(zhì)存在的區(qū)域，可燃性介質(zhì)的種類很多，主要包括原油及其衍生物、酒精、天然或人工合成氣體、金屬粉塵、碳粉塵及纖維等。本安技術(shù)允許可燃性介質(zhì)進入電氣設(shè)備，它主要考慮了兩種點燃機制，即電火花和熱表面。本安防爆在過程控制系統(tǒng)工程設(shè)計、施工、工程造價以及可操作性和維護性等方面相對于其他防爆形式（Ex-d、Ex-e、Ex-m等）具有明顯的優(yōu)越性。因此PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線系統(tǒng)在運用時除了滿足功能方面外，還必須遵循本質(zhì)安全技術(shù)規(guī)定?，F(xiàn)場總線本質(zhì)安全概念（Fieldbus Intrinsically Safe Concept，現(xiàn)場總線本質(zhì)安全構(gòu)想，簡稱FISCO模型）被認為是關(guān)于普通本質(zhì)安全限制的方法，即FISCO現(xiàn)場總線解決方案。FISCO適用于EEX ia ⅡC和EEX ib ⅡC/ⅡB本安防爆方式。FISCO使得PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線以本質(zhì)安全方式安裝使用在Ex-區(qū)成為可能，以經(jīng)濟簡便的方式解決了現(xiàn)場總線的防爆應(yīng)用問題。

根據(jù)FISCO模型，對作為儲能元件的電纜，其安全技術(shù)極限值如下：

R=15…150Ω

L=0.4…1mH

C=80…200nF（當(dāng)總線電路為零電位時C=C纜芯/纜芯+0.5纜芯/屏蔽，當(dāng)屏蔽同電源一極相連時，C=C纜芯/纜芯+纜芯/屏蔽）

電纜長度：總長≤5000m

分支電纜長度（每根分支電纜）：≤30m

以上是現(xiàn)場總線本質(zhì)安全系統(tǒng)對電纜指標(biāo)的要求，而經(jīng)查閱國內(nèi)外電纜相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，英國標(biāo)準(zhǔn)BS5308中《儀表電纜》（1986版）第一部分《聚乙烯絕緣電纜規(guī)范》所描述的電纜可用于Ⅱ組本安系統(tǒng)，由于PROFIBUS-PA型總線電纜與BS5308標(biāo)準(zhǔn)中的電纜結(jié)構(gòu)相雷同，現(xiàn)對BS5308中電纜的技術(shù)指標(biāo)值進行分析如下：

電容指標(biāo)值：線對或相鄰線芯之間工作電容如表1規(guī)定：

表1 電容指標(biāo)

由于BS5308中規(guī)定的是電感/電阻比，因此對BS5308規(guī)定的電感/電阻比值進行換算，得到電纜的電感指標(biāo)如表3所示：

表2 電感/電阻比 表3 電感指標(biāo)

通過分析， BS5308中電纜的電容和電感指標(biāo)均符合FISCO模型中的指標(biāo)規(guī)定范圍，具體見表4

表4 指標(biāo)對比

通過以上分析對比，可以看出BS5308標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電纜與FISCO模型對本質(zhì)安全的要求是完全一致的，因BS5308標(biāo)準(zhǔn)中的電纜主要適用于石油和化工工業(yè)的場所，所以從另一個方面證明，F(xiàn)ISCO模型中的電纜的技術(shù)指標(biāo)值是完全可行的。

確定了電纜的電容和電感指標(biāo)范圍，如何選取其電容和電感指標(biāo)值，同時對PROFIBUS-PA型電纜而言，還有一個特性阻抗匹配的問題。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20540-2006規(guī)定，PROFIBUS-PA型電纜的特性阻抗值為（100±20）Ω，如何在特性阻抗匹配的條件下，滿足電纜的電容和電感指標(biāo)值，并盡可能減小電纜的電容和電感值是PROFIBUS-PA型現(xiàn)場總線電纜設(shè)計的關(guān)鍵之處。

根據(jù)IEC61158.2、GB/T 20540.2的要求和國外產(chǎn)品的常用結(jié)構(gòu)，設(shè)定PROFIBUS-PA電纜的導(dǎo)體采用7×？0.38mm銅線，發(fā)泡聚乙烯絕緣厚度為0.8mm，發(fā)泡度分別為65%，對PROFIBUS電纜電氣參數(shù)進行驗算如下：

電容C：電容的計算公式如下：

式中：λ為總的絞入系數(shù)，設(shè)定為1.02；εD為組合絕緣介質(zhì)的等效相對介電常數(shù)εD=（εk*Vk+εG*VG）/（Vk+VG），其中：εk為空氣介電常數(shù)1，εG為絕緣層材料（聚乙烯）的介電常數(shù)2.3，Vk為空氣所占面積，VG為絕緣層所占面積；a為兩絕緣線中心距離；d為導(dǎo)體直徑；ψ為由于接地金屬護層和鄰近導(dǎo)線產(chǎn)生影響而引起的修正系數(shù)分別為0.61。由上可算出PA電纜電容為34.5nF/km。

電感L：電感的計算公式如下：

式中： Q（x）為x=（K*d）/2的特定函數(shù)， Q（X）值為0.987；K為渦流系數(shù)為2.13； rs為屏蔽層的內(nèi)半徑；μs為屏蔽層的相對磁導(dǎo)率，銅導(dǎo)體取1。由上可算出PA電纜的電感分別為0.43 mH/km。

特性阻抗：由于PROFIBUS-PA型電纜的傳輸頻率為31.25kHz，因此其特性阻抗的計算公式為：

通過電容C和電感值L的計算，PROFIBUS-PA型電纜的特性阻抗值為111Ω，符合要求，由此驗證設(shè)定的參數(shù)是適當(dāng)?shù)摹?/p>

隨著工業(yè)水平不斷的發(fā)展，石油、化工以及機械制造業(yè)對自動化程度的不斷提高，對各種現(xiàn)場總線電纜的需求會越來越大，這對于通信、儀表電纜的生產(chǎn)制造廠家?guī)砹撕艽蟮钠鯔C，但是電線電纜生產(chǎn)制造廠家在生產(chǎn)現(xiàn)場總線電纜的過程中，要特別注意電纜使用場所對電纜的要求，因此電纜的本質(zhì)安全技術(shù)的研究得到越來越多的重視。endprint

摘 要：應(yīng)用于過程自動化的PROFIBUS-PA由于應(yīng)用IEC-物理層傳輸技術(shù)（IEC61158-2）并在PROFIBUS-DP基礎(chǔ)上擴充了非循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)（DPV1），因而能夠滿足石油、化工等行業(yè)的要求。由于在化工生產(chǎn)過程中相當(dāng)大的一部分場所具有爆炸危險性氣體存在，所以自動控制系統(tǒng)在這類場合下的應(yīng)用一定要遵從防爆安全技術(shù)規(guī)范。對BS5308中的《儀表電纜》第一部分《聚乙烯絕緣電纜規(guī)范》中的指標(biāo)與FISCO模型的要求進行對比，得出結(jié)論BS5308中的儀表電纜的指標(biāo)符合FISCO模型的規(guī)定。依據(jù)FISCO模型設(shè)計了PROFIBUS-PA型現(xiàn)場總線電纜的指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：FISCO模型；電容；電感；電阻；現(xiàn)場總線

在爆炸危險區(qū)內(nèi)本質(zhì)安全防爆（Ex-i）方式是自控設(shè)計者經(jīng)常使用的方法，本安是一種危險區(qū)域的防爆技術(shù)，原理是通過限制進入危險區(qū)域電路和設(shè)備的能量。危險區(qū)域是指有可燃性介質(zhì)存在的區(qū)域，可燃性介質(zhì)的種類很多，主要包括原油及其衍生物、酒精、天然或人工合成氣體、金屬粉塵、碳粉塵及纖維等。本安技術(shù)允許可燃性介質(zhì)進入電氣設(shè)備，它主要考慮了兩種點燃機制，即電火花和熱表面。本安防爆在過程控制系統(tǒng)工程設(shè)計、施工、工程造價以及可操作性和維護性等方面相對于其他防爆形式（Ex-d、Ex-e、Ex-m等）具有明顯的優(yōu)越性。因此PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線系統(tǒng)在運用時除了滿足功能方面外，還必須遵循本質(zhì)安全技術(shù)規(guī)定?，F(xiàn)場總線本質(zhì)安全概念（Fieldbus Intrinsically Safe Concept，現(xiàn)場總線本質(zhì)安全構(gòu)想，簡稱FISCO模型）被認為是關(guān)于普通本質(zhì)安全限制的方法，即FISCO現(xiàn)場總線解決方案。FISCO適用于EEX ia ⅡC和EEX ib ⅡC/ⅡB本安防爆方式。FISCO使得PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線以本質(zhì)安全方式安裝使用在Ex-區(qū)成為可能，以經(jīng)濟簡便的方式解決了現(xiàn)場總線的防爆應(yīng)用問題。

根據(jù)FISCO模型，對作為儲能元件的電纜，其安全技術(shù)極限值如下：

R=15…150Ω

L=0.4…1mH

C=80…200nF（當(dāng)總線電路為零電位時C=C纜芯/纜芯+0.5纜芯/屏蔽，當(dāng)屏蔽同電源一極相連時，C=C纜芯/纜芯+纜芯/屏蔽）

電纜長度：總長≤5000m

分支電纜長度（每根分支電纜）：≤30m

以上是現(xiàn)場總線本質(zhì)安全系統(tǒng)對電纜指標(biāo)的要求，而經(jīng)查閱國內(nèi)外電纜相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，英國標(biāo)準(zhǔn)BS5308中《儀表電纜》（1986版）第一部分《聚乙烯絕緣電纜規(guī)范》所描述的電纜可用于Ⅱ組本安系統(tǒng)，由于PROFIBUS-PA型總線電纜與BS5308標(biāo)準(zhǔn)中的電纜結(jié)構(gòu)相雷同，現(xiàn)對BS5308中電纜的技術(shù)指標(biāo)值進行分析如下：

電容指標(biāo)值：線對或相鄰線芯之間工作電容如表1規(guī)定：

表1 電容指標(biāo)

由于BS5308中規(guī)定的是電感/電阻比，因此對BS5308規(guī)定的電感/電阻比值進行換算，得到電纜的電感指標(biāo)如表3所示：

表2 電感/電阻比 表3 電感指標(biāo)

通過分析， BS5308中電纜的電容和電感指標(biāo)均符合FISCO模型中的指標(biāo)規(guī)定范圍，具體見表4

表4 指標(biāo)對比

通過以上分析對比，可以看出BS5308標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電纜與FISCO模型對本質(zhì)安全的要求是完全一致的，因BS5308標(biāo)準(zhǔn)中的電纜主要適用于石油和化工工業(yè)的場所，所以從另一個方面證明，F(xiàn)ISCO模型中的電纜的技術(shù)指標(biāo)值是完全可行的。

確定了電纜的電容和電感指標(biāo)范圍，如何選取其電容和電感指標(biāo)值，同時對PROFIBUS-PA型電纜而言，還有一個特性阻抗匹配的問題。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20540-2006規(guī)定，PROFIBUS-PA型電纜的特性阻抗值為（100±20）Ω，如何在特性阻抗匹配的條件下，滿足電纜的電容和電感指標(biāo)值，并盡可能減小電纜的電容和電感值是PROFIBUS-PA型現(xiàn)場總線電纜設(shè)計的關(guān)鍵之處。

根據(jù)IEC61158.2、GB/T 20540.2的要求和國外產(chǎn)品的常用結(jié)構(gòu)，設(shè)定PROFIBUS-PA電纜的導(dǎo)體采用7×？0.38mm銅線，發(fā)泡聚乙烯絕緣厚度為0.8mm，發(fā)泡度分別為65%，對PROFIBUS電纜電氣參數(shù)進行驗算如下：

電容C：電容的計算公式如下：

式中：λ為總的絞入系數(shù)，設(shè)定為1.02；εD為組合絕緣介質(zhì)的等效相對介電常數(shù)εD=（εk*Vk+εG*VG）/（Vk+VG），其中：εk為空氣介電常數(shù)1，εG為絕緣層材料（聚乙烯）的介電常數(shù)2.3，Vk為空氣所占面積，VG為絕緣層所占面積；a為兩絕緣線中心距離；d為導(dǎo)體直徑；ψ為由于接地金屬護層和鄰近導(dǎo)線產(chǎn)生影響而引起的修正系數(shù)分別為0.61。由上可算出PA電纜電容為34.5nF/km。

電感L：電感的計算公式如下：

式中： Q（x）為x=（K*d）/2的特定函數(shù)， Q（X）值為0.987；K為渦流系數(shù)為2.13； rs為屏蔽層的內(nèi)半徑；μs為屏蔽層的相對磁導(dǎo)率，銅導(dǎo)體取1。由上可算出PA電纜的電感分別為0.43 mH/km。

特性阻抗：由于PROFIBUS-PA型電纜的傳輸頻率為31.25kHz，因此其特性阻抗的計算公式為：

通過電容C和電感值L的計算，PROFIBUS-PA型電纜的特性阻抗值為111Ω，符合要求，由此驗證設(shè)定的參數(shù)是適當(dāng)?shù)摹?/p>

隨著工業(yè)水平不斷的發(fā)展，石油、化工以及機械制造業(yè)對自動化程度的不斷提高，對各種現(xiàn)場總線電纜的需求會越來越大，這對于通信、儀表電纜的生產(chǎn)制造廠家?guī)砹撕艽蟮钠鯔C，但是電線電纜生產(chǎn)制造廠家在生產(chǎn)現(xiàn)場總線電纜的過程中，要特別注意電纜使用場所對電纜的要求，因此電纜的本質(zhì)安全技術(shù)的研究得到越來越多的重視。endprint

摘 要：應(yīng)用于過程自動化的PROFIBUS-PA由于應(yīng)用IEC-物理層傳輸技術(shù)（IEC61158-2）并在PROFIBUS-DP基礎(chǔ)上擴充了非循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)（DPV1），因而能夠滿足石油、化工等行業(yè)的要求。由于在化工生產(chǎn)過程中相當(dāng)大的一部分場所具有爆炸危險性氣體存在，所以自動控制系統(tǒng)在這類場合下的應(yīng)用一定要遵從防爆安全技術(shù)規(guī)范。對BS5308中的《儀表電纜》第一部分《聚乙烯絕緣電纜規(guī)范》中的指標(biāo)與FISCO模型的要求進行對比，得出結(jié)論BS5308中的儀表電纜的指標(biāo)符合FISCO模型的規(guī)定。依據(jù)FISCO模型設(shè)計了PROFIBUS-PA型現(xiàn)場總線電纜的指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：FISCO模型；電容；電感；電阻；現(xiàn)場總線

在爆炸危險區(qū)內(nèi)本質(zhì)安全防爆（Ex-i）方式是自控設(shè)計者經(jīng)常使用的方法，本安是一種危險區(qū)域的防爆技術(shù)，原理是通過限制進入危險區(qū)域電路和設(shè)備的能量。危險區(qū)域是指有可燃性介質(zhì)存在的區(qū)域，可燃性介質(zhì)的種類很多，主要包括原油及其衍生物、酒精、天然或人工合成氣體、金屬粉塵、碳粉塵及纖維等。本安技術(shù)允許可燃性介質(zhì)進入電氣設(shè)備，它主要考慮了兩種點燃機制，即電火花和熱表面。本安防爆在過程控制系統(tǒng)工程設(shè)計、施工、工程造價以及可操作性和維護性等方面相對于其他防爆形式（Ex-d、Ex-e、Ex-m等）具有明顯的優(yōu)越性。因此PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線系統(tǒng)在運用時除了滿足功能方面外，還必須遵循本質(zhì)安全技術(shù)規(guī)定?，F(xiàn)場總線本質(zhì)安全概念（Fieldbus Intrinsically Safe Concept，現(xiàn)場總線本質(zhì)安全構(gòu)想，簡稱FISCO模型）被認為是關(guān)于普通本質(zhì)安全限制的方法，即FISCO現(xiàn)場總線解決方案。FISCO適用于EEX ia ⅡC和EEX ib ⅡC/ⅡB本安防爆方式。FISCO使得PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線以本質(zhì)安全方式安裝使用在Ex-區(qū)成為可能，以經(jīng)濟簡便的方式解決了現(xiàn)場總線的防爆應(yīng)用問題。

根據(jù)FISCO模型，對作為儲能元件的電纜，其安全技術(shù)極限值如下：

R=15…150Ω

L=0.4…1mH

C=80…200nF（當(dāng)總線電路為零電位時C=C纜芯/纜芯+0.5纜芯/屏蔽，當(dāng)屏蔽同電源一極相連時，C=C纜芯/纜芯+纜芯/屏蔽）

電纜長度：總長≤5000m

分支電纜長度（每根分支電纜）：≤30m

以上是現(xiàn)場總線本質(zhì)安全系統(tǒng)對電纜指標(biāo)的要求，而經(jīng)查閱國內(nèi)外電纜相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，英國標(biāo)準(zhǔn)BS5308中《儀表電纜》（1986版）第一部分《聚乙烯絕緣電纜規(guī)范》所描述的電纜可用于Ⅱ組本安系統(tǒng)，由于PROFIBUS-PA型總線電纜與BS5308標(biāo)準(zhǔn)中的電纜結(jié)構(gòu)相雷同，現(xiàn)對BS5308中電纜的技術(shù)指標(biāo)值進行分析如下：

電容指標(biāo)值：線對或相鄰線芯之間工作電容如表1規(guī)定：

表1 電容指標(biāo)

由于BS5308中規(guī)定的是電感/電阻比，因此對BS5308規(guī)定的電感/電阻比值進行換算，得到電纜的電感指標(biāo)如表3所示：

表2 電感/電阻比 表3 電感指標(biāo)

通過分析， BS5308中電纜的電容和電感指標(biāo)均符合FISCO模型中的指標(biāo)規(guī)定范圍，具體見表4

表4 指標(biāo)對比

通過以上分析對比，可以看出BS5308標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電纜與FISCO模型對本質(zhì)安全的要求是完全一致的，因BS5308標(biāo)準(zhǔn)中的電纜主要適用于石油和化工工業(yè)的場所，所以從另一個方面證明，F(xiàn)ISCO模型中的電纜的技術(shù)指標(biāo)值是完全可行的。

確定了電纜的電容和電感指標(biāo)范圍，如何選取其電容和電感指標(biāo)值，同時對PROFIBUS-PA型電纜而言，還有一個特性阻抗匹配的問題。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20540-2006規(guī)定，PROFIBUS-PA型電纜的特性阻抗值為（100±20）Ω，如何在特性阻抗匹配的條件下，滿足電纜的電容和電感指標(biāo)值，并盡可能減小電纜的電容和電感值是PROFIBUS-PA型現(xiàn)場總線電纜設(shè)計的關(guān)鍵之處。

根據(jù)IEC61158.2、GB/T 20540.2的要求和國外產(chǎn)品的常用結(jié)構(gòu)，設(shè)定PROFIBUS-PA電纜的導(dǎo)體采用7×？0.38mm銅線，發(fā)泡聚乙烯絕緣厚度為0.8mm，發(fā)泡度分別為65%，對PROFIBUS電纜電氣參數(shù)進行驗算如下：

電容C：電容的計算公式如下：

式中：λ為總的絞入系數(shù)，設(shè)定為1.02；εD為組合絕緣介質(zhì)的等效相對介電常數(shù)εD=（εk*Vk+εG*VG）/（Vk+VG），其中：εk為空氣介電常數(shù)1，εG為絕緣層材料（聚乙烯）的介電常數(shù)2.3，Vk為空氣所占面積，VG為絕緣層所占面積；a為兩絕緣線中心距離；d為導(dǎo)體直徑；ψ為由于接地金屬護層和鄰近導(dǎo)線產(chǎn)生影響而引起的修正系數(shù)分別為0.61。由上可算出PA電纜電容為34.5nF/km。

電感L：電感的計算公式如下：

式中： Q（x）為x=（K*d）/2的特定函數(shù)， Q（X）值為0.987；K為渦流系數(shù)為2.13； rs為屏蔽層的內(nèi)半徑；μs為屏蔽層的相對磁導(dǎo)率，銅導(dǎo)體取1。由上可算出PA電纜的電感分別為0.43 mH/km。

特性阻抗：由于PROFIBUS-PA型電纜的傳輸頻率為31.25kHz，因此其特性阻抗的計算公式為：

通過電容C和電感值L的計算，PROFIBUS-PA型電纜的特性阻抗值為111Ω，符合要求，由此驗證設(shè)定的參數(shù)是適當(dāng)?shù)摹?/p>

隨著工業(yè)水平不斷的發(fā)展，石油、化工以及機械制造業(yè)對自動化程度的不斷提高，對各種現(xiàn)場總線電纜的需求會越來越大，這對于通信、儀表電纜的生產(chǎn)制造廠家?guī)砹撕艽蟮钠鯔C，但是電線電纜生產(chǎn)制造廠家在生產(chǎn)現(xiàn)場總線電纜的過程中，要特別注意電纜使用場所對電纜的要求，因此電纜的本質(zhì)安全技術(shù)的研究得到越來越多的重視。endprint