余愛生

（中海油天津化工設(shè)計(jì)院有限公司）

0 引言

近年來數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)通信越來越廣泛應(yīng)用于我國石化領(lǐng)域及煤炭工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)控制、通信系統(tǒng)中。鑒于我國煤炭工業(yè)生產(chǎn)具有高瓦斯?jié)舛鹊V井多、地質(zhì)條件復(fù)雜、開采深度深等特點(diǎn)，為確保如煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)等煤礦生產(chǎn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控、通信系統(tǒng)的自身安全性能，在我國《煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程》中第160條明確要求：防爆型煤礦安全監(jiān)控設(shè)備之間的傳輸信號(hào)必須為本安型信號(hào)。因此目前我國礦用的安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、人員管理系統(tǒng)實(shí)際上就是利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)根據(jù)我國煤礦生產(chǎn)的特殊條件進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)后的本安型現(xiàn)場(chǎng)總線防爆系統(tǒng)。系統(tǒng)中傳感器與分站之間的信號(hào)傳輸還基本采用“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”式頻率量信號(hào)或模擬量信號(hào)傳輸方式，而分站與井上中央控制機(jī)之間、分站之間的通信則采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。因此本文將圍繞現(xiàn)場(chǎng)總線通信信號(hào)及通信電路對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線本安防爆性能影響的研究。

1 常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用

經(jīng)過十幾年的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)協(xié)議已多達(dá)到幾十種，其中包括：CAN現(xiàn)場(chǎng)總線；Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線；P-Net現(xiàn)場(chǎng)總線等。但I(xiàn)EC 61158國際標(biāo)準(zhǔn)在制定時(shí)都沒考慮到煤礦生產(chǎn)的特殊環(huán)境，所以煤礦監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)中通常不能直接使用這些標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，而需根據(jù)煤礦的特殊環(huán)境要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑鞌U(kuò)充。目前我國煤礦生產(chǎn)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的是RS485總線和CAN總線。

1.1 RS485總線

RS485總線是一種用于設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的、經(jīng)濟(jì)型的、傳統(tǒng)的工業(yè)總線方式，其特點(diǎn)是：傳輸距離遠(yuǎn)，理論上485總線的通信距離可以達(dá)到1200m；有多點(diǎn)傳輸能力，即總線上允許掛接多個(gè)接收器，可以建立設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，理論上485總線可以帶128臺(tái)設(shè)備進(jìn)行通信，單獨(dú)組網(wǎng)，而不會(huì)受到其他設(shè)備的共用網(wǎng)絡(luò)的干擾；系統(tǒng)布線簡單，實(shí)施簡單方便，技術(shù)較成熟，被普遍認(rèn)為是一種簡單、穩(wěn)定、成熟的工業(yè)總線結(jié)構(gòu)。因此我國較早的煤礦監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)多采用該總線技術(shù)。但 RS485總線的外圍終端器設(shè)計(jì)較困難，其通信協(xié)議極不標(biāo)準(zhǔn)化，是一種非標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。所測(cè)典型的485信號(hào)波形如圖1所示。

1.2 CAN總線

CAN總線也稱之為控制器局部網(wǎng)，是由德國BOSCH公司從20世紀(jì)80年代初開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。其特點(diǎn)是：傳輸距離遠(yuǎn)，直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá) 10km；傳輸速率快，通信速率最高可達(dá)1Mbps；多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從；數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性價(jià)比高；抗干擾性強(qiáng)，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率低。最關(guān)鍵的是在于CAN總線是一種具有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線，傳輸可靠，實(shí)時(shí)性高，通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化。因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。目前我國煤礦監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)也越來越多采用這一總線技術(shù)。所測(cè)典型的CAN總線信號(hào)波形如圖2所示。

圖1 485信號(hào)波形

圖2 CAN總線信號(hào)波形

1.3 現(xiàn)場(chǎng)總線通信編碼信號(hào)的電氣能量分析

本質(zhì)安全防爆原理的核心在于將電路中的電氣能量控制在一定的范圍內(nèi)，使電路無論是在正常工作狀態(tài)還是在故障狀態(tài)下產(chǎn)生的火花能量均不能點(diǎn)燃周圍爆炸性氣體環(huán)境，以確保電路和設(shè)備的安全性能。電路中的電氣能量計(jì)算公式為：

式中，U為電路電壓；L為電路電感；I為電路電流；C為電路電容。

根據(jù)上述公式計(jì)算，對(duì)于電阻性電路，其電路中的電氣能量與電路中的電壓、電流有關(guān)；對(duì)于電感性電路，其電路中的電氣能量與電路中的電流、電感有關(guān)；對(duì)于電容性電路，其電路中的電氣能量與電路中的電壓、電容有關(guān)?，F(xiàn)場(chǎng)總線通信編碼信號(hào)的電氣能量直接影響到現(xiàn)場(chǎng)總線的本安防爆性能?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的通信電路基本可看作是電阻性電路，因此現(xiàn)場(chǎng)總線通信編碼信號(hào)的電氣能量主要與其電壓、電流值有關(guān)。由所測(cè)得485編碼信號(hào)波形及CAN編碼信號(hào)波形可見：現(xiàn)場(chǎng)總線通信編碼信號(hào)的電壓峰-峰值 Vp-p均在通信電路的工作電壓范圍內(nèi)，即：對(duì)于雙極性電源供電電路 Vp-p≤2Ve，對(duì)于單極性電源供電電路Vp-p≤2Ve。為使現(xiàn)場(chǎng)總線既要盡可能多帶負(fù)載又能達(dá)到本安防爆要求，所以通信電路的工作電壓 Ve應(yīng)優(yōu)選5V。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備中通信電路的分析研究

由上述電路中的電氣能量計(jì)算公式可知，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備中通信電路的最大內(nèi)部電容和最大內(nèi)部電感是影響現(xiàn)場(chǎng)總線本安防爆性能的因素。本安現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備通信電路的最高輸入電壓Ui、最大輸入電流Ii、最大內(nèi)部電容 Ci、最大內(nèi)部電感 Li與本安總線電源（關(guān)聯(lián)設(shè)備）的最高輸出電壓Uo、最大輸出電流Uo、最大外部電容 Co、最大外部電感 Lo的參數(shù)匹配應(yīng)符合：

典型的485信號(hào)通信電路和CAN信號(hào)通信電路分別如圖3、圖4所示。

圖3 RS485信號(hào)通信電路

圖4 CAN信號(hào)通信電路

分析圖3、圖4的電路，電路中均無電感，即使有些電容也是用于濾波，其電容值相當(dāng)小，所以這些電路可認(rèn)為是電阻性電路。由實(shí)測(cè)所得的485編碼信號(hào)和CAN編碼信號(hào)參數(shù)表1、表2可見：現(xiàn)場(chǎng)總線上編碼信號(hào)的電壓峰-峰值 Vp-p不超過通信電路的工作電壓，0km處的最大電路電流也不超過 100mA。但對(duì)于由外部獨(dú)立電源就地供電的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備而言，若考慮到計(jì)數(shù)故障和非計(jì)數(shù)故障的因素直流電源信號(hào)有可能通過通信電路疊加到編碼信號(hào)上，從而影響現(xiàn)場(chǎng)總線的本安防爆性能，與供電電源電路一樣，通信電路也應(yīng)采取隔離措施（如用光耦），以保證其外部電源電路及相關(guān)的電路和與總線直接連接的通信電路之間完全隔離。

表1 485編碼信號(hào)

表2 CAN編碼信號(hào)

3 通信介質(zhì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線本安防爆性能影響的研究

本安現(xiàn)場(chǎng)總線防爆系統(tǒng)中的通信介質(zhì)——通信電纜因其有分布電容和分布電感，是影響總線現(xiàn)場(chǎng)本安防爆性能的重要因素。IEC 61158?2物理層規(guī)范規(guī)定了4種通信電纜，它們分別為：A型屏蔽雙絞線、B型屏蔽多對(duì)雙絞線、C型無屏蔽雙絞線和D型多芯屏蔽電纜。目前我國煤礦監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)中使用的通信電纜也基本為以上型式的電纜，其分布參數(shù)大約為：13Ω/km、0.8mH/km、0.06μF/km，每公里仿真線電路圖如圖5所示。

圖5 1km電纜仿真線電路圖

以“參量認(rèn)證”技術(shù)理論分析：通信電纜的分布電容 Cc、分布電感 Lc，本安現(xiàn)場(chǎng)總線電源（關(guān)聯(lián)設(shè)備）的最大外部電容 Co、最大外部電感 Lo，本安現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備通信電路的最大內(nèi)部電容 Ci、最大內(nèi)部電感Li的參數(shù)匹配應(yīng)符合：

但“參量認(rèn)證”技術(shù)理論基于這樣一個(gè)假設(shè)：即將通信電纜的分布電容、分布電感視為集中參數(shù)，實(shí)際的通信電纜還有分布電阻，其分布電容、分布電感、分布電阻等效為一個(gè)“工”字形結(jié)構(gòu)電路。

4 結(jié)束語

通過對(duì)典型 485總線信號(hào)及信號(hào) CAN總線帶0～10km通信電纜仿真線參數(shù)的測(cè)試和本安火花點(diǎn)燃試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際通信電纜分布電容、分布電感在可燃性氣體中火花點(diǎn)燃性能的影響程度要比按集中參數(shù)考慮的影響程度小的多。同時(shí)，從表1、表2可以看出，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備上的編碼信號(hào)的電氣能量經(jīng)10km傳輸后其衰減相當(dāng)大，所以，經(jīng)試驗(yàn)研究表明，長度范圍 0～10km的電纜對(duì)本安型現(xiàn)場(chǎng)總線防爆系統(tǒng)的本安防爆性能不會(huì)造成很大影響。