FISCO隔离式安全栅的硬件设计原理.doc

FISCO隔离式安全栅的硬件设计原理高新技术:ChinaNewTechnologiesandProductsFISCO隔离式安全栅的硬件设计原理杨婧(大连市化工设计院有限公司,辽宁大连)摘要:现场总线技术和数字通信技术在化学工业生产中的应用是很频繁的,因此,关于这两种技术的本质安全概念也变得更加重要.对于这种典型的安装设施的技术,FISCO(现场总线本质安全概念)模型应该被扩大和发展.安全栅作为在本质安全系统中安全区和危险区的界面起着能量隔离限制的栅网作用.本文分析了现场总线本质安全概念,隔离式安全栅的条件及参数,并对FISCO安全栅的电源原理图进行了分析设计.关键词:FISCO隔离安全栅:安全栅电源中图分类号:TG333.11文献标识码:A引言现场总线技术和数字通信技术在化学工业生产中的应用是很频繁的,因此,关于这两种技术的本质安全概念也变得更加重要.对于这种典型的安装设施的技术,FISCO(现场总线本质安全概念)模型应该被扩大和发展.安全栅作为在本质安全系统中安全区和危险区的界面起着能量隔离限制的栅网作用.其基本思想就是安全栅要满足一定的参数限制,它提供并限制本质安全现场设备和电缆所使用和存储的能量.为适应现场总线本质安全防爆系统的需要,提出现场总线本质安全概念的观点(fieldbusintrinsicallysafeconcept,FISCO).1FISCO条件FISCO认为只要满足如下条件,系统就达到了IIC等级的本质安全要求而不必进行其他的计算.(1)系统中只有一个有源的供电设备,而且它具有梯形或近似矩形的伏安特性.最大开路电压Uo<15V,最大短路电流Io<220mA;(2)总线其他节点只能是不少于10mA纯耗电设备,最多1O个节点;(3)每台设备的未保护电容Ci<5nF,未保护电感<10txH;(4)电缆长度小于1000m,每公里电阻R,电容C和电感L应符合如下要求;R/km=151501/;C/km=80-200nF;L/km=0.4lmH;f5)总线两端配终端匹配器应满足,90Ct<R<lOOfl;O<C<2.2p,F.FISCO的贡献是在保证安全的条件下允许给危险侧总线提供更多的能量f对于IIC组由传统的1.21.8W或更多)以及忽略电缆的计算而简化了防爆设计的工作量.在FISCO的要求中后4项是对本质安全现场设备的要求,这些要求就目前的技术而言不难实现.只有第1项是对安全栅的要求.较低的最大开路电压和较大的最大短路电流恰恰是为满足现场总线连接需要较大电流的要求.根据国际标准IEC61158的要求,总线供电的现场总线设备的最低工作电压是9V,考虑到线路压降和必要的富裕量,工作电压选定为13V.因此,安全栅最大开路电压15V是合适的.与传统安全栅不同,尽可能低的最大开路电压将允许更大的负载电容,这将给现场总线本质安全系统现场设备和电缆的设计带来宽松的环境.2安全栅电源原理图的设计与分析本设计是安全栅电源原理电路图,它是基于FISCO系统矩形特性隔离电源原理进行的硬件电路设计.如图1所示.本电源采用矩形特性电源,该电源有较高的工作效率.它是以LM3524脉宽调制器为核心,采用双推挽式PWM变压器隔离DC/DC电源.本电源采用24V电压作为输入电压,输出则分为两路,一路输出为13V,送到危险侧给现场总线变送器供电,另一路则送到安全侧,给变送器安全侧供电.本设计是由3PIN输入了220V交流电538B,经过整流桥整流后变成24V直流电压,从LM3524芯片的l5管脚输入,从11,14两个管脚输出脉冲,6脚的定时电阻和7脚的定时电容组成了一个振荡器,如公式(1)所示:L1f_碍=10nFx5Kf=20000Hz(1)可知振荡器频率为20000Hz,所以输出脉冲频率为20000Hz.脉冲输出后经MOS管驱动以实现负载驱动,为安全及效率考虑,采用变压器作输出隔离,以电磁感应实现无损失的能量传递,以达到设计要求,而连接在变压器上的四个二极管则起到了防止反压的作用.变压器的副边分为输出端和反馈端,输出电压为13V,稳压电压取样点在限流电阻R后(),在小负载情况下,这里电压趋于稳定不随负载电流变化而变化.限流电阻前()电压随负载电流增大而升高.本系统的最大短路电流为100mA,所以当电路中的最大短路电流不超过100mA时,点电压为13V,经过限流电阻R后,点的电压应该不小于12V,而由于R和R两电阻分流,所以,点的电压应为点电压的图1安全栅电源原理图,应该小于点的电压,所以,电流从点进入Q4,Q4导通,光电二极管发光,光电耦合器导通,电流经过误差放大器同,反相输入端输入到LM3524芯片中.由于点电压大于点电压,所以安全栅电路中比较器输出为负,三极管O3导通,三极管的集电极和发射极电压与点电压近似相等,经过电阻R分流后进入光电二极管,光电耦合器导通,电压在管脚1处与管脚2处电压(进行比较,进而控制脉宽.当电路中的最大短路电流大于lOOmA时,点电压大于点电压时,稳压电压取样点转换为.此后点电压不变而输出电压随负载电流增大而线性降低,输出特性象梯形,如图1所示.由于点电压和点电压均大于点电压,则电流从点进入Q5,Q5导通,Q4关断,电流经R和R分流后激发光电耦合器导通,最后经误差放大器进入LM3524芯片以控制脉宽.因为点电压大于点电压,所以安全栅电路中比较器输出为正,O3不导通.结论FISCO隔离安全栅设计的难点在于隔离变压器工艺设计.由于防爆安全规范的要求,隔离变压器的安全侧和本安侧绕组间的隔离间隔要大于3mm.因此,一二次侧绕组间将存在很大的漏感抗,这将使高频率脉冲电源的效率降低,输入功率增加,无故障运行时间减少.同样信号变压器的漏感抗也使波形变差,增加了信号整形的难度.本设计采用独特方法解决了这一难题.参考文献1】国家级仪器仪表防爆监督检验站.本质安全型现场总线智能仪