(3)2-WISE僅供通信的端口。
2-WISE僅供通信的端口實(shí)際上就是APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)僅供通信的輸出端口(即本質(zhì)安全關(guān)聯(lián)電路輸出端口)。因此，2-WISE僅供通信的端口的安全參數(shù)實(shí)際上就是APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)僅供通信的輸出端口的本質(zhì)安全輸出參數(shù)。這些參數(shù)應(yīng)滿足如表3所示的2-WISE僅供通信端口的本質(zhì)安全參數(shù)規(guī)定值。其端口應(yīng)采用電阻限流，以滿足線性輸出特性。
表3中：Uo為最大輸出電壓；Io為最大輸出電流；Po為最大輸出功率。
表3中規(guī)定了Ui、Ii和Pi等參數(shù)的參數(shù)值。其目的是為了在誤接到APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)帶供電電源端口時(shí)，防止僅供通信端口受到非預(yù)期的損害。
(4)2-WISE系統(tǒng)電纜。
本質(zhì)安全系統(tǒng)用電纜是影響系統(tǒng)本質(zhì)安全防爆性能的重要因素之一。IEC 61158-2物理層規(guī)范規(guī)定了4種適用于31.25 kbit/s現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的媒體電纜。它們分別是A型屏蔽雙絞線、B型屏蔽多對(duì)雙絞線、C型無屏蔽雙絞線和口型多芯屏蔽電纜。分析表明，這些電纜幾乎覆蓋了適用于模擬儀表系統(tǒng)的所有電纜 [6]，一般也適合于2-WISE系統(tǒng)各支線電纜布線。因此，基于2-WISE系統(tǒng)的布線電纜應(yīng)符合以下參數(shù)要求。
①電纜電阻Rc為15~150 Ω/km。
②電纜電感Lc為0.4~1 mH/km。
③電纜電容Cc為45~200 nF/km。
電纜參數(shù)可按GB/T 3836.15附錄C規(guī)定的要求測(cè)定。需要注意的是，在使用Cc核驗(yàn)2-WISE系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)關(guān)注電纜是否采用了屏蔽電纜。對(duì)于非屏蔽電纜，只要確認(rèn)單位長(zhǎng)度電纜導(dǎo)體間分布電容值是否介于2-WISE電纜電容參數(shù)范圍即可。對(duì)于使用屏蔽電纜的情況，如果電纜導(dǎo)體與接地屏蔽層是隔離的，或屏蔽層被連接成供電電源正負(fù)極的對(duì)稱平衡點(diǎn)時(shí)，不僅要考慮導(dǎo)體間的電容，還要考慮導(dǎo)體與屏蔽層之間的電容。此時(shí)，電纜單位長(zhǎng)度的電容Cc應(yīng)為：
Cc = C導(dǎo)體/導(dǎo)體 + 0.5C導(dǎo)體/屏蔽層 (1)
式中：C導(dǎo)體/導(dǎo)體為單位長(zhǎng)度電纜導(dǎo)體與導(dǎo)體之間的分布電容；C導(dǎo)體/屏蔽層為單位長(zhǎng)度電纜導(dǎo)體與屏蔽層之間的分布電容。
如果屏蔽層僅與電源的一極連接，則電纜單位長(zhǎng)度的電容Cc應(yīng)為：
Cc = C導(dǎo)體/導(dǎo)體+C導(dǎo)體/屏蔽層 (2)
3 Ethernet-APL控制系統(tǒng)安全應(yīng)用規(guī)則
鑒于防爆安全涉及國家財(cái)產(chǎn)和人民生命的重大公共安全問題，構(gòu)成Ethernet-APL控制系統(tǒng)的所有防爆設(shè)備在進(jìn)入市場(chǎng)流通前必須經(jīng)國家指定的防爆檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)，并取得防爆合格證。2-WISE相關(guān)設(shè)備應(yīng)明示設(shè)備認(rèn)證基于2-WISE概念。對(duì)于涉及國家強(qiáng)制性認(rèn)證的產(chǎn)品，應(yīng)取得3C防爆認(rèn)證證書。防爆設(shè)備供應(yīng)商和工業(yè)用戶要做到“持證銷售”“有證采購”。
與FISCO概念類似，Ethernet-APL控制系統(tǒng)的2-WISE概念為相關(guān)設(shè)備制造廠商規(guī)定了統(tǒng)一的安全參數(shù)限值，旨在實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全系統(tǒng)的配置優(yōu)化，以確保構(gòu)建的具有“多負(fù)載”特征的本質(zhì)安全系統(tǒng)的開放性、可互換性和互操作性，以及設(shè)備防爆安全兼容性，并為設(shè)計(jì)院和工業(yè)用戶提供2-WISE本質(zhì)安全系統(tǒng)自主核查、自主評(píng)價(jià)的簡(jiǎn)化方法[7]。2-WISE系統(tǒng)用設(shè)備的防爆標(biāo)志列舉和銘牌信息要求可參見IEC TS 60079-47:2017。
本質(zhì)安全防爆技術(shù)是1個(gè)系統(tǒng)的概念，涉及關(guān)聯(lián)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和連接電纜等。配置的2-WISE系統(tǒng)必須確保經(jīng)防爆檢驗(yàn)認(rèn)證的所有設(shè)備(包括APL電源交換機(jī)的本質(zhì)安全關(guān)聯(lián)電路)均符合2-WISE系統(tǒng)所規(guī)定的安全參數(shù)限值和配置模型要求。在滿足下列條件的情況下，系統(tǒng)的本質(zhì)安全性可被認(rèn)為足夠安全。
①對(duì)于帶供電電源的2-WISE系統(tǒng)，支線電纜總長(zhǎng)度不應(yīng)超過200 m (并聯(lián)分支線小于1 m的，可忽略不計(jì))。
②對(duì)于僅供通信的2-WISE系統(tǒng)，支線電纜總長(zhǎng)度不應(yīng)超過1 000 m。
系統(tǒng)的防爆類別、級(jí)別和組別應(yīng)當(dāng)基于組成系統(tǒng)的各設(shè)備的防爆類別、級(jí)別和組別確定。每個(gè)分段的2-WISE系統(tǒng)的EPL、防爆類別和級(jí)別取各設(shè)備的較低者。各設(shè)備的溫度組別不同時(shí)應(yīng)分別明示，以確保設(shè)備防爆性能與部署現(xiàn)場(chǎng)位置的爆炸性環(huán)境相適應(yīng)。
設(shè)計(jì)院或用戶在集成2-WISE系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)形成1份描述性系統(tǒng)文件。該文件用于描述系統(tǒng)的構(gòu)成模型和安全應(yīng)用相關(guān)資訊，包括但不限于列出所有配置的設(shè)備和相關(guān)的認(rèn)證證書信息，以及選用電纜相關(guān)的參數(shù)等。必要時(shí)，該文件還應(yīng)明示設(shè)備允許使用的環(huán)境溫度等[8]。
這里需要補(bǔ)充說明的是，2-WISE系統(tǒng)的安全應(yīng)用應(yīng)同時(shí)遵守GB/T 3836.4、GB/T 3836.15和GB/T 3836.18規(guī)定的相關(guān)要求。有關(guān)確保Ethernet-APL性能與功能的系統(tǒng)部署實(shí)踐，可參考《Ethernet-APL engineering guideline》[8]。
4 結(jié)論
不可否認(rèn)， Profibus PA、FF H1等專為過程自動(dòng)化量身定制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，在過去20多年得到了廣泛應(yīng)用，包括工程業(yè)主在內(nèi)的各相關(guān)方都已從中獲益。但是，基于IEC 61158的現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸速率低(31.25 kbit/s)已成為其技術(shù)瓶頸，再加上難以統(tǒng)一的數(shù)十種總線標(biāo)準(zhǔn)的無序競(jìng)爭(zhēng)、不同總線標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的互聯(lián)不暢，已嚴(yán)重阻礙現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。尤其是工業(yè)4.0時(shí)代，基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(industrial Internet of Things，IIOT)、大數(shù)據(jù)、人工智能和邊緣計(jì)算等新一代信息技術(shù)的工業(yè)制造系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化演進(jìn)，不僅需要獲取更多的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行即時(shí)分析診斷，也要求更快捷的數(shù)據(jù)傳輸與系統(tǒng)性交互、決策、控制。Ethernet-APL控制系統(tǒng)技術(shù)的出現(xiàn)正是迎合了數(shù)字時(shí)代工業(yè)測(cè)量控制的新需求。它不僅具有高帶寬、高精度、高可靠、低成本、無需網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)化等特點(diǎn)，還具有較高功率回路供電的功能，可支持現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備邊緣計(jì)算和智能化功能提升，并可基于2-WISE概念滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的本質(zhì)安全，從而實(shí)現(xiàn)在爆炸性環(huán)境中的安全部署。
可喜的是，Ethernet-APL行業(yè)協(xié)作生態(tài)正逐步形成，使得Ethernet-APL應(yīng)用于安全儀表系統(tǒng)正成為可能。存量的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備升級(jí)為APL設(shè)備的技術(shù)日趨成熟，保證了既有技術(shù)和產(chǎn)品可以便捷地得到傳承性利用。如Softing可提供1種經(jīng)濟(jì)、高效的硬件模塊commModule APL，將之嵌入現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)與Ethernet-APL接口的兼容互聯(lián)。最近更有媒體報(bào)道，某歐洲知名化工企業(yè)在中國投資的大型石化項(xiàng)目已明確DCS系統(tǒng)全部使用APL技術(shù)。
總之，任何技術(shù)變革既是挑戰(zhàn)，更是機(jī)會(huì)。可以相信，Ethernet-APL技術(shù)有望成為未來工業(yè)自動(dòng)化的優(yōu)秀技術(shù)，應(yīng)是工業(yè)儀表控制系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主攻方向。本文針對(duì)Ethernet-APL控制系統(tǒng)整體防爆安全技術(shù)的綜述和2-WISE本質(zhì)安全新技術(shù)的介紹，旨在能對(duì)自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)的制造廠商、設(shè)計(jì)院和業(yè)主有所啟示，以助力Ethernet-APL控制系統(tǒng)在爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的應(yīng)用與推廣。
參考文獻(xiàn)：
[1]Ethernet-APL.Ethernet-to the field(white paper)[M/OL].[2021-06-30].https://www.ethernet-apl.org/document/ethernet-to-the-field-whitepaper/?nowprocket=1.
[2]方原柏.控制系統(tǒng)的太網(wǎng)高級(jí)物理層應(yīng)用綜述[J].自動(dòng)化儀表,2023,44(2):1-6.
[3]IEC.Explosive atmospheres-part 47:equipent protection by 2-wire intrinsically safe Ethernet concept (2-WISE):IEC TS 60079-47:2021[S].2021.
[4]國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).爆炸性環(huán)境 第15部分：電氣裝置的設(shè)計(jì)、選型和安裝:GB/T 3836.15—2017 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017.
[5]國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).爆炸性環(huán)境 第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備:GB/T 3836.4—2021 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2021.
[6]IEC.Industrial communication networks-Fieldbus specifications part 2:physical layer specification and service definition:IEC 61158-2:2014[S].2014.
[7]徐建平.儀表本安防爆技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.
[8]Ethernet-APL.Ethernet-APL engineering guideline[M/OL].[2022-09-19].https://www.ethernet-apl.org/document/ethernet-to-the-field-whitepaper/?nowprocket=1.
作者簡(jiǎn)介：徐建平（1962—），男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師，主要從事工業(yè)自動(dòng)化與智能制造技術(shù)方向的研究以及檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證與標(biāo)準(zhǔn)化工作，E-mail：xujianping@sipai.com
引用本文：
徐建平.Ethernet-APL控制系統(tǒng)防爆安全技術(shù)綜述[J].自動(dòng)化儀表,2023,44(5):1-6.
