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(kuò)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(jìn)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(jìn)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(jìn)入電氣設(shè)備,它主要考慮了兩種點(diǎn)燃機(jī)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(hù)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(yùn)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。現(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(rèn)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行驗(yàn)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(hù)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(yàn)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(jī)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(jī),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(kuò)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(jìn)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(jìn)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(jìn)入電氣設(shè)備,它主要考慮了兩種點(diǎn)燃機(jī)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(hù)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(yùn)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(rèn)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行驗(yàn)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(hù)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(yàn)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(jī)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(jī),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(kuò)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(jìn)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(jìn)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(jìn)入電氣設(shè)備,它主要考慮了兩種點(diǎn)燃機(jī)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(hù)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(yùn)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(rèn)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行驗(yàn)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(hù)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(yàn)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(jī)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(jī),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