FF現(xiàn)場總線的配電與短路保護(hù)及其防爆

1 FF現(xiàn)場總線物理層（IEC61158-2）簡介

基金會(huì)現(xiàn)場總線（Foundation Fieldbus）通常簡稱為FF現(xiàn)場總線，它分為H1和H2兩級(jí)總線。H1采用符合 IEC 61158-2標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線物理層；H2則采用高速以太網(wǎng)為物理層。本文只討論FF之H1現(xiàn)場總線的配電、短路保護(hù)和防爆技術(shù)。

H1現(xiàn)場總線物理層的主要電氣特征如下：

數(shù)據(jù)傳輸方式：數(shù)字化，位同步；傳輸波特率：31.25kbit/s；驅(qū)動(dòng)電壓：9～32VDC；信號(hào)電流：±9mA；電纜型式：屏蔽雙絞線；接線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：線形、樹形、星形及其復(fù)合形；電纜長度：小于等于1900m（無中繼器時(shí)）；分支電纜的長度：30～120m；掛接設(shè)備數(shù)量：小于等于32臺(tái)（無中繼器時(shí)）；可用中繼器數(shù)；小于等于4臺(tái)；適用防爆方法：本質(zhì)安全型防爆方法等。

2 FF現(xiàn)場總線的配電

H1現(xiàn)場總線在一根屏蔽雙絞線電纜上完成對(duì)多臺(tái)現(xiàn)場儀表供電和雙向數(shù)字通訊?？刂葡到y(tǒng)所配備的H1網(wǎng)卡通常只負(fù)責(zé)與現(xiàn)場儀表的雙向通訊。而總線的配電則需由專門的FF配電承擔(dān)，如圖1所示。

H1總線以“段（Segment）”為單位組成總線網(wǎng)絡(luò)。每臺(tái)H1網(wǎng)卡通常有兩個(gè)或4個(gè)端口。每段總線需配1臺(tái)FF配電器。每段總線的兩端需各配一個(gè)網(wǎng)端（又稱終端電阻），以消除高頻信號(hào)的回聲。由于FF配電器中的總線適配電路通常含有一個(gè)網(wǎng)端，因此用戶還需在每仙總線的末端配備一個(gè)網(wǎng)端。

配備了H1網(wǎng)卡、FF配電器、網(wǎng)端之后，就可以在該段總線上掛接FF現(xiàn)場總線儀表了。根據(jù)FF協(xié)議的有關(guān)可互操作性的規(guī)定，任何總線基金會(huì)注冊(cè)的現(xiàn)場儀表均應(yīng)該可以掛接在H1總線上。
每段H1總線可以掛接多少臺(tái)現(xiàn)場儀表，而總線電纜又能設(shè)置多長呢？通常H1網(wǎng)卡的供應(yīng)商會(huì)說明每段所掛接儀表的極限數(shù)量（如16臺(tái)）和推薦數(shù)量（如8臺(tái)）。然而，F(xiàn)F配電器的配電能力也會(huì)影響可掛接儀表的數(shù)量和總線電纜的長度。比如，F(xiàn)F配電器的配電電流，限制著現(xiàn)場儀表的耗電電流的總和。配電電流越大，能掛接的儀表就越多。當(dāng)掛接儀表數(shù)量不變時(shí)，配電電壓越高，總線電纜就能設(shè)置得越長，現(xiàn)舉例來說明現(xiàn)場總線配電器應(yīng)用中，現(xiàn)場總線掛接現(xiàn)場儀表數(shù)量和電纜長度的估算。

設(shè)配電器配電能力：24VDC/400mA；
FF總線變送器耗電：9V/17.5mA；
FF總線閥門定位器耗電：9V/26mA；
FF現(xiàn)場總線A型電纜分布電阻：44Ω/km。

1） 現(xiàn)場儀表掛接數(shù)量

變送器：400÷17.5 = 22.8（臺(tái)）
定位器：400÷26 = 15.3（臺(tái)）

因此，每根總線可掛接22臺(tái)變送器或15臺(tái)閥位定位器。實(shí)踐中，每段H1總線通常掛接16臺(tái)現(xiàn)場儀表，其中閥門定位器為4到8臺(tái)。

2） 電纜長度：假設(shè)總線上掛接8臺(tái)變送器和8臺(tái)閥門定位器。

則現(xiàn)場儀表耗電總額為

（8×17.5）＋（8×26）= 348 （mA）

允許總線電纜的壓降為

24－9 ﹦15（V）

允許電纜總電阻為

15V÷348mAv = 43.1Ω

電纜長度為

43.1÷44 = 0.980（km）

因此，當(dāng)總線上掛接8臺(tái)變送器加8臺(tái)閥門定位器時(shí)，電纜長度可達(dá)980 m。

3 FF現(xiàn)場總線配電的冗余

由于每段現(xiàn)場總線將掛接多臺(tái)現(xiàn)場儀表，如果FF配電器失效，所有儀表均無法工作，因此FF的冗余配電越來越受到重視。

那么，一段總線上可否直接配備兩臺(tái)FF配電器呢？不可以。因?yàn)镕F配電器所含有FF總線適配電路，如專用的濾波電路和網(wǎng)端等，并不允許簡單地并聯(lián)使用。所以，F(xiàn)F冗余配電方案需經(jīng)專門設(shè)計(jì)。
如圖2所示，F(xiàn)F配電器可被分解為配電電路和FF適配電路兩部分。由于FF適配電路難以冗余，因此FF的冗余配電方案通常將配電和FF適配分成獨(dú)立的模塊，并采用配電模塊的冗余，如圖3所示。

市場上的產(chǎn)品有兩種。一是每FF適配器模塊均配備冗余的配電模塊，組成單段的FF配電組合。二是采用一對(duì)冗余的配電模塊，與多臺(tái)FF適配模塊組成多段（如4段）的FF配電組合。

4 FF現(xiàn)場總線的短路保護(hù)

實(shí)踐表明，F(xiàn)F現(xiàn)場總線的實(shí)際應(yīng)用中，配電故障還是比較少見的。最常見的故障是現(xiàn)場總線的短路。在FF總線的應(yīng)用中必須充分重視FF總線的短路問題。這是因?yàn)椋浩湟?，F(xiàn)F總線是在一對(duì)屏蔽雙絞線上掛接了多臺(tái)現(xiàn)場儀表，任何其中一臺(tái)儀表的短路，都會(huì)導(dǎo)致整段總線的短路。當(dāng)在線維護(hù)儀表時(shí)，拆裝儀表電纜的操作很難避免電纜頭觸碰儀表機(jī)殼，從而造成短路。即使這種短路是短暫的，也會(huì)危害整段總線的正常工作；其二，由于一段總線上任何一點(diǎn)的短路，都造成整段的短路，使得查找和排除短路故障比較困難。比如，某段總線掛接了8臺(tái)現(xiàn)場儀表，末尾還有一臺(tái)網(wǎng)端。這8臺(tái)表的安裝位置可能相距30 m或3層平臺(tái)。當(dāng)該段總線發(fā)生短路時(shí)，儀表維護(hù)人員無法直觀地判斷是哪臺(tái)表發(fā)生短路，也無法判斷是只有一個(gè)短路點(diǎn)，還是不止一個(gè)。必須做好檢查所有8臺(tái)儀表的準(zhǔn)備。也許要花一個(gè)小時(shí)、來回跑幾百米、上下爬幾層平臺(tái)，才能找到問題所在。

解決短路保護(hù)問題，最直接有效的辦法是采用具有總線各分支短路保護(hù)功能的現(xiàn)場接線盒。這種短路保護(hù)接線盒可以使得任何一臺(tái)儀表的短路都不影響本總線段其他儀表的工作，而且使得儀表維護(hù)人員在控制室內(nèi)便可對(duì)短路故障點(diǎn)一目了然。

5 FF現(xiàn)場總線在非防爆場合下的的典型應(yīng)用

圖4所示為目前最受歡迎的非防爆場合的FF總線應(yīng)用框圖。圖中沒有標(biāo)出網(wǎng)端，因?yàn)樵谶@種實(shí)際應(yīng)用中，冗余的配電組合中含有一臺(tái)網(wǎng)端，短路保護(hù)型接線盒中也含有一臺(tái)網(wǎng)端，所以應(yīng)用時(shí)無需另配網(wǎng)端。

6 FF現(xiàn)場總線的防爆

自從FF現(xiàn)場總線開始在易燃易爆的危險(xiǎn)場合應(yīng)用以來，F(xiàn)F現(xiàn)場總線的防爆技術(shù)一直在發(fā)展變化當(dāng)中。

在早期，只允許采用本質(zhì)安全型防爆方法。這是因?yàn)?，只有本安防爆才能充分滿足現(xiàn)場總線儀表在不停電的條件下進(jìn)行安裝和維護(hù)的要求。其他防爆方法如隔爆型、增安型或無火花型防爆方法都必須斷電維護(hù)。后來，隨著應(yīng)用規(guī)模越來越大，出于對(duì)應(yīng)用成本的考慮，防爆方法的準(zhǔn)用逐漸擴(kuò)大。下面根據(jù)這種防爆應(yīng)用的發(fā)展過程，討論各種已經(jīng)被實(shí)際應(yīng)用過的防爆應(yīng)用方案。

a） 現(xiàn)場總線隔離柵

在H1網(wǎng)卡與現(xiàn)場儀表之間，設(shè)置一臺(tái)現(xiàn)場總線隔離柵，既給無源的H1網(wǎng)卡配電，又給本安防爆的現(xiàn)場總線配電。如圖5所示。

圖5所示方案在現(xiàn)場總線應(yīng)用初期比較受用戶歡迎。主要是因?yàn)檫@種方法比較簡單、直觀，與傳統(tǒng)模擬量回路的隔離柵應(yīng)用也比較類似，容易被用戶接受。

這一方案在FF現(xiàn)場總線總應(yīng)用的推廣過程中，反映出兩個(gè)先天不足。

1） 總線隔離柵大幅度限制了H1網(wǎng)卡掛接現(xiàn)場儀表的能力。因?yàn)槊慷蜨1總線只能配置1臺(tái)總線隔離柵，而每臺(tái)隔離柵只能掛接3至4臺(tái)現(xiàn)場儀表。也就是說，由于使用了總線隔離柵，使得原本能掛接16臺(tái)現(xiàn)場儀表的H1網(wǎng)卡，只能掛接3到4臺(tái)現(xiàn)場儀表了。于是，現(xiàn)場總線的優(yōu)勢被大打折扣。

2） 由于這種總線隔離柵對(duì)現(xiàn)場總線的配電含有內(nèi)阻，使現(xiàn)場總線電纜的長度最長只能是220 m。大大限制了其應(yīng)用范圍。

不過，當(dāng)時(shí)FF總線的應(yīng)用規(guī)模很小，基本是實(shí)驗(yàn)性的，因此此方案的弊病并不突出。

b） 現(xiàn)場總線本安中繼器

隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，為了克服總線隔離柵的不足，現(xiàn)在越來越多的用戶傾向于采用現(xiàn)場總線本安中繼器的方案。如圖6所示。每段H1網(wǎng)卡最多配置4臺(tái)安中繼器，既給無源的H1網(wǎng)卡配電，又分別給本安防爆的現(xiàn)場總線配電?，F(xiàn)通過舉例來說明現(xiàn)場總線本安中繼器應(yīng)用中，現(xiàn)場總線掛接現(xiàn)場儀表數(shù)量和電纜長度的估算。

設(shè)本安中繼器配電能力：不小于12.8VDC/100mA；FF總線變送器耗電：9V/17.5mA；FF總線閥門定位器耗電：9V/26mA；FF現(xiàn)場總線A型電纜分布電阻：44Ω/km。則

1） 現(xiàn)場儀表掛接數(shù)量

變送器：100÷17.5 = 5.7（臺(tái)）
定位器：100÷26 = 3.8（臺(tái)）

因此，每根本安總線可掛接5臺(tái)變送器；或4臺(tái)變送器加1臺(tái)閥門定位器；或2臺(tái)變送器加2臺(tái)定位器；或1臺(tái)變送器加3臺(tái)定位器。

2） 電纜長度

假設(shè)總線上掛接4臺(tái)變送器和1臺(tái)閥門定位器，則現(xiàn)場儀表耗電總額為（4×17.5）+（1×26） = 96（mA）
允許總線電纜的壓降為 12.8-9 = 3.8 V
允許電纜總電阻為 3.8÷96 mA = 39.5Ω
電纜長度為39.5÷44 = 0.898（km）

因此，當(dāng)總線上掛接4臺(tái)變送器加1臺(tái)定位器時(shí)，電纜長度可達(dá)898 m。

可見，采用本安中繼器，每段H1網(wǎng)卡可掛接16臺(tái)現(xiàn)場儀表，本安總線電纜可長達(dá)近900 m。于是H1網(wǎng)卡的工作能力得到充分利用，并能夠滿足更多應(yīng)用場合的要求。

這種方案仍存在兩個(gè)不足。第一，每段總線需要放多根電纜到現(xiàn)場，本安中繼器和現(xiàn)場附件的數(shù)量仍較多，所占應(yīng)用成本的比重較大；第二，冗余配電和短路保護(hù)的要求還沒有得到滿足。

c） 無火花型和隔爆型防爆

當(dāng)FF總線的應(yīng)用規(guī)模達(dá)到一個(gè)項(xiàng)目成千上萬點(diǎn)以后，應(yīng)用成本和系統(tǒng)的可運(yùn)行性問題就非常突出了。一方面要求FF總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)盡可能簡化，附件精簡；另一方面要求FF總線實(shí)現(xiàn)冗余配電和短路保護(hù)。

圖7所示為基于上述考慮采用的防爆方案。其中，F(xiàn)F配電采用冗余配電組合。H1總線的主干線按照無火花防爆的要求敷設(shè)到危險(xiǎn)區(qū)2區(qū)。短路保護(hù)型接線盒采用無火花型防爆（Ex nA），安裝在危險(xiǎn)區(qū)2區(qū)?，F(xiàn)場儀表如果需要安裝在危險(xiǎn)區(qū)1區(qū)，就采用隔爆型防爆方法；如果安裝在危險(xiǎn)區(qū)2區(qū)，則不管隔爆型還是無火花型防爆方法都可采用。

這一方案雖然簡化了FF總線配置，降低了成本，而且提高了可靠性。但是也帶來了新的問題。其一，降低了系統(tǒng)的防爆安全性級(jí)別。無火花型防爆是所有防爆方法中安全性最低的，所以只被允許應(yīng)用在危險(xiǎn)區(qū)2區(qū)。而隔爆型防爆方法也比不上本安型防爆來得更安全。其二，無火花型防爆和隔爆型防爆方法，均不允許對(duì)儀表進(jìn)行帶電在線維護(hù)。由于每段總線上掛接許多儀表，如果某臺(tái)儀表故障，必須對(duì)整段總線停電檢修，不僅將對(duì)工廠的正常生產(chǎn)造成影響，還將提高工廠的管理風(fēng)險(xiǎn)和管理成本，對(duì)工廠的長期安全運(yùn)行帶來潛在的危害。

d） FF現(xiàn)場安全柵模盒的應(yīng)用

這是德國P+F公司最新推出的FF總線防爆應(yīng)用方案。其核心產(chǎn)品為集本安防爆、中繼器、短路保護(hù)接線盒、網(wǎng)端等諸多功能于一身的FF現(xiàn)場安全柵模盒。應(yīng)用方案如圖8所示。

首先，F(xiàn)F的配電采用冗余配電組合。然后H1主干總線電纜采用增安型防爆方法可敷設(shè)到現(xiàn)場的危險(xiǎn)區(qū)1區(qū)。FF現(xiàn)場安全柵模盒本身采用膠封型防爆主體、增安型防爆主干線端子、4路本安型防爆的輸出，可安裝在危險(xiǎn)區(qū)1區(qū)。相互隔離的4路輸出為本安防爆（EX ia），并具有短路保護(hù)功能?，F(xiàn)場儀表采用本安型防爆，可安裝在危險(xiǎn)區(qū)0區(qū)。

與前一個(gè)方案相比，其一，本方案顯著提高了系統(tǒng)的防爆安全級(jí)別，F(xiàn)F現(xiàn)場安全柵模盒可安裝在1區(qū)，現(xiàn)場儀表可安裝在0區(qū)?，F(xiàn)場儀表采用本安防爆，從而允許進(jìn)行帶電的在線維護(hù)。其二，本方案的應(yīng)用十分簡潔。每段總線只敷設(shè)一根主干電纜去現(xiàn)場，盡可能靠近裝置的危險(xiǎn)區(qū)1區(qū)?，F(xiàn)場只有一個(gè)品種的附屬設(shè)備，即FF現(xiàn)場安全柵模盒。其三，本方案的系統(tǒng)可運(yùn)行性非常理想。既采用冗余配電組合，又具有完善的短路保護(hù)。

7 結(jié)束語

總之，F(xiàn)F現(xiàn)場總線的配電，短路保護(hù)和防爆的應(yīng)用已經(jīng)找到了比較理想的實(shí)用方案。