第八章-PROFIBUS-PA及DP-V1

('第八章PROFIBUS-PA及DP-V18.1PROFIBUS-PA概述8.1.1PA概述我们知道工业控制领域的控制对象千差万别，这样对控制系统的具体要求也不一样，每种现场总线都有它最适用的控制场合，这也就是今天许多现场总线并存的一个重要原因PROFIBUS-DP在世界范围的现场总线应用中占有重要的地位，它主要应用于制造业领域（开关量为主）。过程控制是工业自动控制中的最主要的分支之一。在石油化工行业里，过程控制占主导地位。为了适应市场需要，PI在公布DP的标准后不久，又推出了PA标准。PROFIBUS-PA在2000年底和PROFINET一起被补充到了IEC61158中。PROFIBUS-PA专为过程控制应用程序而设计，通俗地理解就是它取代了过程控制中传统的4~20mA标准信号。它是PROFIBUS-DP的延伸和扩展，所以PA的通信协议也称为DP-V1，它和DP-V0可以同时存在于一个系统中。过程控制的主要特点是以模拟量控制为主，各种控制参数、报警参数较多，系统对安全性要求较高。在PA中，从它的通信模型、通信协议和行规里都体现出了适合于过程控制要求的特点。各种变送器、阀和执行器等都可以做成符合PA要求的从站，连接到PA网络中。在PROFIBUS-PA中，采用现场设备工具/设备类型管理器（FDT/DTM）技术后，可以使高水平的工厂资源管理和优化得以实现。另外，在PROFIBUS-PA中使用了总线供电方式，引入了现场总线本质安全概念（FISCO），使其可以方便地应用于存在爆炸危险的场合。PROFIBUS-PA完全符合要求最严格的化学工业过程控制的需要，同时也在污水处理、石化、电力等所有过程控制的行业得到了广泛的应用。自从PA出现后，它的设备安装总数每年都在以翻番甚至更快的速度增长。8.1.2PA的技术特点PROFIBUS-PA之所以在过程控制中得到了广泛的应用，是由它独特的技术来保证的。其主要技术特点是：1）PA使用DP-V1通信协议进行通信。DP-V1是DP-V0的扩展，它不仅有循环数据通信，而且还有非循环数据通信。循环数据通信完成一般的数据测量值和设备的实时状态等数据的交换，保证了控制的快速性；非循环数据交换主要用于过程数据的上下限范围设定值、报警范围设定值，以及制造商的一些特殊数据的通信。2）PA在从站设备的行规中定义了应具有的特性，从而保证了不同设备制造商产品的互操作性和互换性。从站设备的行规对设备的公共参数和基本功能，以及参数的测量值、附加特征、工程单位都做了详细规定，而且还对设备的工程维护、诊断功能、识别功能等复杂的应用功能做了详细的规定，从而保证了不同制造商产品之间的可互换性。3）PA使用IEC61158-2中规定的同步传送技术，通过总线供电模式，PA可以在有爆炸危险的场合使用。曼彻斯特总线供电（MBP）技术允许数字信号和设备电源通过同一电缆传送，符合在危险场合设备使用的规定，所以可以在防爆区域使用。4）PA使用FISCO模式，使得本质安全网络得以延伸。FISCO是一种新的本质安全应用的更有效的方法，它的根本特点就是充分利用了危险场合所允许的最大负载电流的规定所以扩大了本质安全设备的使用数量和范围。5）在PA的从站设备中，引入了电子设备描述语言（EDDL）、FDT/DTM的概念，提高了设备的管理水平，同时也打下了优化资产管理的基础。8.1.3过程控制使用PA的优点1过程控制使用PROFIBUS-PA可以带来一系列的好处，这主要体现在：1）减少了各种费用项目设计、建设费用降低，大大节省了安装和电缆费用，维修费用降低，本质安全部分的费用降低。2）投资可以得到保护统一的标准，认证的设备，不依赖于任何制造商的产品。3）高品质的服务完善的在线诊断手段，大量可供选择的产品，具有互换性的设备。4）优化资产管理高品质的工厂，减少库存，新旧产品的兼容性。8.2PROFIBUS-PA的通信协议在第6章中，已讨论过PROFIBUS的协议结构，这里再回忆一下有关PA的部分。PA的协议结构由四层组成，即物理层、数据链路层、应用层和它本身的行规。物理层采用IEC61158-2技术。8.2.1IEC61158-2的特点基于IEC61158-2的同步传送技术的特点主要有：\uf06c数据传送其方式为数字式、位同步、电压模式，固定的波特率为31.25kbit/s，曼彻斯特编码。\uf06c数据可靠性采用前同步信号和起、止界定符来避免差错。\uf06c电缆使用双绞线屏蔽电缆。\uf06c爆炸场合的保护本质安全（Exia/ib）。\uf06c远程供电通过信号电缆实现。\uf06c网络拓扑可以是线形、树形、星形或混合形。\uf06c站点数量总的站点数量可达126个，每段可达32个，但这个数目会随着本质安全的需要而大幅度地减少，具体数量要根据系统总的电流损耗量而定。\uf06c电缆长度最长可达1900m；在危险区域最长可达1000m。\uf06c中继器最多可扩展至4台，使用中继器可使电缆距离延伸到10km。8.2.2DP-V1通信协议的特点DP-V1通信协议的特点主要有：1.总线存取主站之间采用令牌传递方式，主站和从站之间采用轮询方式。2.通信\uf06c单一传送和广播服务；\uf06c一般数据交换采用循环通信方式；\uf06c报警、诊断和参数设定采用非循环通信方式。3.实现功能\uf06c主站和从站之间实时数据进行循环交换；\uf06c动态激活和解除从站；\uf06c分析从站组态；\uf06c通过总线实现从站的地址设定；\uf06c每个从站的输入和输出数据可多达244字节。4.系统安全保证\uf06c所有信息的海明距离（HD）为4；\uf06c从站的响应检测可识别主站的异常；\uf06c从站的I/O存取保护可阻止非授权主站进入；\uf06c看门狗定时器的设置。28.2.3DP-V1的组成DP-V1是DP-V0的扩展版本。PI对PROFIBUS所有的扩展最基本的要求就是必须保证新版本向下的兼容性，所以当具有更强的扩展功能的PROFIBUS设备工作在基本的DP系统中时，不会发生任何问题。为了能使用DP的扩展功能，要求DP主站和相应的从站必须支持DP-V1功能。DP-V1包括循环数据（I/O数据）交换和专为过程控制而设计的非循环数据（变量和参数）交换，非循环数据主要指过程参数的上下限和报警范围，以及制造商的一些特殊数据。非循环数据的交换对实时性的要求不是很高，所以其中某个数据的交换不一定在同一个总线循环周期内完成。典型的DP-V1的总线循环周期如图8-1所示。从第6章对PROFIBUS应用层的讲解中可以知道，在非循环数据交换中，1类主站和从站之间的通信属于MS1通信；2类主站和从站之间的通信属于MS2通信。所以DP-V1的通信由循环通信MS0和非循环通信MS1、MS2组成。8.3PROFIBUS-PA的系统结构在PROFIBUS系统网络中，PA的设备必须由DP段的主站控制。DP和PA的物理层不同，DP一边是RS485、异步非归零（NRZ）编码、波特率可变，PA一边是IEC61158-2、同步Manchester编码、波特率固定为31.25kbit/s。所以它们之间必须通过一个转换设备连接，这个转换设备就是耦合器或连接模块，它在PA网络中非常重要。PA段设备的拓扑形式可以是线形、树形，或它们的混合形式。线形连接时，各个从站设备直接挂接在PA总线上；树形连接时，数个从站设备可以从一个分配器上连接，该分配器连接在PA总线上。每一个PA段的从站设备数量最多为32个，但受消耗电流总量的限制和适用场合的影响，一般要少于这个数目。图8-2为一个典型的PROFIBUS系统，其中的PA拓扑为线形连接。下面简单地介绍耦合器和连接模块，有关详细的使用请参考其说明书。耦合器和连接模块都可以起到连接DP和PA的作用，所以其原理基本上是一样的，但在使用时有一些区3图8-1典型的DP-V1的总线循环周期图8-2典型的PROFIBUS系统别。使用耦合器时，DP段的波特率不能太高，一般为45.45kbit/s（使用SIEMENS公司耦合器）或93.75kbit/s(使用Pepperl+Fuchs公司非模块型耦合器)。现在Pepperl+Fuchs公司的另一种KL系列模块型耦合器允许DP段的波特率最高可达12Mbit/s。耦合器不占用设备地址，PA段的从站设备的地址和DP段的设备一起统一编排，它们之间的地址不能重叠。使用耦合器时，主站的参数设置必须正确，即按规定的数据设置。图8-3所示为使用耦合器的PROFIBUS网络。使用连接模块时，该连接模块要占用一个DP网络中的从站地址，它和连接在其下面的PA设备一起就像一个DP从站一样，但它对PA从站来说又是一个主站。PA部分的设备地址可以和DP部分的设备地址重叠。使用连接模块时，DP可以在各种允许的波特率下运行。一个连接模块中通常集成多个即插式耦合器去驱动几个PA网段。但PA部分从站设备的组态比使用耦合器要复杂一些。一般情况下，使用耦合器比使用连接模块要多。使用连接模块的PROFIBUS网络如图8-4所示。8.4PROFIBUS-PA行规8.4.1概述在PROFIBUS的标准里定义了主站和从站之间进行通信的最基本的要求，在其行规中清楚地定义了智能装置的参数规范、I/O数据排列、操作方式和性能。行规是独立于任何制造商的，它用来保证现场总线设备之间的互换性和互操作性。PA设备的行规定义了不同类别4图8-3使用耦合器的PROFIBUS网络图8-4使用连接模块的PROFIBUS网络的过程控制设备的所有功能和参数，它们包括典型的从过程传感器信号到在过程控制系统中与测量值一起被读出的预处理过程值的信号流，甚至智能传感器中的测量值的质量状态智能执行器和阀中的预维护信息都在行规中定义。PA设备行规包括通用要求和设备数据单两个文本。通用要求部分包括所有设备类型的现行有效的技术规范；设备数据单包括一些特殊设备类型的已认可的技术规范。在PA行规中定义了所有通用的过程控制装置行规。主要的设备数据单有：\uf06c压力和差压；\uf06c液位、温度和流量；\uf06c模拟量和数字量的输入和输出；\uf06c阀门和执行机构；\uf06c分析仪器；\uf06c控制器。PROFIBUS装置必须符合PROFIBUS通信协议和行规的要求。8.4.2PA装置中的块模型在过程控制设计中，人们常用块来描述某个控制点上的一个测量点或多个测量点的特性和功能，并且通过这些类型的块的组合来表达一个自动化应用。这些块的使用保证了设备的互换性和开放性。PA装置中块的类型有：1）物理块（PB）包含设备（硬件）的特征数据，例如设备名称、制造厂商、软硬件版本号、设备序列号，以及制造商的一些特殊诊断信息等。物理块所包含的信息都是独立于测量和执行过程的，这样就保证了功能块、变送块和设备的硬件无关。每个设备中只能有一个物理块。物理块的主要作用有：复位设备到出厂时的设定值，记录应用过程、安装信息等等。2）变送块（TB）由传感器传送过来的信号经过处理后传递到功能块中，或由功能块过来的数据结果还原后送到执行器去，控制执行器的动作。变送块提供了一个把传感器、执行器和功能块隔离的独立接口，变送块中的数据反映的是正在采集到的现场数据或是即将输出给执行器的控制数据。变送块中包含处理所需要的全部数据，如果系统中不需要这些处理，那么可以不要TB。3）功能块（FB）对传感测量设备来说，在传送到控制系统之前对测量值进行最终处理所需要的所有数据都包含在FB中；对执行器来说，在控制系统对其进行控制之前，对其进行控制所需要的所有数据也包含在FB中。它的主要功能是对这些数据进行一些智能化的处理。4）设备管理器（DM）PA设备中还包含一个设备管理器，它用来描述设备的结构和组织；另外它还包含着数据字典或数据一览表。设备中块和块中的数据存放位置、每个块中有多少项目等等都是由设备管理器告诉我们的。一个测量传感仪表的快模型如图8-5a所示，一个阀执行器的块模型如图8-5b所示。一个PA设备可以是单通道的，比如一些简单的过程控制智能设备只包含一个模块，模块中只有一个测量值；一个PA设备也可能是多通道的，所以它有可能包含多个TB和FB，一般来说复杂的装置可能包含多个模块，可以提供多个测量值供用户使用。例如智能质量流量计，它就可以提供瞬时流量测量值，也可以提供流体的实时温度测量值，还可以告诉该流体的密度是多少等等。多通道的PA装置块模型如图8-6所示。5PB、TB和FB等块中的参数摆放次序和语义等都在行规中进行了规定。块中的参数用来实现各种各样的装置功能，它们有些是必需的，有些是可选的。它们用属性来定义，这些属性包括数据类型、变量类型（输入、输出或中间变量）、通信类型（循环或非循环）等。8.4.3PA行规中的信号链PA设备中信息处理的各种步骤和处理过程可以用一个信号链来表示，图8-7所示是传感器信号链示意图。信号链可以划分为两个子过程：1）测量（对传感器）/执行（对执行器）：该过程主要完成的功能是对参数进行校准、线性化、定标换算等，它包含在变送块中。2）预处理测量值（对传感器）/后处理设置值（对执行器）：该过程主要完成的功能是对参数进行筛选、限定值控制、故障安全行为、运行模式选择等，它包含在功能块中。PA行规中对信号链中的每一步功能和参数都进行了详细的规定，作为例子下面就其中主要的几个环节讲解如下：6图8-5PA装置中的块模型a）测量传感仪表的块模型b）阀执行器的块模型图8-6多通道的PA装置块模型1）校准功能：在该环节中，要使得输出值适合测量范围，在确定好高校准点和低校准点后，就可以确定转换后测量值输出的标准范围了。标准上限对应高校准点，标准下限对应低校准点。校准功能示意图如图8-8所示。2）限值检查控制：在该环节中，设置了测量参数的上限警告值、下限警告值、上限报警值和下限报警值，有了该环节，就可以检查出实时测量值是否超出限值范围。限值检查和控制环节功能示意图如图8-9所示。3）值状态：值的状态信息被附加到测量值上，这些信息说明了测量值的质量好坏。在指定给每个质量等级的子状态上提供的附加信息有：不好；不确定；好。4）故障安全特性：PA还可以提供故障安全特性。如果在测量链中出现了错误，则将设备的输出设置为用户可以定义的值。8.4.4PA设备中的数据及其表示方法PA中的数据分循环数据和非循环数据。循环数据包括实时测量值和测量值的质量状态；非循环数据包括测量范围、滤波时间、报警/警告上下限值、制造商特殊参数等等，除制造商7图8-7PA行规中的信号链图8-8校准功能实现示意图图8-9限值检查和控制环节功能实现示意图特殊参数不再行规中指定外，其余参数都在行规中有明确的定义。图8-10所示是一个压力变送器数据的种类和含义。循环数据的交换使用MS0通信；非循环数据的交换使用MS1（DPM1和从站之间）或MS2（DPM2和从站之间）通信。非循环数据的地址安排采用槽号（slot）和索引（index）相结合的方法编排。槽号表示模块，索引表示属于此模块的数据块。每个数据块最多为244字节。对于复杂的模块化设备，槽号被分配给模块，模块号从1号开始，按升序连续编排。一般来说，槽号0中的索引16~41用于存放设备本身的物理块数据。对于简单设备，可能只有一个TB和FB，它的物理块数据一般放在槽号1中的索引141~166里。但不管是什么设备或装置，设备管理器（DM）的数据总是放在槽号1中索引0~13里。设备管理器用来管理这些数据的编排，它包含了所有数据编址的信息。图8-11所示是一个PA设备的数据存放排列。对于紧凑型设备来说，可以把它们作为一个虚拟模块装置来对待，它们也使用槽号和索引号来编址。使用槽号和索引号编址非常复杂，但不必担心，使用PA设备的参数时，用户不用和这些槽号和索引号打交道。对PA设备进行组态时，使用组态软件即可，而对PA设备进行在线分析时，使用工具软件就行了。在这些软件中，用户面对的是直接的带名字的参数。PA设备中的测量值参数用32位浮点数表示，另外再加上一个字节的“状态信息”，来表示参数值的质量。这样PA的测量值就由5字节的浮点数组成，其中字节1~4为测量值，字节5为状态信息。如图8-12所示。第5字节如果是0x80则表示测量值OK，所以在实际项目中，对PA设备进行调试时，0x80要经常被用到。8图8-10一个PA设备（压力变送器）中的数据图8-11PA设备的数据存放排列举例图8-12PA设备的测量值的表示8.5DP-V1报文详解DP-V1是基于DP-V0的，它对循环数据处理的报文是和DP-V0一样的，而有些报文也只是在DP-V0报文的基础上进行了一些扩展。它的特殊之处是加上了MS1和MS2通信，而这些就是属于非循环数据通信的范围，也是它和DP-V0相比所增加的功能。由于课时所限这里略去，有兴趣的同学可参考有关PROFIBUS技术手册。8.6PROFIBUS-PA的现场安装8.6.1PA网络的接线1.PA网络PA网段中的从站要受DP段中的主站控制器控制，所以PA网段必须接入DP网段才能组成完整的PROFIBUS网络。DP/PA之间的连接可以使用耦合器或连接模块（见8.3节），另外还可以使用中继器延伸PA网段，但使用中继器要比使用耦合器少得多。PA网段可以连接成树形、星形、线形等多种状态，如图8-13所示，PA从站设备可以通过连接盒接入PA网络。PA网段的总长度可达1900m，但使用不同的电缆或在不同的场合使用都会大大地缩短这个距离范围。PA网段中的从站也可以随意移走，但注意不要使露出的电缆短路，以免该网段上的其它设备失去电源。2.PA网段中分支线路长度的规定在PA网段中，分支线路的长度随分支电路数目的不同而不同，另外和是否在本质安全区域使用也有很大关系。表8-1所列为PA网段中分支电路长度的规定。表8-1PA网段中分支电路长度的规定分支线路的数量非本质安全要求安装时最大分支线路长度/m本质安全要求安装时最大分支线路长度/m25~321119~24303015~18603013~1490301~12120303.PA网段的终端电阻9图8-13PROFIBUS-PA网段的典型连接举例与在DP网段中使用终端电阻的原因相同，PA网段也要使用终端电阻，但PA网段的终端电阻网络和DP中使用的终端电阻网络有很大的区别，如图8-14所示。该电阻网络是一个串联的电阻和电容，连接在两根数据线之间，而且不需要供电。PA的终端电阻接在主PA网段电缆的端头处，大部分耦合器中或连接盒中都集成有该电阻网络，所以在耦合器这一端使用其内部的终端电阻就行了。另外的终端电阻可以使用最远的一个接线盒或最远的一个从站设备中的终端电阻。图8-13所示为PROFIBUS-PA网段的一个典型例子，从该例中，大家可以了解PA网段中树形结构、分支线路和终端电阻的具体使用。8.6.2屏蔽与接地像所有的现场总线网络一样，PROFIBUS-PA网络中的屏蔽和接地也非常重要。在理想情况下，电缆的屏蔽层要和设备的金属保护外壳或外罩可靠地连接在一起。它们之间的连接，以及网段之间电缆屏蔽层的连接都必须保证是低阻抗连接（接触面积和方法上的保证）。如果是非屏蔽设备和屏蔽电缆连接，则往往还要使用电隔离或滤波等措施，安装这些设备的架子或电源都要接地，电缆屏蔽层和等电势线接在一起，然后多点接地。在危险区域这样安装时必须做到电势平衡，做到等电势系统连接的方法有多种，最常用的是使用专用的导线把安全区域的接地点和2危险区域的接地点连接起来，形成等电势系统。图8-15所示为一种理想的屏蔽和接地示意图。如果不能保证危险区域和安全区域之间较好的电势平衡，则在危险区域一侧，电缆层蔽层直接和等电势线相连后接地。在安全区一侧，电缆屏蔽层通过一个电容后接地。这些接地都应该保证接地电阻尽可能地小。图8-16所示为电容接地的示意图。10图8-14IEC61158-2的终端电阻网络图8-15理想的屏蔽和接地图8-16通过电容接地PROFIBUS-PA网段电缆的其他安装要求和DP电缆的安装要求基本相同，请参考第7章7.7中内容。8.6.3PROFIBUS-PA使用的电缆符合IEC61158-2的电缆有4种可以使用，如表8-2所示。其中PA中的A型电缆不同于DP中的A型电缆，它是最常用的电缆。不同的电缆所允许的网段长度不同，在危险场合使用时，该长度要根据计算确定，但肯定会短很多。如果PA网段安装在危险区域，则还要根据FISCO的原则进行网络设计，该设计包括电缆长度、从站数量等。表8-2IEC61158-2的电缆种类类型电缆芯屏蔽导体截面积/mm2最大电阻/（Ω/km）最大电缆总长度/mA型单股是（90﹪）0.8441900B型多股全屏蔽0.321121200C型多股非屏蔽0.13264400D型多股非屏蔽1.25402008.6.4PROFIBUS-PA网络设计举例在设计一个PROFIBUS网络中，最重要的是如何进行网络布局，并计算出加在每个从站设备上的电压，所以网络中电压降的计算就显得比较重要。一个化工过程的系统组成如图8-17所示，它由2个反应釜和1个存储罐组成，控制系统由14个传感器、阀门和仪表组成。现在要用PROFIBUS-PA进行控制，下面我们来进行系统设计。设计PROFIBUS-PA网络的过程包括，选择网络电缆、耦合器、分配接线盒（JB）；计算网段总消耗电流，计算每个总线设备或装置上面的供电电压。其原则是网段总消耗电流要小于耦合器所能提供的额定电流，每个设备上的供电电压要大于设备正常工作所要求的额定值。在本例中，使用PA的A型电缆连接该PA网络，电缆电阻为0.044Ω/m。11图8-17化工过程系统组成图求网段的总体消耗电流的方法是：首先测定每个设备从PA电缆上消耗的基本电流（该电流可从设备的基本参数中获得）；再测定有关设备可能的最大故障电流。总的消耗电流等于所有设备的基本电流总和加上最大故障电流。下面选择连接DP/PA的耦合器，并检测其最大的电流容量。本例选用P+F公司（倍加福）的耦合器，其输出电压为25V，输出电流为400mA。配线盒选择使用TURCK公司的产品。设计好的PA控制网络如图8-18所示。计算总消耗电流的过程如表8-3所示。最后的结果是185mA，该值小于耦合器提供的400mA，所以电流消耗方面没有问题。表8-3网段电流消耗计算过程标签地址设备基准电流/mA故障电流/mALT0033超声波物位计130XV0044阀门定位器134XV0055阀门定位器136LT0066超声波物位计130TT0077温度计130XV0088阀门定位器134FT0099质量流量计120TT01010温度计130XV01111阀门定位器134XV01212阀门定位器134FT01313质量流量计110XV01414阀门定位器136LT01515超声波物位计130XV01616阀门定位器134总电流179最大故障电流6总电流：（179+6）=185mA12图8-18PROFIBUS-PA控制系统组成图计算设备电压的过程如表8-4所示。该过程稍微有点麻烦。其方法是使用欧姆定律计算出每段电缆上的电压降，求出网段上每个配线盒处的电压，然后用耦合器的供电电压值逐步减去相应的电压降就可求得加在该设备上的电压。一般PA现场总线设备的额定电压值是9V，所以只要在网段上最远端的设备上的供电电压仍大于9V，则该网段设计的供电电压考虑就是可行的。表8-4网段上各设备的供电电压计算过程从表8-4得知，在整个PA网段中，最远端的设备是XV016，它上面的供电电压为24.368V，完全满足要求，所以该网段的供电电压设计也没有问题。综合分析后可以分为，该PA网络设计符合要求。8.7现场总线本质安全概念8.7.1本质安全概念当现场总线技术在具有爆炸危险的环境中使用时，因为要考虑到安全的因素，所以就必须按照本质安全（FISCO）的概念来设计系统，这时现场总线技术的使用就会受到很大程度的限制。例如单个设备或装置的供电电流数值会小很多，每个网段所允许挂接的从站设备数会急剧地减少，电缆长度会大幅度地减少等等。在工业现场环境中，电火花和热效应是引起爆炸性危险气体爆炸的主要引爆源。本质安全技术就是在这样的环境下使用电气设备和系统时保证安全的一种方法，它通过限制电火花和热效应这两个可能的引爆源来实现防爆，它是最安全、最可靠的防爆技术。实际上，本质安全是一种低功率设计技术，通常对于氢气（IIC类，最易爆炸）环境，将电路功率限制在1.3W左右，这种本质安全技术能很好地适用于工业自动化仪表的安全设计。限制功率就是限制电流和电压，同时也要限制电容和电感。我国和IEC的标准相同，将爆炸性气体环境分为0区、1区和2区。0区指的是在正常情况下，爆炸性气体混合物连续长时间存在的场合；1区指的是在正常情况下，爆炸性气体13混合物有可能出现的场合；2区指的是在正常情况下，爆炸性气体混合物不可能出现，而仅仅在非正常情况下偶尔或短时间出现的场合。在0区使用的电气控制设备及系统，必须符合本质安全的要求大家在一些防爆设备或装置上经常能见到Exi字样，其中Ex表示爆炸性危险区域认证，i表示本质安全。本质安全分为ia和ib两个等级：\uf06cExia等级：在正常工作和一个故障或两个故障时，均不能点燃爆炸性气体混合物。ia型仪表适用于0区和1区。\uf06cExib等级：在正常工作和一个故障时，不能点燃爆炸性气体混合物。ib型仪表仅适用于1区。传统的本质安全技术设计内容一般包括：\uf06c选择所需要的设备；\uf06c收集所有和本质安全相关设备的数据；\uf06c选择合适的供电电源（最大的电压、最小的必须电流等等）；\uf06c对U、I和P进行比较，每个设备（Ui，Ii，Pi）必须满足：U0≦Ui，I0≦Ii，P0≦Pi；这里Ui、Ii、Pi为现场设备可允许输入的参数，U0、I0、P0是相关供电装置的最大可能和认可的输出变量；\uf06c选择合适的电缆；\uf06c对每个网段所允许的最大的电容和电感进行计算；\uf06c所有系统和设备必须通过Ex认证。所以在危险环境中使用现场总线技术时，如果使用传统的本质安全技术设计系统就会造成成本的提高。所使用的所有设备和装置必须通过花费高昂的本质安全认证，每个网段的设备数量会大幅度地减少（最多4个），要使用大量的额外设备（如隔离栅、安全电源等），要花费大量的时间和精力去计算和设计安全系统等等。所以必须有一种新的、高效的适用于现场总线本质安全计算和设计的方法来代替传统的方法。8.7.2FISCO概述现场总线本质安全概念（FISCO，FieldbusIntrinsicallySafeConcept）就是这样的一种高效的设计方法，该方法使得现场总线应用在危险区域时的本质安全设计、安装和扩展变得相当的简单。在20世纪90年代中期，4家机构开始研究和开发FISCO模型，它们是德国自然和工程科学国家研究院联邦物理研究所（PTB）、自动化技术和设备供应商ABB公司、化学工业国际组织和PROFIBUS国际组织。在2001年现场总线基金会（FF）也参加进来，并支持FISCO模型的研究和开发。现在它得到国际上的普遍承认，成为在防爆区域现场总线运行的基本模型。FISCO的实质是：此模型以本质安全的网络规范为基础，当相关的4个总线组件（现场设备、电缆、段耦合器和总线终端器）的电压、电流、输出、电感和电容符合预先确定的边界条件时，则无需对它们分别进行本质安全计算。可以通过权威认证机构对有关组件提供相应的验证，这些权威机构有德国的PTB、美国的UL等。如果使用符合FISCO模型的合格设备，则不仅在一条总线上可以运行更多的设备，而且可以在运行期间用其他制造商的设备来替换总线上的相同设备，所有这些都不用进行耗时的计算或系统验证，可以简单地即插即用，甚至在危险区域也是如此。使用FISCO的边界条件是：\uf06c每个网段只有一个供电电源；\uf06c所有设备必须符合FISCO模型要求，并在权威机构通过认证；14\uf06c电缆长度不得超过1000m（ia）和1900m（ib）；\uf06c电缆（A型总线电缆）数据必须满足：R′=15~150Ω/kmL′=0.4~1mH/kmC′=80~200nF/km\uf06c对任何现场装置和设备而言，其电压、电流和功率参数（Ui，Ii，Pi）必须满足：U0≦Ui，I0≦Ii，P0≦Pi使用FISCO模型的好处是：\uf06c在危险区域也支持即插即用；\uf06c无需进行系统验证；\uf06c连接设备的个数最大化；\uf06c系统扩展变得简单；\uf06c更换设备或进行扩展时，无需进行新的计算；\uf06c费用大大降低。现场总线本安防爆的FISCO应用模型FISCO为“现场总线本安防爆概念”(FieldbusIntrinsicallySafeConcept)的简称:它是一个既符合本安防爆标准,又便于实际应用的现场总线本安防爆应用模型和认证规范。依照FISCO模型设计现场总线网络,工程设计人员和最终用户可以避免繁琐的电容和电感参数的核算,现场仪表和电缆布置变更时也无需重新进行参数核算。FISCO应用规范的要点如下：每根本安现场总线上只允许设置一台有源设备,其他必须是无源设备,这台有源设备为取得本安防爆认证的现场总线本安配电设备,如现场总线隔离栅、现场总线本安中继器、现场总线安全网桥或现场总线本安配电器等。所谓无源设备,通常为现场仪表、电缆、接线盒、网端等;每根本安现场总线上最多挂接12台符合FISCO认证的现场仪表;每台现场仪表的耗电不小于10mA;电缆长度总和不超过1000米,每根分支电缆长度最长为30米。实质是低功耗设计，目的是限制电流及功率不至于产生的电火花或热效应引爆可燃气体。增安型防爆的主干线,本安型防爆的现场仪表利用兼备隔离栅和接线盒功能的现场安全栅(Fieldbarrier)构成现场总线网络的方法;Fieldbarrier本身通常为增安型和浇封型防爆,可安装在危险区Zone1,内含隔离栅为EExiaIIC,兼容FISCO和ENTITY标准,主干线电缆的长度和分支电缆的长度只受现场总线协议的约束15(电缆总长1900米,分支见表1),不受FISCO规定的电缆长度总和不超过1000米和每分支不超过30米的限制。8.7.3FISCO在PROFIBUS-PA系统设计中的应用仍以图8-17的例子为例来介绍FISCO的使用。现在假设该系统应用在危险区域（1区），整个系统要满足本质安全的要求。经过FISCO认证的耦合器参数如下：P+F公司的FISCO耦合器：电流为100mA、电压为13V；SIEMENS公司的FISCO耦合器：电流为100mA、电压为12.5V。与常规的耦合器相比，这意味着在每个网段中使用的设备数要减少，而且网络长度也要减少。在例子中，使用的是P+F公司的耦合器。仍以图8-18网络结构进行计算：首先FISCO中网段长度要小于1000m，分支线段长度小于30m，这两条显然满足。但总电流消耗为185mA，已超过P+F公司的FISCO耦合器的100mA，所以必须重新设计网络。下面把网络分成两个网段，分割的原则是两个网段里设备的数量尽可能差不多。网络结构如图8-19所示。下面检查每个网段，检查的原则是每个网段的总电流消耗不能大于耦合器所提供的电16图8-19使用FISCO模型设计的现场总线控制系统流额定值，而每个设备上的电压必须满足要求。即每个网段的总消耗电流要小于100mA，加在每个设备上的电压最少要大于9V（现场总线设备的典型值）。计算方法和图8-18使用的计算方法一样，只不过是把图8-18中的一个网段换成两个网段来计算。计算结果是：网段1的总电流消耗为96mA，其网段上最远处的设备FT009上的供电电压为12.765V，所以网段1的设计完全满足要求；网段2的总电流消耗为95mA，其网段上最远处的设备XV016上的供电电压为12.854V，所以网段2的设计也完全满足要求。综合分析后可以认为，经过使用FISCO模型对该PA网络进行设计，使其满足了本质安全的要求。思考题：1.列写出能和PROFIBUS-PA从站进行通信的设备种类，并且列出它们之间的通信类型。2.写出3种耦合器和连接器模块在使用上的不同。使用这两种设备后，它们对整个网络带来了哪些限制？3.PA装置中的块模型的种类有哪些？它们的作用是什么？4.在PA装置的数据链中，有一个测量值的信息状态字节，该字节的作用是什么？当该字节为0x80时，它表示什么意思？5.一个在非危险性区域使用的PA网络由24个从站组成。当在下列情况下使用时，试决定允许的分支电路的最大长度：（1）每个分支电路只有1个从站；（2）每个分支电路只有2个从站；（3）每个分支电路有4个从站；在以上情况下，主干电路的最大长度分别是多少？6.几个相同的PAFISCO设备在一个危险区域使用，它们被安装在一根500m电缆的最远处。每个设备消耗的基本电流为12mA，故障电流为6mA。该PA网段由一个安全FISCO耦合器驱动，该耦合器提供的电压为12V，电流容量为100mA。整个网段使用PA的A型电缆，该电缆的电阻为44Ω/km。（1）试决定该耦合器所能驱动的最大的该类从站的设备数。（2）当使用这么多从站，并且允许在有一个故障的情况下，求整个网络的消耗电流。（3）试判断系统能否满足从站的电压要求。7.一个PROFIBUS网络如图所示。试用“T”表示出应该设置终端电阻的地方。8.IEC的标准中将爆炸性气体环境分为哪几个区，各区的定义？本质安全分为几个等级？解释FISCO；某设备标有Exi字样，是什么意思？9.试分析RS485和IEC61158-2的终端电阻以及其设置的不同。1710.列写出图8-19中两个网段的消耗电流和设备供电电压的详细计算过程及结果。18',)