浅谈FF现场总线的配电与短路保护及其防爆知识

浅谈FF现场总线的配电与短路保护及其防爆

2016-08-13 12:07:23   来历:eefocus   
关键字： FF现场总线  配电  短路保护  防爆
1 FF现场总线物理层（IEC61158-2）简介
现场总线是指以工厂内的测量和操控机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也即是将传感器、各种操作终端和操控器间的通讯及操控器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模仿信号，经过通讯的数字化，使时间切割、多重化、多点化成为也许，然后完成高性能化、高牢靠化、养护简洁化、节约配线（配线的同享）。是连接智能现场设备和自动化体系的全数字、双向、多站的通讯体系。要处理工业现场的智能化仪器外表、操控器、执行机构等现场设备间的数字通讯以及这些现场操控设备和操控体系之间的信息传递疑问。

基金会现场总线（Foundation Fieldbus）一般简称为FF现场总线，它分为H1和H2两级总线。H1选用契合 IEC 61158-2规范的现场总线物理层；H2则选用高速以太网为物理层。这篇文章只评论FF之H1现场总线的配电、短路保护和防爆技能。

H1现场总线物理层的要电气特征如下：

数据传输办法：数字化，位同步；传输波特率：31.25kbit/s；驱动电压：9～32VDC；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：小于等于1900m（无中继器时）；分支电缆的长度：30～120m；挂接设备数量：小于等于32台（无中继器时）；可用中继器数；小于等于4台；适用防爆办法：实质安全型防爆办法等。

2 FF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外表供电和双向数字通讯。操控体系所装备的H1网卡一般只负责与现场外表的双向通讯。而总线的配电则需由专门的FF配电承当，如图1所示。

H1总线以“段（Segment）”为单位构成总线网络。每台H1网卡一般有两个或4个端口。每段总线需配1台FF配电器。每段总线的两头需各配一个网端（又称终端电阻），以消除高频信号的回声。

装备了H1网卡、FF配电器、网端以后，就能够在该段总线上挂接FF现场总线外表了。依据FF协议的有关可互操作性的规则，任何总线基金会注册的现场外表均应当能够挂接在H1总线上。

跟着科学技能的迅速开展，进程操控范畴在曩昔的两个世纪里发作了无穷的革新。150多年前呈现的根据5－13psi的气动信号规范（PCS，Pneumatic Control System气动操控体系），象征着操控理论开端构成，但此时没有有操控室的概念；20世纪50年代，跟着根据0－10mA或4－20mA的电流模仿信号的模仿进程操控体系被提出并得到广泛的运用，象征了电气自动操控年代的到来，三大操控论的建立奠定了现代操控的基础，建立操控室、操控功用别离的形式也一直沿袭今；20世纪70年代，跟着数字计算机的介入，产生了“集中操控”的中心操控计算机体系，而信号传输体系大部分是仍然沿袭4－20mA的模仿信号，不久大家也发现了伴跟着“集中操控”，该体系存在着易失控、牢靠性低的缺陷，并很快将其开展为散布式操控体系（DCS，Distributed Control System散布式操控体系）；微处理器的遍及运用和计算机牢靠性的进步，使散布式操控体系得到了广泛的运用，由多台计算机和一些智能外表以及智能部件完成的散布式操控是其要的特征，而数字传输信号也在逐渐替代模仿传输信号。跟着微处理器的迅速开展和广泛的运用，数字通讯网络延伸到工业进程现场成为也许，产生了以微处理器为中心，运用集成电路替代惯例电子线路，施行信息采集、显现、处理、传输以及优化操控等功用的智能设备。设备之间互相通讯、操控，在精度、可操作性以及牢靠性、可保护性等都有更高的请求。由此，致使了现场总线的产生。

每段H1总线能够挂接多少台现场外表，而总线电缆又能设置多长呢？一般H1网卡的供给商会阐明每段所挂接外表的极限数量（如16台）和引荐数量。

设配电器配电才干：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型电缆散布电阻：44Ω/km。

1） 现场外表挂接数量

变送器：400÷17.5 = 22.8（台）

定位器：400÷26 = 15.3（台）

因而，每根总线可挂接22台变送器或15台阀位定位器。实习中，每段H1总线一般挂接16台现场外表，其间阀门定位器为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。

则现场外表耗电总额为

（8×17.5）＋（8×26）= 348 （mA）

答应总线电缆的压降为

24－9 ﹦15（V）

答应电缆总电阻为

15V÷348mAv = 43.1Ω

电缆长度为

43.1÷44 = 0.980（km）

因而，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980 m。

3 FF现场总线配电的冗余

因为每段现场总线将挂接多台现场外表，假如FF配电器失效，一切外表均无法作业，因而FF的冗余配电越来越受到注重。

那么，一段总线上可否直接装备两台FF配电器呢？不能够。因为FF配电器所富含FF总线适配电路，如的滤波电路和网端等，并不答应简略地并联运用。

如图2所示，FF配电器可被分解为配电电路和FF适配电路两部分。因为FF适配电路难以冗余，因而FF的冗余配电计划一般将配电和FF适配分成独立的模块，并选用配电模块的冗余，如图3所示。

市场上的商品有两种。一是每FF适配器模块均装备冗余的配电模块，构成单段的FF配电组合。二是选用一对冗余的配电模块，与多台FF适配模块构成多段（如4段）的FF配电组合。

4 FF现场总线的短路保护

实习表明，FF现场总线的实践运用中，配电毛病仍是对比少见的。常见的毛病是现场总线的短路。在FF总线的运用中有必要充沛注重FF总线的短路疑问。这是因为：其一，FF总线是在一对屏蔽双绞线上挂接了多台现场外表，任何其间一台外表的短路，都会致使整段总线的短路。当在线保护外表时，拆装外表电缆的操作很难防止电缆头触碰外表机壳，然后形成短路。即使这种短路是时间短的，也会损害整段总线的正常作业；其二，因为一段总线上任何一点的短路，都形成整段的短路，使得查找和排除短路毛病对比困难。比方，某段总线挂接了8台现场外表，结尾还有一台网端。这8台表的装置位置也许相距30 m或3层渠道。当该段总线发作短路时，外表保护人员无法直观地判别是哪台表发作短路，也无法判别是只要一个短路点，仍是不止一个。

处理短路保护疑问，直接有用的办法是选用具有总线各分支短路保护功用的现场接线盒。这种短路保护接线盒能够使得任何一台外表的短路都不影响本总线段别的外表的作业，并且使得外表保护人员在操控室内便可对短路毛病点一望而知。

5 FF现场总线在非防爆场合下的的典型运用

图4所示为如今受期待的非防爆场合的FF总线运用框图。图中没有标出网端，因为在这种实践运用中，冗余的配电组合中富含一台网端，短路保护型接线盒中也富含一台网端，所以运用时无需另配网端。

6 FF现场总线的防爆

自从FF现场总线开端在易燃易爆的风险场合运用以来，FF现场总线的防爆技能一直在开展变化傍边。

在前期，只答应选用实质安全型防爆办法。这是因为，只要本安防爆才干充沛满意现场总线外表在不停电的条件下进行装置和保护的请求。别的防爆办法如隔爆型、增安型或无火花型防爆办法都有必要断电保护。

a） 现场总线阻隔栅

在H1网卡与现场外表之间，设置一台现场总线阻隔栅，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所示计划在现场总线运用初期对比受用户期待。要是因为这种办法对比简略、直观，与传统模仿量回路的阻隔栅运用也对比相似，容易被用户承受。

这一计划在FF现场总线总运用的推行进程中，反映出两个先天不足。

1） 总线阻隔栅大幅度约束了H1网卡挂接现场外表的才干。因为每段H1总线只能配置1台总线阻隔栅，而每台阻隔栅只能挂接34台现场外表。

2） 因为这种总线阻隔栅对现场总线的配电富含内阻，使现场总线电缆的长度长只能是220 m。大大约束了其运用范围。

不过，其时FF总线的运用规划很小，基本是实验性的，因而此计划的弊端并不突出。

b） 现场总线本安中继器

跟着运用规划的扩展，为了战胜总线阻隔栅的不足，如今不断增加的用户倾向于选用现场总线本安中继器的计划。如图6所示。每段H1网卡多配置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。因为各个国家各个公司的利益之争，尽管早在1984年世界电工技能委员会/世界规范协会（IEC/ISA）就着手开端拟定现场总线的规范，今一致的规范仍未完成。许多公司也推出其各自的现场总线技能，但互相的开放性和互操作性还难以一致。

设本安中继器配电才干：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型电缆散布电阻：44Ω/km。则

1） 现场外表挂接数量

变送器：100÷17.5 = 5.7（台）

定位器：100÷26 = 3.8（台）

因而，每底子安总线可挂接5台变送器；或4台变送器加1台阀门定位器；或2台变送器加2台定位器；或1台变送器加3台定位器。