PROFIBUS—PA现场总线电缆的本质安全技术的探究

陈宇

摘 要：应用于过程自动化的PROFIBUS-PA由于应用IEC-物理层传输技术（IEC61158-2）并在PROFIBUS-DP基础上扩充了非循环数据传输服务（DPV1），因而能够满足石油、化工等行业的要求。由于在化工生产过程中相当大的一部分场所具有爆炸危险性气体存在，所以自动控制系统在这类场合下的应用一定要遵从防爆安全技术规范。对BS5308中的《仪表电缆》第一部分《聚乙烯绝缘电缆规范》中的指标与FISCO模型的要求进行对比，得出结论BS5308中的仪表电缆的指标符合FISCO模型的规定。依据FISCO模型设计了PROFIBUS-PA型现场总线电缆的指标。

关键词：FISCO模型；电容；电感；电阻；现场总线

在爆炸危险区内本质安全防爆（Ex-i）方式是自控设计者经常使用的方法，本安是一种危险区域的防爆技术，原理是通过限制进入危险区域电路和设备的能量。危险区域是指有可燃性介质存在的区域，可燃性介质的种类很多，主要包括原油及其衍生物、酒精、天然或人工合成气体、金属粉尘、碳粉尘及纤维等。本安技术允许可燃性介质进入电气设备，它主要考虑了两种点燃机制，即电火花和热表面。本安防爆在过程控制系统工程设计、施工、工程造价以及可操作性和维护性等方面相对于其他防爆形式（Ex-d、Ex-e、Ex-m等）具有明显的优越性。因此PROFIBUS-PA现场总线系统在运用时除了满足功能方面外，还必须遵循本质安全技术规定。现场总线本质安全概念（Fieldbus Intrinsically Safe Concept，现场总线本质安全构想，简称FISCO模型）被认为是关于普通本质安全限制的方法，即FISCO现场总线解决方案。FISCO适用于EEX ia ⅡC和EEX ib ⅡC/ⅡB本安防爆方式。FISCO使得PROFIBUS-PA现场总线以本质安全方式安装使用在Ex-区成为可能，以经济简便的方式解决了现场总线的防爆应用问题。

根据FISCO模型，对作为储能元件的电缆，其安全技术极限值如下：

R=15…150Ω

L=0.4…1mH

C=80…200nF（当总线电路为零电位时C=C缆芯/缆芯+0.5缆芯/屏蔽，当屏蔽同电源一极相连时，C=C缆芯/缆芯+缆芯/屏蔽）

电缆长度：总长≤5000m

分支电缆长度（每根分支电缆）：≤30m

以上是现场总线本质安全系统对电缆指标的要求，而经查阅国内外电缆相关标准，英国标准BS5308中《仪表电缆》（1986版）第一部分《聚乙烯绝缘电缆规范》所描述的电缆可用于Ⅱ组本安系统，由于PROFIBUS-PA型总线电缆与BS5308标准中的电缆结构相雷同，现对BS5308中电缆的技术指标值进行分析如下：

电容指标值：线对或相邻线芯之间工作电容如表1规定：

表1 电容指标

由于BS5308中规定的是电感/电阻比，因此对BS5308规定的电感/电阻比值进行换算，得到电缆的电感指标如表3所示：

表2 电感/电阻比 表3 电感指标

通过分析， BS5308中电缆的电容和电感指标均符合FISCO模型中的指标规定范围，具体见表4

表4 指标对比

通过以上分析对比，可以看出BS5308标准规定的电缆与FISCO模型对本质安全的要求是完全一致的，因BS5308标准中的电缆主要适用于石油和化工工业的场所，所以从另一个方面证明，FISCO模型中的电缆的技术指标值是完全可行的。

确定了电缆的电容和电感指标范围，如何选取其电容和电感指标值，同时对PROFIBUS-PA型电缆而言，还有一个特性阻抗匹配的问题。根据国家标准GB/T 20540-2006规定，PROFIBUS-PA型电缆的特性阻抗值为（100±20）Ω，如何在特性阻抗匹配的条件下，满足电缆的电容和电感指标值，并尽可能减小电缆的电容和电感值是PROFIBUS-PA型现场总线电缆设计的关键之处。

根据IEC61158.2、GB/T 20540.2的要求和国外产品的常用结构，设定PROFIBUS-PA电缆的导体采用7×？0.38mm铜线，发泡聚乙烯绝缘厚度为0.8mm，发泡度分别为65%，对PROFIBUS电缆电气参数进行验算如下：

电容C：电容的计算公式如下：

式中：λ为总的绞入系数，设定为1.02；εD为组合绝缘介质的等效相对介电常数εD=（εk*Vk+εG*VG）/（Vk+VG），其中：εk为空气介电常数1，εG为绝缘层材料（聚乙烯）的介电常数2.3，Vk为空气所占面积，VG为绝缘层所占面积；a为两绝缘线中心距离；d为导体直径；ψ为由于接地金属护层和邻近导线产生影响而引起的修正系数分别为0.61。由上可算出PA电缆电容为34.5nF/km。

电感L：电感的计算公式如下：

式中： Q（x）为x=（K*d）/2的特定函数， Q（X）值为0.987；K为涡流系数为2.13； rs为屏蔽层的内半径；μs为屏蔽层的相对磁导率，铜导体取1。由上可算出PA电缆的电感分别为0.43 mH/km。

特性阻抗：由于PROFIBUS-PA型电缆的传输频率为31.25kHz，因此其特性阻抗的计算公式为：

通过电容C和电感值L的计算，PROFIBUS-PA型电缆的特性阻抗值为111Ω，符合要求，由此验证设定的参数是适当的。

随着工业水平不断的发展，石油、化工以及机械制造业对自动化程度的不断提高，对各种现场总线电缆的需求会越来越大，这对于通信、仪表电缆的生产制造厂家带来了很大的契机，但是电线电缆生产制造厂家在生产现场总线电缆的过程中，要特别注意电缆使用场所对电缆的要求，因此电缆的本质安全技术的研究得到越来越多的重视。endprint

摘 要：应用于过程自动化的PROFIBUS-PA由于应用IEC-物理层传输技术（IEC61158-2）并在PROFIBUS-DP基础上扩充了非循环数据传输服务（DPV1），因而能够满足石油、化工等行业的要求。由于在化工生产过程中相当大的一部分场所具有爆炸危险性气体存在，所以自动控制系统在这类场合下的应用一定要遵从防爆安全技术规范。对BS5308中的《仪表电缆》第一部分《聚乙烯绝缘电缆规范》中的指标与FISCO模型的要求进行对比，得出结论BS5308中的仪表电缆的指标符合FISCO模型的规定。依据FISCO模型设计了PROFIBUS-PA型现场总线电缆的指标。

关键词：FISCO模型；电容；电感；电阻；现场总线

在爆炸危险区内本质安全防爆（Ex-i）方式是自控设计者经常使用的方法，本安是一种危险区域的防爆技术，原理是通过限制进入危险区域电路和设备的能量。危险区域是指有可燃性介质存在的区域，可燃性介质的种类很多，主要包括原油及其衍生物、酒精、天然或人工合成气体、金属粉尘、碳粉尘及纤维等。本安技术允许可燃性介质进入电气设备，它主要考虑了两种点燃机制，即电火花和热表面。本安防爆在过程控制系统工程设计、施工、工程造价以及可操作性和维护性等方面相对于其他防爆形式（Ex-d、Ex-e、Ex-m等）具有明显的优越性。因此PROFIBUS-PA现场总线系统在运用时除了满足功能方面外，还必须遵循本质安全技术规定。现场总线本质安全概念（Fieldbus Intrinsically Safe Concept，现场总线本质安全构想，简称FISCO模型）被认为是关于普通本质安全限制的方法，即FISCO现场总线解决方案。FISCO适用于EEX ia ⅡC和EEX ib ⅡC/ⅡB本安防爆方式。FISCO使得PROFIBUS-PA现场总线以本质安全方式安装使用在Ex-区成为可能，以经济简便的方式解决了现场总线的防爆应用问题。

根据FISCO模型，对作为储能元件的电缆，其安全技术极限值如下：

R=15…150Ω

L=0.4…1mH

C=80…200nF（当总线电路为零电位时C=C缆芯/缆芯+0.5缆芯/屏蔽，当屏蔽同电源一极相连时，C=C缆芯/缆芯+缆芯/屏蔽）

电缆长度：总长≤5000m

分支电缆长度（每根分支电缆）：≤30m

以上是现场总线本质安全系统对电缆指标的要求，而经查阅国内外电缆相关标准，英国标准BS5308中《仪表电缆》（1986版）第一部分《聚乙烯绝缘电缆规范》所描述的电缆可用于Ⅱ组本安系统，由于PROFIBUS-PA型总线电缆与BS5308标准中的电缆结构相雷同，现对BS5308中电缆的技术指标值进行分析如下：

电容指标值：线对或相邻线芯之间工作电容如表1规定：

表1 电容指标

由于BS5308中规定的是电感/电阻比，因此对BS5308规定的电感/电阻比值进行换算，得到电缆的电感指标如表3所示：

表2 电感/电阻比 表3 电感指标

通过分析， BS5308中电缆的电容和电感指标均符合FISCO模型中的指标规定范围，具体见表4

表4 指标对比

通过以上分析对比，可以看出BS5308标准规定的电缆与FISCO模型对本质安全的要求是完全一致的，因BS5308标准中的电缆主要适用于石油和化工工业的场所，所以从另一个方面证明，FISCO模型中的电缆的技术指标值是完全可行的。

确定了电缆的电容和电感指标范围，如何选取其电容和电感指标值，同时对PROFIBUS-PA型电缆而言，还有一个特性阻抗匹配的问题。根据国家标准GB/T 20540-2006规定，PROFIBUS-PA型电缆的特性阻抗值为（100±20）Ω，如何在特性阻抗匹配的条件下，满足电缆的电容和电感指标值，并尽可能减小电缆的电容和电感值是PROFIBUS-PA型现场总线电缆设计的关键之处。

根据IEC61158.2、GB/T 20540.2的要求和国外产品的常用结构，设定PROFIBUS-PA电缆的导体采用7×？0.38mm铜线，发泡聚乙烯绝缘厚度为0.8mm，发泡度分别为65%，对PROFIBUS电缆电气参数进行验算如下：

电容C：电容的计算公式如下：

式中：λ为总的绞入系数，设定为1.02；εD为组合绝缘介质的等效相对介电常数εD=（εk*Vk+εG*VG）/（Vk+VG），其中：εk为空气介电常数1，εG为绝缘层材料（聚乙烯）的介电常数2.3，Vk为空气所占面积，VG为绝缘层所占面积；a为两绝缘线中心距离；d为导体直径；ψ为由于接地金属护层和邻近导线产生影响而引起的修正系数分别为0.61。由上可算出PA电缆电容为34.5nF/km。

电感L：电感的计算公式如下：

式中： Q（x）为x=（K*d）/2的特定函数， Q（X）值为0.987；K为涡流系数为2.13； rs为屏蔽层的内半径；μs为屏蔽层的相对磁导率，铜导体取1。由上可算出PA电缆的电感分别为0.43 mH/km。

特性阻抗：由于PROFIBUS-PA型电缆的传输频率为31.25kHz，因此其特性阻抗的计算公式为：

通过电容C和电感值L的计算，PROFIBUS-PA型电缆的特性阻抗值为111Ω，符合要求，由此验证设定的参数是适当的。

随着工业水平不断的发展，石油、化工以及机械制造业对自动化程度的不断提高，对各种现场总线电缆的需求会越来越大，这对于通信、仪表电缆的生产制造厂家带来了很大的契机，但是电线电缆生产制造厂家在生产现场总线电缆的过程中，要特别注意电缆使用场所对电缆的要求，因此电缆的本质安全技术的研究得到越来越多的重视。endprint

摘 要：应用于过程自动化的PROFIBUS-PA由于应用IEC-物理层传输技术（IEC61158-2）并在PROFIBUS-DP基础上扩充了非循环数据传输服务（DPV1），因而能够满足石油、化工等行业的要求。由于在化工生产过程中相当大的一部分场所具有爆炸危险性气体存在，所以自动控制系统在这类场合下的应用一定要遵从防爆安全技术规范。对BS5308中的《仪表电缆》第一部分《聚乙烯绝缘电缆规范》中的指标与FISCO模型的要求进行对比，得出结论BS5308中的仪表电缆的指标符合FISCO模型的规定。依据FISCO模型设计了PROFIBUS-PA型现场总线电缆的指标。

关键词：FISCO模型；电容；电感；电阻；现场总线

在爆炸危险区内本质安全防爆（Ex-i）方式是自控设计者经常使用的方法，本安是一种危险区域的防爆技术，原理是通过限制进入危险区域电路和设备的能量。危险区域是指有可燃性介质存在的区域，可燃性介质的种类很多，主要包括原油及其衍生物、酒精、天然或人工合成气体、金属粉尘、碳粉尘及纤维等。本安技术允许可燃性介质进入电气设备，它主要考虑了两种点燃机制，即电火花和热表面。本安防爆在过程控制系统工程设计、施工、工程造价以及可操作性和维护性等方面相对于其他防爆形式（Ex-d、Ex-e、Ex-m等）具有明显的优越性。因此PROFIBUS-PA现场总线系统在运用时除了满足功能方面外，还必须遵循本质安全技术规定。现场总线本质安全概念（Fieldbus Intrinsically Safe Concept，现场总线本质安全构想，简称FISCO模型）被认为是关于普通本质安全限制的方法，即FISCO现场总线解决方案。FISCO适用于EEX ia ⅡC和EEX ib ⅡC/ⅡB本安防爆方式。FISCO使得PROFIBUS-PA现场总线以本质安全方式安装使用在Ex-区成为可能，以经济简便的方式解决了现场总线的防爆应用问题。

根据FISCO模型，对作为储能元件的电缆，其安全技术极限值如下：

R=15…150Ω

L=0.4…1mH

C=80…200nF（当总线电路为零电位时C=C缆芯/缆芯+0.5缆芯/屏蔽，当屏蔽同电源一极相连时，C=C缆芯/缆芯+缆芯/屏蔽）

电缆长度：总长≤5000m

分支电缆长度（每根分支电缆）：≤30m

以上是现场总线本质安全系统对电缆指标的要求，而经查阅国内外电缆相关标准，英国标准BS5308中《仪表电缆》（1986版）第一部分《聚乙烯绝缘电缆规范》所描述的电缆可用于Ⅱ组本安系统，由于PROFIBUS-PA型总线电缆与BS5308标准中的电缆结构相雷同，现对BS5308中电缆的技术指标值进行分析如下：

电容指标值：线对或相邻线芯之间工作电容如表1规定：

表1 电容指标

由于BS5308中规定的是电感/电阻比，因此对BS5308规定的电感/电阻比值进行换算，得到电缆的电感指标如表3所示：

表2 电感/电阻比 表3 电感指标

通过分析， BS5308中电缆的电容和电感指标均符合FISCO模型中的指标规定范围，具体见表4

表4 指标对比

通过以上分析对比，可以看出BS5308标准规定的电缆与FISCO模型对本质安全的要求是完全一致的，因BS5308标准中的电缆主要适用于石油和化工工业的场所，所以从另一个方面证明，FISCO模型中的电缆的技术指标值是完全可行的。

确定了电缆的电容和电感指标范围，如何选取其电容和电感指标值，同时对PROFIBUS-PA型电缆而言，还有一个特性阻抗匹配的问题。根据国家标准GB/T 20540-2006规定，PROFIBUS-PA型电缆的特性阻抗值为（100±20）Ω，如何在特性阻抗匹配的条件下，满足电缆的电容和电感指标值，并尽可能减小电缆的电容和电感值是PROFIBUS-PA型现场总线电缆设计的关键之处。

根据IEC61158.2、GB/T 20540.2的要求和国外产品的常用结构，设定PROFIBUS-PA电缆的导体采用7×？0.38mm铜线，发泡聚乙烯绝缘厚度为0.8mm，发泡度分别为65%，对PROFIBUS电缆电气参数进行验算如下：

电容C：电容的计算公式如下：

式中：λ为总的绞入系数，设定为1.02；εD为组合绝缘介质的等效相对介电常数εD=（εk*Vk+εG*VG）/（Vk+VG），其中：εk为空气介电常数1，εG为绝缘层材料（聚乙烯）的介电常数2.3，Vk为空气所占面积，VG为绝缘层所占面积；a为两绝缘线中心距离；d为导体直径；ψ为由于接地金属护层和邻近导线产生影响而引起的修正系数分别为0.61。由上可算出PA电缆电容为34.5nF/km。

电感L：电感的计算公式如下：

式中： Q（x）为x=（K*d）/2的特定函数， Q（X）值为0.987；K为涡流系数为2.13； rs为屏蔽层的内半径；μs为屏蔽层的相对磁导率，铜导体取1。由上可算出PA电缆的电感分别为0.43 mH/km。

特性阻抗：由于PROFIBUS-PA型电缆的传输频率为31.25kHz，因此其特性阻抗的计算公式为：

通过电容C和电感值L的计算，PROFIBUS-PA型电缆的特性阻抗值为111Ω，符合要求，由此验证设定的参数是适当的。

随着工业水平不断的发展，石油、化工以及机械制造业对自动化程度的不断提高，对各种现场总线电缆的需求会越来越大，这对于通信、仪表电缆的生产制造厂家带来了很大的契机，但是电线电缆生产制造厂家在生产现场总线电缆的过程中，要特别注意电缆使用场所对电缆的要求，因此电缆的本质安全技术的研究得到越来越多的重视。endprint