——引自中國(guó)防爆網(wǎng)，僅供學(xué)習(xí)交流
一、概述
現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的全數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。它主要解決現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題。LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線是由Echelon公司推出的，采用內(nèi)含3個(gè)CPU的神經(jīng)元芯片；協(xié)議采用LONTALK協(xié)議，該協(xié)議遵循ISO的OSI全部七層模型；可支持多種通信介質(zhì)，如雙絞線、電力線、光纖等；編程語(yǔ)言采用由ANSI C派出來(lái)的Neuron C語(yǔ)言，軟件開(kāi)發(fā)極為方便。LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線目前廣泛應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化、汽車(chē)電子、過(guò)程監(jiān)控等領(lǐng)域。
本安是一種危險(xiǎn)區(qū)域的防爆技術(shù)，原理是通過(guò)限制進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域電路和設(shè)備的能量。危險(xiǎn)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。與其它防爆技術(shù)相比，本安技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)：①維護(hù)方便，無(wú)需密封和磁耦合控制；②低成本，體積小、重量輕；③更高的可靠性；④更廣的應(yīng)用場(chǎng)合。
盡管?chē)?guó)內(nèi)介紹LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線方面的文章很多，但有關(guān)它的本安技術(shù)未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。本文側(cè)重介紹LonWorks本安物理通道IS-78規(guī)范及其與安全區(qū)網(wǎng)絡(luò)的連接方法，旨在為L(zhǎng)onWorks本安技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，為最終將LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于危險(xiǎn)區(qū)域鋪平道路。
二、本安標(biāo)準(zhǔn)及電路參數(shù)設(shè)計(jì)
本安概念起源于英國(guó)，時(shí)間大約在1914-1916年。1913年10月14日，英國(guó)南威爾士的一座煤礦發(fā)生了重大爆炸事故，原因是火花引爆礦井中的甲烷氣體所致，439名礦工在這次事故中喪生。1945英國(guó)頒布了第一個(gè)正式的本安標(biāo)準(zhǔn)BS1259，標(biāo)準(zhǔn)中正式定義了本安概念。IEC標(biāo)準(zhǔn)定義了兩個(gè)本安等級(jí)，即在保證設(shè)備安全的前提下，允許出現(xiàn)的故障數(shù)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)如下：
①ia：允許出現(xiàn)多達(dá)兩個(gè)元件或其它故障仍能保持防爆。這樣的本安裝置可以安裝或連接到區(qū)域0、區(qū)域1、區(qū)域2。
②ib：允許出現(xiàn)一個(gè)元件或其它故障仍能保持防爆。這樣的本安裝置可以安裝或連接到區(qū)域1和區(qū)域2。
本安電路參數(shù)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是最小點(diǎn)燃曲線，但如果直接用曲線提供的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)本安電路是不可靠的，必須考慮一定的安全系數(shù)。ia級(jí)和ib級(jí)的安全系數(shù)如下：
①ia級(jí)。要求在正常時(shí)或發(fā)生一個(gè)故障或兩個(gè)故障都不會(huì)引爆可燃性介質(zhì)。因此，正常工作時(shí)的安全系數(shù)為2.0；發(fā)生一個(gè)故障時(shí)為1.5，發(fā)生兩個(gè)故障時(shí)為1.0。
②ib級(jí)。要求在正常時(shí)或發(fā)生一個(gè)故障時(shí)不引爆可燃性介質(zhì)。正常時(shí)安全系數(shù)取2.0；一個(gè)故障時(shí)為1.5。
那么，電路的最大允許電流（電壓）可按下式計(jì)算：
電路最大允許電流（電壓）=最小點(diǎn)燃電流（電壓）/安全系數(shù)。
用最小點(diǎn)燃曲線設(shè)計(jì)電路參數(shù)還應(yīng)該注意以下問(wèn)題：
①先對(duì)電路進(jìn)行精確的等效變換，使實(shí)際電路簡(jiǎn)化，從而確定其性質(zhì)是阻性、感性或是容性；
②準(zhǔn)確地給出電源電壓、電感量、電容量等已知參數(shù)；
③對(duì)電壓考慮波動(dòng)量，對(duì)元器件應(yīng)考慮允許誤差，波動(dòng)方向和誤差符號(hào)都按照最不利于安全的情況考慮；
④查曲線時(shí)要注意電路的性質(zhì)，使用在何種危險(xiǎn)場(chǎng)所，電路中是否有無(wú)鎘、鋅、鎂、鋁材料等；
⑤電路在正常和故障狀態(tài)下的最大電流和電壓，都不應(yīng)超過(guò)計(jì)算出的允許值。
三、IS-78本安組件及規(guī)范
為了能將LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于危險(xiǎn)區(qū)域，MTL開(kāi)發(fā)了IS-78 LonWorks本安物理通道，利用該物理通道可將LonWorks網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到危險(xiǎn)區(qū)域。IST-78是一種滿足本安要求的收發(fā)器，ISC-78是一種滿足本安要求的控制模塊，它們都已通過(guò)“ia”本安認(rèn)證，用戶如需設(shè)計(jì)LonWorks本安節(jié)點(diǎn)，可直接采用這些組件來(lái)設(shè)計(jì)，既可縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，同時(shí)還可減少認(rèn)證成本，因?yàn)檎J(rèn)證機(jī)構(gòu)無(wú)需對(duì)已認(rèn)證的模塊再作考慮。選用IST-78收發(fā)器進(jìn)行本安節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，用戶除了要考慮應(yīng)用電路以外，同時(shí)還需考慮神經(jīng)元芯片電路、存儲(chǔ)器電路等。使用ISC-78控制模塊設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)，用戶只需考慮應(yīng)用電路，因?yàn)镮SC-78控制模塊中包括本安收發(fā)器、神經(jīng)元芯片及存儲(chǔ)器電路等，使用極為方便。在本安節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，建議采用T4設(shè)備溫度等級(jí)，這樣可滿足大部分場(chǎng)合的要求。
IST-78收發(fā)器內(nèi)部有3只變壓器，一只用于提供電源，另兩只分別用于兩個(gè)方向上的通信。IST-78收發(fā)器和IST-78控制模塊都可通過(guò)插頭安裝到電路板上。
任何進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域的電路或回路，必須采用經(jīng)過(guò)認(rèn)證的齊納安全柵或電氣隔離器來(lái)限制進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域MTL3054本安通信隔離/中繼器來(lái)實(shí)現(xiàn)，它既完成按本安規(guī)范要求的限制作用，同時(shí)也充當(dāng)物理中繼器，將標(biāo)準(zhǔn)TP/XF-78轉(zhuǎn)換到IS-78如果對(duì)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)供電可減小從IS-78通道上吸取的電功率，從而增加同一段上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。
將IS-78需要穿越危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，由于2只MTL3054不能僅僅為了通信而直接連接在一起，因?yàn)檫@樣做會(huì)使兩個(gè)電源并聯(lián)在一起，從而超過(guò)點(diǎn)燃曲線及相應(yīng)功率限制。這時(shí)可考慮采用MTL3055，它與MTL3054類似，但輸出電源功率較小，對(duì)于ⅡA或ⅡB氣體所在的危險(xiǎn)區(qū)域，兩只MTL3055可連在一起穿越該區(qū)域?qū)崿F(xiàn)通信。與裝在防爆或阻燃外殼中的裝置通信可當(dāng)成穿越危險(xiǎn)區(qū)域的通信來(lái)處理。圖3給出了如何將IS-78連到阻燃或防爆外殼中。
典型本安節(jié)點(diǎn)采用5MHz時(shí)鐘，所需電能取自物理通道，吸取電流大約為20-40mA。這樣，每個(gè)MTL3054可驅(qū)動(dòng)2-3只本安節(jié)點(diǎn)。如果節(jié)點(diǎn)由另外本安電源供電，則MTL3054可驅(qū)動(dòng)的本安節(jié)點(diǎn)數(shù)還可以更多。下面簡(jiǎn)要介紹IS-78物理通道技術(shù)規(guī)范。
①通信速度：78.125Kbps；
②最大電纜長(zhǎng)度；雙端總線拓?fù)錇?000m；自由拓?fù)錇?00m（包含兩個(gè)阻抗匹配器）；
③應(yīng)用功率：可以從信號(hào)上吸取電功率也可以單獨(dú)供電；
④信號(hào)形式：?jiǎn)螛O性信號(hào)，本安節(jié)點(diǎn)吸取20mA電流用于發(fā)送；
⑤每段上的節(jié)點(diǎn)數(shù)：每個(gè)節(jié)點(diǎn)所需功率的函數(shù)。
四、IS-78段與安全區(qū)網(wǎng)絡(luò)的連接
IS-78物理通道與其它LonWorks物理通道很相似，差別在于它可用于危險(xiǎn)區(qū)域。本安的一個(gè)最基本要求是進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域的電源的電壓和電流必須限制在一定安全水平上，一般采用安全柵或隔離器。對(duì)于IS-78來(lái)說(shuō)，MTL3054可完成這一功能，它是連接IS-78和IS-78*的物理中繼器，IS-78可作為T(mén)P-78*段的一部分。IS-78*是一個(gè)修訂規(guī)范，只要遵循該修訂規(guī)范，帶有通常TP/XF-78收發(fā)器的裝置也可與MTL3054一起工作。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面來(lái)看，要么把一個(gè)IS-78節(jié)點(diǎn)當(dāng)成單獨(dú)一個(gè)段，要么把它當(dāng)成TP-78*段的一部分。如果把IS-78節(jié)點(diǎn)當(dāng)成TP-78*段的一部分。則存在一個(gè)潛在的問(wèn)題，即TP-78*收發(fā)器要求來(lái)自神經(jīng)元芯片的差分驅(qū)動(dòng)，而IS-78收發(fā)器則要求單端驅(qū)動(dòng)。一旦通信參數(shù)被組態(tài)工具改寫(xiě)，則IS-78節(jié)點(diǎn)會(huì)停止通信。與其它物理通道一樣，IS-78節(jié)點(diǎn)也可實(shí)現(xiàn)多種安裝方式，如預(yù)安裝方式、自安裝方式等。
本安變壓器是MTL3054中TP/XF-78收發(fā)器的重要部分。一個(gè)MTL3054加在TP/XF-78通道上，就如同在通道上掛接8只收發(fā)器。
采用TP-78*規(guī)范時(shí)，一旦8只MTL3054連到某個(gè)段上，這就已達(dá)到了這個(gè)段的極限。若需連接更多的本安節(jié)點(diǎn)，則需采用一只路由器。
要將IS-78與安全區(qū)TP/XF-78網(wǎng)絡(luò)相連，則還要將TP-78*與TP/XF-78連到一起，這時(shí)也需要一只路由器，路由器的一邊連到TP-78*，另一邊連到TP/XF-78下面簡(jiǎn)要介紹網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。將IS-78段本安網(wǎng)絡(luò)與其它非本安網(wǎng)絡(luò)連到一起，同樣需要用組態(tài)工具，常用的組態(tài)工具有LONMAKER和ICELAN-G等。LONMAKER在安裝節(jié)點(diǎn)時(shí)會(huì)改寫(xiě)通信參數(shù)，因此不能直接把IS-78節(jié)點(diǎn)當(dāng)成偽TP-78節(jié)點(diǎn)來(lái)安裝。由于MTL3054內(nèi)部不包含神經(jīng)元芯片，因此MTL3054不是真正的路由器，這就限制使用通常的方法來(lái)組態(tài)IS-78段，而必須將LONMAKER與Echelon的應(yīng)用程序cfg-rtr配合起來(lái)使用，才能完成組態(tài)工作。由于ICELAN-G軟件在安裝節(jié)點(diǎn)時(shí)并不修改通信參數(shù)，組態(tài)時(shí)只要將IS-78它可節(jié)點(diǎn)當(dāng)作偽TP-78節(jié)點(diǎn)來(lái)安裝即可。
五、結(jié)束語(yǔ)
本文簡(jiǎn)要介紹了LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線本安技術(shù)，希望為L(zhǎng)onWorks應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，特別是應(yīng)用于那些危險(xiǎn)區(qū)域，提供一定的幫助。總的來(lái)說(shuō)，LonWorks本安技術(shù)涉及IST-78本安收發(fā)器、ISC-78本安控制模塊、本安節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、MTL3054/ MTL3055隔離/中繼器、IS -78本安物理通道規(guī)范、IS-78段與安全區(qū)網(wǎng)絡(luò)的連接、路由器配置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及軟件組態(tài)等方面的內(nèi)容。由于本安技術(shù)是一種系統(tǒng)概念，涉及到的技術(shù)問(wèn)題較多，作者不可能作太詳細(xì)的介紹，但是我們希望通過(guò)本文來(lái)促進(jìn)LonWorks本安技術(shù)的研究。
