摘要：本文对本质安全现场总线设备的供电方式做了详细比较，包括隔离供电、集中式供电和总线供电，讨论和分析了常用总线供电仪表的能量获取方式和信号传输原理，这为特定场所的现场总线系统供电方案的选择提供了有益的参考。
关键词：现场总线；本质安全；总线供电
一 引言
现场总线（Field Bus）是应用于生产现场,在微机化测量控制设备之间实现双向、串行、多节点数字通信的系统[1]。现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，获得了广泛应用。在工业现场还存在一些具有易燃、易爆的危险区域，要在这些场所使用现场总线，则必须解决现场总线的安全防爆问题。
本质安全技术是在爆炸性环境下使用电器设备保证安全的一种方法。它是一种以抑制电火花和热效应能量为防爆的“安全设计”技术，实质上是要保证电气设备在正常工作和规定故障状态下产生的电火花和热效应不足以引起潜在爆炸性混合物的爆炸[2]。本安技术仅适用于低电压和低功耗的设备。
在现场总线网状结构中，一但出现多电源供电情况，会使现场连线变得复杂，各电源的负载平衡以及回路中各节点处的电压下降都比较难以预料，解决本质安全防爆问题是会变得较为困难[3]。
二 现场总线设备供电方式比较
现场总线设备的供电可分为总线供电型和非总线供电型[4]。总线供电型节点设备的电源是通过电缆集中供给，其中又分电源独立供给型――集中式供电；电源和信号复合型――总线供电。而非总线供电型节点设备的电源则是由各自独立的电源供电。总线供电的本质安全型仪表，其工作电流和系统中储能元件的使用都受到了严格的限制。非总线供电仪表由于没有严格的功耗限制,其硬件设计相对简单。
2．1 非总线供电
非总线供电型在实际使用中一般采用隔离供电的方法，一般将节点设备的电源分为工作电源与通讯传输电源，节点工作电源可就地供给，通讯传输电源或由本地电源隔离供给或由电缆集中供给。该种方法需增加光电隔离电路，以便将节点的工作电路和传输电路隔离、通讯信号于工作信号相隔离，保证系统的本质安全防爆性能。
因通讯传输电源的功率要求不高，总线的负载较轻。所以，在本质安全型防爆电源输出功率允许的条件下，采用隔离供电时，总线上连接的节点数量较多。
2．2 集中式供电
集中式供电法【图1】就是节点设备的工作电流和传输电源均由总线供给，即工业现场控制网络不仅能传输通信信息，而且要能够为现场设备传输工作电源。传输媒介采用4芯电缆。其中2芯用于向节点设备供电，另外2芯用于信号传输。
图1 集中式供电
采用集中式供电主要是从线缆铺设和维护方便考虑，总线供电能减少线缆，降低布线成本。其缺点是总线上所接节点数量小。这是因为本质安全防爆电源的输出功率受防爆要求限制不能太大, 特别是电缆的分布参数和节点设备中的储能元件(电感和电容) 将进一步制约本质安全型防爆电源的输出功率。当需连接节点数多时，可以采用多条总线并联的办法来解决【图2】。
图2：总线并联法
2．3 总线供电
现有符合本质安全要求的现场总线仪表几乎都采用了总线供电技术，即维持仪表工作的能量全部从传输信号的两根总线上获取。总线供电设备由于电源本身即取自信号线，所以在构成本质安全的防爆结构时，具有很大的优势。
具有总线供电能力的现场总线有HART（Highway Addressable Remote Transducer）、FF（Foundation Fieldbus）、PROFIBUS－PA和LonWorks。根据物理层协议的不同，其能量提供、获取方式各不相同。
2．3．1 HART协议使用FSK（频移键控）技术，在4～20mA信号过程测量模拟信号上叠加了一个幅度为±0.5mA的正弦波调制信号，由于该信号的平均值为0，不产生额外的直流分量[5]。因此，成功的使模拟信号和数字双向通信能同时进行，而互不干扰，这是HART协议最重要的特点之一。HART协议被认为是现场总线的雏形，是一种过渡性协议。但由于目前使用4～20mA标准的现场仪表大量存在，所以，现场总线进入工业应用之后，HART仍会应用好多年。
ADI公司的产品AD421是专为HART调制解调器HT2012设计的低功耗D/A转换器，该芯片可为网络提供4～20mA的电流。AD421稳定性好，不易受工业现场中的噪声干扰，其内部含有电压调整器，外接场效应管DN25D组成反馈回路，可以输出＋3V、＋3.3V、＋5V电压，向系统其他芯片供电。【图3】
在HART协议智能仪表的设计中,关键性的问题是必须解决低功耗问题。由于HART通讯协议规定,有±0.5mA的电流叠加在环路4～20mA上，并且在许多智能仪表中，都要求报警电流至少可以低至3.9mA，所以整个仪表的工作电流必须限制在3.4mA以下。因此在电路设计中，各个部分均要选用低功耗器件。
图3：HART总线电路示意图
2．3．2 FF和PROFIBUS－PA现场总线
（FF）基金会现场总线中的低速总线（H1）和PROFIBUS－PA总线的物理层协议均遵从IEC1158－2标准，数据传输采用非直流传输的位同步、曼彻斯特编码协议（也成H1编码），用曼彻斯特编码【图4】传输数据时，信号沿从0变到1时发送二进制“0”，信号沿从1变到0时发送二进制“1”。数据的发送采用调节电流±9mA到总线系统的基本电流Ib的方法来实现[4]。这种编码的特点是信号不会出现长时间的高电平或低电平，且处于高、低电平的时间大体相等。这一点对实现总线供电极为关键。
图4：曼彻斯特编码
总线供电电源的电压范围为9～32V,典型连接方法如下图所示，电源必须通过阻抗器（或使用内置阻抗器的总线专用电源）与总线相接【图5】，使其在不同频率范围内具有不同的输出阻抗。接于电源附近和总线最远端的两个终端器，除了用于匹配传输线的阻抗外，也是产生电压信号的重要器件。
图5：总线供电型拓扑图
现场总线仪表以31.25Kbit/s的速率通过改变其从总线上吸取的电流来发送信号。发送仪表的电流变化波形的峰-峰值应在15～30ｍＡ之间，电流的变化应该能够在50Ω等效负载上产生0.75～1.5V峰-峰值的电压信号。如果取电流峰-峰值20ｍＡ,则仪表从总线上吸取的电流将在ＩＱ=±10ｍＡ之间变化，在信号的低电平状态,仪表从总线上吸取的电流可以很小,甚至为0,而不会影响仪表的正常工作。这是由于信号是以曼彻斯特码的形式输出的。发送信号在低电平状态的停留时间最多只有2个时钟周期(64μｓ),在此期间,器件的工作电流可由仪表内部的电容提供,在接下来的高电平状态,仪表将从总线上吸取ＩＱ=10ｍＡ,为电容充电。这个过程与常用的电源电路的整流滤波过程很相似,整流桥输出的电流是脉动的,但在电容滤波后提供给负载的电流则是连续的。
2．3．3 LonWorks广泛用于楼宇自动化、工业过程控制、保安系统、交通运输等领域，被誉为通用控制网络。为了将LonWorks现场总线应用于具有防爆要求的生产现场，MTL公司开发了IS－78 LonWorks本安物理通道，IST－78收发器和ISC－78控制模块，结合MTL3054/3055通信隔离/中继器，可将LonWorks网络延伸到危险区域[6]。
IST－78收发器的结构如下图所示【图6】，IST－78收发器有两根线与物理通道相连，接收器从节点吸取能量为节点供电，同时也传送双向通信信号。收发器内含有3个变压器，两个用于双向通信，提供与神经元芯片和本安物理通道两个通信接口。另一个用于提供电源，对于总线供电方式, IS —78 组件输出的电源指标为:电压5 V ±5 % ,噪声幅度不大于±200 mV ,输出电流不大于50 mA。
图6：IST－78收发器结构图
三 本安系统安全性
目前,我国现行的本安防爆系统论证技术为“联合取证”，也称“回路认证”或“系统认证”[7]。由于本安防爆实质上是系统防爆，其防爆性能不仅与关联设备有关，而且也与相应设备有关。这种组合一经认定,其本安设备或关联设备就不能用未经检验机构认证过的其他型号规格的设备替代。而国际上通常采用“参量认证”的方式,即对关联设备与现场设备分别给出一组安全参数,并可由用户自由地将不同生产厂商的电气设备进行组合，从安全角度出发仅需限制如下参数：
Vmax ———最大允许电压;
Imax ———最大允许电流;
Ci ———内部电容;
Li ———内部电感。
任何进入危险区域的电路，必须采用经本安论证的安全栅或电器隔离器限制进入危险区域的电压、电流及相应的功率。应当指出，在现场总线设备进行本安论证时，采用“参量论证”显得更加合理。目前，我国也正出台相应措施以加速“参量论证”在防爆体系认证中的应用，推动我国的本安系统防爆技术与国际防爆技术的全面接轨。
四 结束语
目前,随着现场总线技术在我国石油、化工等危险产业中的广泛应用,现场总线的安全性也越来越得到普遍重视。笔者就现场总线测控系统设计中的能量供给进行了探讨，希望能为现场总线的推广和应用打下一定基础，为将现场总线系统应用于具有本安要求的生产现场提供有益的帮助。
参考文献
[1] 阳宪惠. 现场总线技术及其应用,北京,清华大学出版社, 1999 :70～79.
[2] 商立群. 本质安全电路及其研究. 仪器仪表学报. 2002，Vol.23,No.3 ：817-818
[3] 付 华, 刘尹霞. 现场总线系统的本质安全防爆技术. 电气防爆，2003, 3：11－14
[4] 辛晓宁,汪 滢,于海斌. 总线供电的ＦＦ现场总线媒体结合单元(ＭＡＵ)电路设计. 仪表技术与传感器，2003 ：40－42
[5] 马小永，汪宝兵. ＨＡＲＴ协议简介及ＨＡＲＴ智能仪表的组成原理. 总线与网络. 2002，4：45－49
[6] 李正明，杨继昌. LonWorks 现场总线测控系统的本质安全设计.中国安全科学学报. 2001，Vol.11,No.5 ：17-21
[7] 张培仁,朱东杰. 现场总线与本质安全. 火灾科学. 2002，Vol.9,No.3 ：53-57