现场总线本安防爆性能分析及研究

余爱生

（中海油天津化工设计院有限公司）

0 引言

近年来数字化网络通信越来越广泛应用于我国石化领域及煤炭工业生产自动控制、通信系统中。鉴于我国煤炭工业生产具有高瓦斯浓度矿井多、地质条件复杂、开采深度深等特点，为确保如煤矿安全生产监控系统等煤矿生产自动监测、监控、通信系统的自身安全性能，在我国《煤矿安全生产规程》中第160条明确要求：防爆型煤矿安全监控设备之间的传输信号必须为本安型信号。因此目前我国矿用的安全生产监控系统、人员管理系统实际上就是利用现场总线技术根据我国煤矿生产的特殊条件进行适当改进后的本安型现场总线防爆系统。系统中传感器与分站之间的信号传输还基本采用“点对点”式频率量信号或模拟量信号传输方式，而分站与井上中央控制机之间、分站之间的通信则采用了现场总线技术。因此本文将围绕现场总线通信信号及通信电路对现场总线本安防爆性能影响的研究。

1 常规现场总线应用

经过十几年的发展，现场总线现协议已多达到几十种，其中包括：CAN现场总线；Profibus现场总线；P-Net现场总线等。但IEC 61158国际标准在制定时都没考虑到煤矿生产的特殊环境，所以煤矿监测、监控系统中通常不能直接使用这些标准化的现场总线协议，而需根据煤矿的特殊环境要求进行适当的改造扩充。目前我国煤矿生产监测、监控系统中应用最普遍的是RS485总线和CAN总线。

1.1 RS485总线

RS485总线是一种用于设备联网的、经济型的、传统的工业总线方式，其特点是：传输距离远，理论上485总线的通信距离可以达到1200m；有多点传输能力，即总线上允许挂接多个接收器，可以建立设备网络，理论上485总线可以带128台设备进行通信，单独组网，而不会受到其他设备的共用网络的干扰；系统布线简单，实施简单方便，技术较成熟，被普遍认为是一种简单、稳定、成熟的工业总线结构。因此我国较早的煤矿监测、监控系统多采用该总线技术。但 RS485总线的外围终端器设计较困难，其通信协议极不标准化，是一种非标准的现场总线。所测典型的485信号波形如图1所示。

1.2 CAN总线

CAN总线也称之为控制器局部网，是由德国BOSCH公司从20世纪80年代初开发的一种串行数据通信协议。其特点是：传输距离远，直接通信距离最远可达 10km；传输速率快，通信速率最高可达1Mbps；多主工作方式，网络上任何一个节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从；数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性；系统结构简单，性价比高；抗干扰性强，数据出错率低。最关键的是在于CAN总线是一种具有国际标准的现场总线，传输可靠，实时性高，通信协议标准化。因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。目前我国煤矿监测、监控系统也越来越多采用这一总线技术。所测典型的CAN总线信号波形如图2所示。

图1 485信号波形

图2 CAN总线信号波形

1.3 现场总线通信编码信号的电气能量分析

本质安全防爆原理的核心在于将电路中的电气能量控制在一定的范围内，使电路无论是在正常工作状态还是在故障状态下产生的火花能量均不能点燃周围爆炸性气体环境，以确保电路和设备的安全性能。电路中的电气能量计算公式为：

式中，U为电路电压；L为电路电感；I为电路电流；C为电路电容。

根据上述公式计算，对于电阻性电路，其电路中的电气能量与电路中的电压、电流有关；对于电感性电路，其电路中的电气能量与电路中的电流、电感有关；对于电容性电路，其电路中的电气能量与电路中的电压、电容有关。现场总线通信编码信号的电气能量直接影响到现场总线的本安防爆性能。现场总线设备的通信电路基本可看作是电阻性电路，因此现场总线通信编码信号的电气能量主要与其电压、电流值有关。由所测得485编码信号波形及CAN编码信号波形可见：现场总线通信编码信号的电压峰-峰值 Vp-p均在通信电路的工作电压范围内，即：对于双极性电源供电电路 Vp-p≤2Ve，对于单极性电源供电电路Vp-p≤2Ve。为使现场总线既要尽可能多带负载又能达到本安防爆要求，所以通信电路的工作电压 Ve应优选5V。

2 现场总线设备中通信电路的分析研究

由上述电路中的电气能量计算公式可知，现场总线设备中通信电路的最大内部电容和最大内部电感是影响现场总线本安防爆性能的因素。本安现场总线设备通信电路的最高输入电压Ui、最大输入电流Ii、最大内部电容 Ci、最大内部电感 Li与本安总线电源（关联设备）的最高输出电压Uo、最大输出电流Uo、最大外部电容 Co、最大外部电感 Lo的参数匹配应符合：

典型的485信号通信电路和CAN信号通信电路分别如图3、图4所示。

图3 RS485信号通信电路

图4 CAN信号通信电路

分析图3、图4的电路，电路中均无电感，即使有些电容也是用于滤波，其电容值相当小，所以这些电路可认为是电阻性电路。由实测所得的485编码信号和CAN编码信号参数表1、表2可见：现场总线上编码信号的电压峰-峰值 Vp-p不超过通信电路的工作电压，0km处的最大电路电流也不超过 100mA。但对于由外部独立电源就地供电的现场总线设备而言，若考虑到计数故障和非计数故障的因素直流电源信号有可能通过通信电路叠加到编码信号上，从而影响现场总线的本安防爆性能，与供电电源电路一样，通信电路也应采取隔离措施（如用光耦），以保证其外部电源电路及相关的电路和与总线直接连接的通信电路之间完全隔离。

表1 485编码信号

表2 CAN编码信号

3 通信介质对现场总线本安防爆性能影响的研究

本安现场总线防爆系统中的通信介质——通信电缆因其有分布电容和分布电感，是影响总线现场本安防爆性能的重要因素。IEC 61158−2物理层规范规定了4种通信电缆，它们分别为：A型屏蔽双绞线、B型屏蔽多对双绞线、C型无屏蔽双绞线和D型多芯屏蔽电缆。目前我国煤矿监测、监控系统中使用的通信电缆也基本为以上型式的电缆，其分布参数大约为：13Ω/km、0.8mH/km、0.06μF/km，每公里仿真线电路图如图5所示。

图5 1km电缆仿真线电路图

以“参量认证”技术理论分析：通信电缆的分布电容 Cc、分布电感 Lc，本安现场总线电源（关联设备）的最大外部电容 Co、最大外部电感 Lo，本安现场总线设备通信电路的最大内部电容 Ci、最大内部电感Li的参数匹配应符合：

但“参量认证”技术理论基于这样一个假设：即将通信电缆的分布电容、分布电感视为集中参数，实际的通信电缆还有分布电阻，其分布电容、分布电感、分布电阻等效为一个“工”字形结构电路。

4 结束语

通过对典型 485总线信号及信号 CAN总线带0～10km通信电缆仿真线参数的测试和本安火花点燃试验验证，实际通信电缆分布电容、分布电感在可燃性气体中火花点燃性能的影响程度要比按集中参数考虑的影响程度小的多。同时，从表1、表2可以看出，现场总线设备上的编码信号的电气能量经10km传输后其衰减相当大，所以，经试验研究表明，长度范围 0～10km的电缆对本安型现场总线防爆系统的本安防爆性能不会造成很大影响。