2005年5月13日控制工程在线更新

在今天，没有数字数据通信的自动化生产工厂的控制几乎是不可想象的。在工厂自动化中，通过基于总线的数据网络传输和控制所有工厂功能的信号是最先进的技术。

然而，在过程自动化中，数字总线技术的应用还比较缓慢。其原因不仅在于工厂寿命长和创新周期长，还在于这些生产设施的独特要求。对工厂可用性、运行可靠性的巨大要求，特别是对爆炸/危险环境中的安全性要求，需要可靠的技术和保护机制。此外，还需要传感器和执行器电源，该电源采用用于传输测量值和控制信号的相同电缆，如4-20 mA技术。

/爆炸危险区域
在第1区和第1类中广泛使用的防爆保护方法是本质安全Ex I。使用这种方法，在电气回路中限制能量，以防止形成可能点燃周围气体混合物的火花。按照这些本质安全规则设计的设备即使在存在爆炸危险的环境条件下也可以进行维护和修理工作。使用传统的4-20 mA技术，通过适当的防爆屏障或远程I/O接口模块来实现每个单独现场设备回路中的能量限制。对于这些循环中的每一个，必须单独确认和记录内在安全性。

现场总线的一个显著优点是能够用一根电缆将多个现场设备连接到被称为主机的控制系统的数字通信卡。通过选用合适的电源模块，可以实现分段的本质安全供电。不幸的是，实现本质安全所需的能量限制大大减少了可以连接到一个回路的设备数量。

通过计算来确认本质安全的方法被称为实体模型。这个模型允许在一个段上有6到8个设备，而不是最大可能的31个。由德国布伦瑞克的物理技术联邦研究中心进行的一项实证研究产生了现场总线本质安全概念(FISCO)4。这个概念允许多达10个现场设备连接到一个本质安全的现场总线段，对电缆和支线长度有很大的限制，对设备参数和电缆质量有严格的要求。

直到最近，这成为过程自动化中普遍接受现场总线技术的一个重大障碍，因为安装本质安全现场总线技术所需的投资远远超过了收益。现场总线设备的明显优势，如增强的诊断能力、预防性维护和扩展的功能，由于相当大的投资成本而无法实现。

现场总线安装技术的最新发展使用户即使在有爆炸危险的环境中也能充分发挥其优势。与传统技术相比，它甚至可以降低投资成本。

这一目标是通过远离纯粹的本质安全，并转向两种防爆方法的组合来实现的:1)增加安全Ex e Div. 2布线方法和2)本质安全Ex i (I.S.)。

这些概念将防爆按功能划分。固有安全虽然有很多优点，但仅限于管段的必要部分，即单个现场设备及其连接柱。无源布线级别(主干线电缆和现场总线分布)按保护方法Ex e或Div. 2布线方法设计。因此，它不受能量限制，这允许在现场总线主干上耦合高电源电流。现在，在危险区域和安全区域，最大数量的参与者和最大长度的电缆是可能的。

该概念的核心部分是现场总线屏障，它集成了现场总线分布和本质安全隔离的功能。磁场屏障允许非美国的菊花链。大功率干线，完全像一个典型的接线盒，但提供四个本质安全输出连接现场设备。这一场屏障概念(图1)构成了FuRIOS研究5的基础(由欧洲化学工业的主要用户进行)。因此，以前阻碍在爆炸危险区域采用现场总线技术的任何限制都不再存在。

适应保护机制
如果4- 20ma技术出现功能性故障，则只有受影响的传感器或执行器会失效。由于传统的一对一布线，引线断裂或短路只影响一个信号回路，这通常不会导致重大的工厂停机时间。然而，使用现场总线技术，这变得更加关键，因为一个部分的故障会影响多个参与者，在最坏的情况下可能会影响31个现场设备。

综合现场总线安装系统提供了一系列的保护机制。为了防止一个连接支路的短路对其余支路产生负反馈，应使用具有短路电流限制的接线盒。根据Ex nA[L]设计，这些接线盒提供非燃烧输出，可用于安全区域以及2区I类2类。因此，可以将各种防爆方式的现场设备集成到现场总线通信中。

在1区I类，Div. 1的本质安全杂散的相同短路保护被集成到现场屏障中，它本身可以安装在1区I类，Div. 2中。按照隔爆防爆方法Ex d设计的现场设备，连接时可选用适当的分段保护器。

对于现场总线电源，通过使用无源滤波模块，可以实现较高的故障安全裕度。这些都是高度可靠的，散发很少的热量，从而负担环境只有最低限度。此外，电源组件可以冗余安装，与电源调节器或电源集线器。后者具有各种绝缘级别，直至完全电隔离，并包括用于控制现场总线段的特定诊断模块，以及不安全操作条件的指示。

为了保证安全、无干扰的数字通信，每个现场总线段都需要现场总线终端电阻。传输电缆需要在平衡和屏蔽方面具有卓越的质量，以保护数据传输免受外部噪声辐射。最先进的现场总线安装系统允许使用不同的屏蔽和接地概念，特别是在Profibus技术指南2和基金会现场总线应用指南AG-163的修订2中推荐的电容接地概念。

现场总线在现实中的安装
图2显示了一个完整的拓扑结构，它遵循了带有集成现场总线过程接口的现场总线屏障概念。根据FuRIOS的研究，自2003年以来，欧洲几家主要的化学生产厂都根据这一概念配备了设备，其中规模较小的装置已投入使用。

一系列目前起草的工厂设计，包括现场总线屏障拓扑和现场总线过程接口，表明现场总线技术在过程自动化中的接受度越来越高。新的工厂设计越来越多地基于全现场总线通信，并得到相应的优化，从而获得FuRIOS研究建议的全部好处。对于拥有4- 20ma技术或远程I/O系统的现有工厂，特定的迁移策略为未来的现场总线铺平了道路6。这使得在几年的时间里，使用定期维护停机时间将现有工厂改造为现代现场总线通信，而不会对正常生产过程造成重大干扰。

Thomas Kasten是俄亥俄州特温斯堡Pepperl+Fuchs公司的产品营销经理;www.am.pepperl-fuchs.com

1.凯格尔:自动化的未来，电子杂志第13版，2002年

2.PROFIBUS PA用户和安装指南，PROFIBUS Nutzerorganisation e.v.， 2003

3.Tauchnitz, T.， Schmieder, W.， Seintsch, S.: FuRIOS:现场总线和远程I/O -一个系统比较，atp自动化技术实践44(2002)，第12版

4.Johannsmeyer, U:现场总线系统本质安全的研究，PTB-Bericht W-53e，德国工业技术学院，布伦瑞克1994

5.Kasten, T.: FuRIOS研究的适用性，atp自动化技术实践45(2003)，第3版

6.Westers, T.， m nkel, M.:从星形电缆到现场总线，Chemietechnik no。2003