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FF现场总线的配电与短路保护及其防爆摘要：扼要介绍了FF现场总线物理层的主要电气特征及其构成，并以实例简明扼要地介绍了该总线在实际应用中配电、配电冗余和短路保护等问题的解决方案。关键词：基金会现场总线；配电器；现场总线隔离栅；本安中继器1FF现场总线物理层IEC61158-2简介基金会现场总线FoundationFieldbus通常简称为FF现场总线，它分为H1和H2两级总线。H1采用符合IEC61158-2标准的现场总线物理层；H2那么采用高速以太网为物理层。本文只讨论FF之H1现场总线的配电、短路保护和防爆技术。H1现场总线物理层的主要电气特征如下：数据传输方式：数字化，位同步；传输波特率：31.25kbit/s；驱动电压：932VDC；信号电流：±9mA；电缆型式：屏蔽双绞线；接线拓扑构造：线形、树形、星形及其复合形；电缆长度：小于即是1900m无中继器时；分支电缆的长度：30120m；挂接设备数目：小于即是32台无中继器时；可用中继器数；小于即是4台；适用防爆方法：本质平安型防爆方法等。2FF现场总线的配电H1现场总线在一根屏蔽双绞线电缆上完成对多台现场仪表供电和双向数字通讯。控制系统所装备的H1网卡通常只负责与现场仪表的双向通讯。而总线的配电那么需由专门的FF配电承当，如图1所示。H1总线以“段Segment为单位组成总线网络。每台H1网卡通常有两个或者4个端口。每段总线需配1台FF配电器。每段总线的两端需各配一个网端又称终端电阻，以消除高频信号的回声。由于FF配电器中的总线适配电路通常含有一个网端，因此用户还需在每仙总线的末端装备一个网端。装备了H1网卡、FF配电器、网端之后，就可以在该段总线上挂接FF现场总线仪表了。根据FF协议的有关可互操纵性的规定，任何总线基金会注册的现场仪表均应该可以挂接在H1总线上。每段H1总线可以挂接多少台现场仪表，而总线电缆又能设置多长呢？通常H1网卡的供给商会讲明每段所挂接仪表的极限数目如16台和推荐数目如8台。然而，FF配电器的配电才能也会影响可挂接仪表的数目和总线电缆的长度。比方，FF配电器的配电电流，限制着现场仪表的耗电电流的总和。配电电流越大，能挂接的仪表就越多。当挂接仪表数目不变时，配电电压越高，总线电缆就能设置得越长，现举例来讲明现场总线配电器应用中，现场总线挂接现场仪表数目和电缆长度的估算。设配电器配电才能：24VDC/400mA；FF总线变送器耗电：9V/17.5mA；FF总线阀门定位器耗电：9V/26mA；FF现场总线A型电缆分布电阻：44/km。1现场仪表挂接数目变送器：400÷17.5=22.8台定位器：400÷26=15.3台因此，每根总线可挂接22台变送器或者15台阀位定位器。理论中，每段H1总线通常挂接16台现场仪表，其中阀门定位器为4到8台。2电缆长度：假设总线上挂接8台变送器和8台阀门定位器。那么现场仪表耗电总额为8×17.58×26=348mA允许总线电缆的压降为24915V允许电缆总电阻为15V÷348mAv=43.1电缆长度为43.1÷44=0.980km因此，当总线上挂接8台变送器加8台阀门定位器时，电缆长度可达980m。3FF现场总线配电的冗余由于每段现场总线将挂接多台现场仪表，假如FF配电器失效，所有仪表均无法工作，因此FF的冗余配电越来越受到重视。那么，一段总线上可否直接装备两台FF配电器呢？不可以。由于FF配电器所含有FF总线适配电路，如专用的滤波电路和网端等，并不允许简单地并联使用。所以，FF冗余配电方案需经专门设计。如图2所示，FF配电器可被分解为配电电路和FF适配电路两局部。由于FF适配电路难以冗余，因此FF的冗余配电方案通常将配电和FF适配分成独立的模块，并采用配电模块的冗余，如图3所示。市场上的产品有两种。一是每FF适配器模块均装备冗余的配电模块，组成单段的FF配电组合。二是采用一对冗余的配电模块，与多台FF适配模块组成多段如4段的FF配电组合。4FF现场总线的短路保护理论说明，FF现场总线的实际应用中，配电故障还是比拟少见的。最常见的故障是现场总线的短路。在FF总线的应用中必须充分重视FF总线的短路问题。这是由于：其一，FF总线是在一对屏蔽双绞线上挂接了多台现场仪表，任何其中一台仪表的短路，都会导致整段总线的短路。当在线维护仪表时，拆装仪表电缆的操纵很难防止电缆头触碰仪表机壳，进而造成短路。即使这种短路是短暂的，也会危害整段总线的正常工作；其二，由于一段总线上任何一点的短路，都造成整段的短路，使得查找和排除短路故障比拟困难。比方，某段总线挂接了8台现场仪表，末尾还有一台网端。这8台表的安装位置可能相距30m或者3层平台。当该段总线发生短路时，仪表维护人员无法直观地判定是哪台表发生短路，也无法判定是只有一个短路点，还是不止一个。必须做好检查所有8台仪表的预备。也许要花一个小时、往返跑几百米、上下爬几层平台，才能找到问题所在。解决短路保护问题，最直接有效的方法是采用具有总线各分支短路保护功能的现场接线盒。这种短路保护接线盒可以使得任何一台仪表的短路都不影响本总线段其他仪表的工作，而且使得仪表维护人员在控制室内便可对短路故障点一目了然。5FF现场总线在非防爆场合下的的典型应用图4所示为目前最受欢送的非防爆场合的FF总线应用框图。图中没有标出网端，由于在这种实际应用中，冗余的配电组合中含有一台网端，短路保护型接线盒中也含有一台网端，所以应用时无需另配网端。6FF现场总线的防爆自从FF现场总线开场在易燃易爆的危险场合应用以来，FF现场总线的防爆技术一直在开展变化当中。在早期，只允许采用本质平安型防爆方法。这是由于，只有本安防爆才能充分知足现场总线仪表在不停电的条件下进展安装和维护的要求。其他防爆方法如隔爆型、增安型或者无火花型防爆方法都必须断电维护。后来，随着应用规模越来越大，出于对应用本钱的考虑，防爆方法的准用逐渐扩大。下面根据这种防爆应用的开展经过，讨论各种已经被实际应用过的防爆应用方案。a现场总线隔离栅在H1网卡与现场仪表之间，设置一台现场总线隔离栅，既给无源的H1网卡配电，又给本安防爆的现场总线配电。如图5所示。图5所示方案在现场总线应用初期比拟受用户欢送。主要是由于这种方法比拟简单、直观，与传统模拟量回路的隔离栅应用也比拟类似，轻易被用户承受。这一方案在FF现场总线总应用的推广经过中，反映出两个先天缺乏。1总线隔离栅大幅度限制了H1网卡挂接现场仪表的才能。由于每段H1总线只能配置1台总线隔离栅，而每台隔离栅只能挂接3至4台现场仪表。也就是讲，由于使用了总线隔离栅，使得本来能挂接16台现场仪表的H1网卡，只能挂接3到4台现场仪表了。于是，现场总线的上风被大打折扣。2由于这种总线隔离栅对现场总线的配电含有内阻，使现场总线电缆的长度最长只能是220m。大大限制了其应用范围。不过，当时FF总线的应用规模很小，根本是实验性的，因此此方案的弊病并不突出。b现场总线本安中继器随着应用规模的扩大，为了克制总线隔离栅的缺乏，如今越来越多的用户倾向于采用现场总线本安中继器的方案。如图6所示。每段H1网卡最多配置4台安中继器，既给无源的H1网卡配电，又分别给本安防爆的现场总线配电。现通过举例来讲明现场总线本安中继器应用中，现场总线挂接现场仪表数目和电缆长度的估算。设本安中继器配电才能：不小于12.8VDC/100mA；FF总线变送器耗电：9V/17.5mA；FF总线阀门定位器耗电：9V/26mA；FF现场总线A型电缆分布电阻：44/km。那么1现场仪表挂接数目变送器：100÷17.5=5.7台定位器：100÷26=3.8台因此，每根本安总线可挂接5台变送器；或者4台变送器加1台阀门定位器；或者2台变送器加2台定位器；或者1台变送器加3台定位器。2电缆长度假设总线上挂接4台变送器和1台阀门定位器，那么现场仪表耗电总额为4×17.5+1×26=96mA允许总线电缆的压降为12.8-9=3.8V允许电缆总电阻为3.8÷96mA=39.5电缆长度为39.5÷44=0.898km因此，当总线上挂接4台变送器加1台定位器时，电缆长度可达898m。可见，采用本安中继器，每段H1网卡可挂接16台现场仪表，本安总线电缆可长达近900m。于是H1网卡的工作才能得到充分利用，并可以知足更多应用场合的要求。这种方案仍存在两个缺乏。第一，每段总线需要放多根电缆到现场，本安中继器和现场附件的数目仍较多，所占应用本钱的比重较大；第二，冗余配电和短路保护的要求还没有得到知足。c无火花型和隔爆型防爆当FF总线的应用规模到达一个工程成千上万点以后，应用本钱和系统的可运行性问题就非常突出了。一方面要求FF总线的网络构造尽可能简化，附件精简；另一方面要求FF总线实现冗余配电和短路保护。图7所示为基于上述考虑采用的防爆方案。其中，FF配电采用冗余配电组合。H1总线的主干线按照无火花防爆的要求敷设到危险区2区。短路保护型接线盒采用无火花型防爆ExnA，安装在危险区2区。现场仪表假如需要安装在危险区1区，就采用隔爆型防爆方法；假如安装在危险区2区，那么不管隔爆型还是无火花型防爆方法都可采用。这一方案固然简化了FF总线配置，降低了本钱，而且进步了可靠性。但是也带来了新的问题。其一，降低了系统的防爆平安性级别。无火花型防爆是所有防爆方法中平安性最低的，所以只被允许应用在危险区2区。而隔爆型防爆方法也比不上本安型防爆来得更平安。其二，无火花型防爆和隔爆型防爆方法，均不允许对仪表进展带电在线维护。由于每段总线上挂接很多仪表，假如某台仪表故障，必须对整段总线停电检修，不仅将对工厂的正常消费造成影响，还将进步工厂的治理风险和治理本钱，对工厂的长期平安运行带来潜伏的危害。dFF现场平安栅模盒的应用这是德国P+F公司最新推出的FF总线防爆应用方案。其核心产品为集本安防爆、中继器、短路保护接线盒、网端等众多功能于一身的FF现场平安栅模盒。应用方案如图8所示。首先，FF的配电采用冗余配电组合。然后H1主干总线电缆采用增安型防爆方法可敷设到现场的危险区1区。FF现场平安栅模盒本身采用胶封型防爆主体、增安型防爆主干线端子、4路本安型防爆的输出，可安装在危险区1区。互相隔离的4路输出为本安防爆EXia，并具有短路保护功能。现场仪表采用本安型防爆，可安装在危险区0区。与前一个方案相比，其一，本方案显著进步了系统的防爆平安级别，FF现场平安栅模盒可安装在1区，现场仪表可安装在0区。现场仪表采用本安防爆，进而允许进展带电的在线维护。其二，本方案的应用特别简洁。每段总线只敷设一根主干电缆去现场，尽可能靠近装置的危险区1区。现场只有一个品种的附属设备，即FF现场平安栅模盒。其三，本方案的系统可运行性非常理想。既采用冗余配电组合，又具有完善的短路保护。7完毕语总之，FF现场总线的配电，短路保护和防爆的应用已经找到了比拟理想的实用方案。0