FF現場(chǎng)總線(xiàn)的配電與短路保護及其防爆

1 FF現場(chǎng)總線(xiàn)物理層（IEC61158-2）簡(jiǎn)介

基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)（Foundation Fieldbus）通常簡(jiǎn)稱(chēng)為FF現場(chǎng)總線(xiàn)，它分為H1和H2兩級總線(xiàn)。H1采用符合 IEC 61158-2標準的現場(chǎng)總線(xiàn)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現場(chǎng)總線(xiàn)的配電、短路保護和防爆技術(shù)。

H1現場(chǎng)總線(xiàn)物理層的主要電氣特征如下：

數據傳輸方式：數字化，位同步；傳輸波特率：31.25kbit/s；驅動(dòng)電壓：9～32VDC；信號電流：±9mA；電纜型式：屏蔽雙絞線(xiàn)；接線(xiàn)拓撲結構：線(xiàn)形、樹(shù)形、星形及其復合形；電纜長(cháng)度：小于等于1900m（無(wú)中繼器時(shí)）；分支電纜的長(cháng)度：30～120m；掛接設備數量：小于等于32臺（無(wú)中繼器時(shí)）；可用中繼器數；小于等于4臺；適用防爆方法：本質(zhì)安全型防爆方法等。

2 FF現場(chǎng)總線(xiàn)的配電

H1現場(chǎng)總線(xiàn)在一根屏蔽雙絞線(xiàn)電纜上完成對多臺現場(chǎng)儀表供電和雙向數字通訊?？刂葡到y所配備的H1網(wǎng)卡通常只負責與現場(chǎng)儀表的雙向通訊。而總線(xiàn)的配電則需由專(zhuān)門(mén)的FF配電承擔，如圖1所示。

H1總線(xiàn)以“段（Segment）”為單位組成總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。每臺H1網(wǎng)卡通常有兩個(gè)或4個(gè)端口。每段總線(xiàn)需配1臺FF配電器。每段總線(xiàn)的兩端需各配一個(gè)網(wǎng)端（又稱(chēng)終端電阻），以消除高頻信號的回聲。由于FF配電器中的總線(xiàn)適配電路通常含有一個(gè)網(wǎng)端，因此用戶(hù)還需在每仙總線(xiàn)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(xiàn)上掛接FF現場(chǎng)總線(xiàn)儀表了。根據FF協(xié)議的有關(guān)可互操作性的規定，任何總線(xiàn)基金會(huì )注冊的現場(chǎng)儀表均應該可以?huà)旖釉贖1總線(xiàn)上。
每段H1總線(xiàn)可以?huà)旖佣嗌倥_現場(chǎng)儀表，而總線(xiàn)電纜又能設置多長(cháng)呢？通常H1網(wǎng)卡的供應商會(huì )說(shuō)明每段所掛接儀表的極限數量（如16臺）和推薦數量（如8臺）。然而，FF配電器的配電能力也會(huì )影響可掛接儀表的數量和總線(xiàn)電纜的長(cháng)度。比如，FF配電器的配電電流，限制著(zhù)現場(chǎng)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。當掛接儀表數量不變時(shí)，配電電壓越高，總線(xiàn)電纜就能設置得越長(cháng)，現舉例來(lái)說(shuō)明現場(chǎng)總線(xiàn)配電器應用中，現場(chǎng)總線(xiàn)掛接現場(chǎng)儀表數量和電纜長(cháng)度的估算。

設配電器配電能力：24VDC/400mA；
FF總線(xiàn)變送器耗電：9V/17.5mA；
FF總線(xiàn)閥門(mén)定位器耗電：9V/26mA；
FF現場(chǎng)總線(xiàn)A型電纜分布電阻：44Ω/km。

1） 現場(chǎng)儀表掛接數量

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

因此，每根總線(xiàn)可掛接22臺變送器或15臺閥位定位器。實(shí)踐中，每段H1總線(xiàn)通常掛接16臺現場(chǎng)儀表，其中閥門(mén)定位器為4到8臺。

2） 電纜長(cháng)度：假設總線(xiàn)上掛接8臺變送器和8臺閥門(mén)定位器。

則現場(chǎng)儀表耗電總額為

（8×17.5）＋（8×26）= 348 （mA）

允許總線(xiàn)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(cháng)度為

43.1÷44 = 0.980（km）

因此，當總線(xiàn)上掛接8臺變送器加8臺閥門(mén)定位器時(shí)，電纜長(cháng)度可達980 m。

3 FF現場(chǎng)總線(xiàn)配電的冗余

由于每段現場(chǎng)總線(xiàn)將掛接多臺現場(chǎng)儀表，如果FF配電器失效，所有儀表均無(wú)法工作，因此FF的冗余配電越來(lái)越受到重視。

那么，一段總線(xiàn)上可否直接配備兩臺FF配電器呢？不可以。因為FF配電器所含有FF總線(xiàn)適配電路，如專(zhuān)用的濾波電路和網(wǎng)端等，并不允許簡(jiǎn)單地并聯(lián)使用。所以，FF冗余配電方案需經(jīng)專(zhuān)門(mén)設計。
如圖2所示，FF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適配分成獨立的模塊，并采用配電模塊的冗余，如圖3所示。

市場(chǎng)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。二是采用一對冗余的配電模塊，與多臺FF適配模塊組成多段（如4段）的FF配電組合。

4 FF現場(chǎng)總線(xiàn)的短路保護

實(shí)踐表明，FF現場(chǎng)總線(xiàn)的實(shí)際應用中，配電故障還是比較少見(jiàn)的。最常見(jiàn)的故障是現場(chǎng)總線(xiàn)的短路。在FF總線(xiàn)的應用中必須充分重視FF總線(xiàn)的短路問(wèn)題。這是因為：其一，FF總線(xiàn)是在一對屏蔽雙絞線(xiàn)上掛接了多臺現場(chǎng)儀表，任何其中一臺儀表的短路，都會(huì )導致整段總線(xiàn)的短路。當在線(xiàn)維護儀表時(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(xiàn)的正常工作；其二，由于一段總線(xiàn)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(xiàn)掛接了8臺現場(chǎng)儀表，末尾還有一臺網(wǎng)端。這8臺表的安裝位置可能相距30 m或3層平臺。當該段總線(xiàn)發(fā)生短路時(shí)，儀表維護人員無(wú)法直觀(guān)地判斷是哪臺表發(fā)生短路，也無(wú)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臺儀表的準備。也許要花一個(gè)小時(shí)、來(lái)回跑幾百米、上下爬幾層平臺，才能找到問(wèn)題所在。

解決短路保護問(wèn)題，最直接有效的辦法是采用具有總線(xiàn)各分支短路保護功能的現場(chǎng)接線(xiàn)盒。這種短路保護接線(xiàn)盒可以使得任何一臺儀表的短路都不影響本總線(xiàn)段其他儀表的工作，而且使得儀表維護人員在控制室內便可對短路故障點(diǎn)一目了然。

5 FF現場(chǎng)總線(xiàn)在非防爆場(chǎng)合下的的典型應用

圖4所示為目前最受歡迎的非防爆場(chǎng)合的FF總線(xiàn)應用框圖。圖中沒(méi)有標出網(wǎng)端，因為在這種實(shí)際應用中，冗余的配電組合中含有一臺網(wǎng)端，短路保護型接線(xiàn)盒中也含有一臺網(wǎng)端，所以應用時(shí)無(wú)需另配網(wǎng)端。

6 FF現場(chǎng)總線(xiàn)的防爆

自從FF現場(chǎng)總線(xiàn)開(kāi)始在易燃易爆的危險場(chǎng)合應用以來(lái)，FF現場(chǎng)總線(xiàn)的防爆技術(shù)一直在發(fā)展變化當中。

在早期，只允許采用本質(zhì)安全型防爆方法。這是因為，只有本安防爆才能充分滿(mǎn)足現場(chǎng)總線(xiàn)儀表在不停電的條件下進(jìn)行安裝和維護的要求。其他防爆方法如隔爆型、增安型或無(wú)火花型防爆方法都必須斷電維護。后來(lái)，隨著(zhù)應用規模越來(lái)越大，出于對應用成本的考慮，防爆方法的準用逐漸擴大。下面根據這種防爆應用的發(fā)展過(guò)程，討論各種已經(jīng)被實(shí)際應用過(guò)的防爆應用方案。

a） 現場(chǎng)總線(xiàn)隔離柵

在H1網(wǎng)卡與現場(chǎng)儀表之間，設置一臺現場(chǎng)總線(xiàn)隔離柵，既給無(wú)源的H1網(wǎng)卡配電，又給本安防爆的現場(chǎng)總線(xiàn)配電。如圖5所示。

圖5所示方案在現場(chǎng)總線(xiàn)應用初期比較受用戶(hù)歡迎。主要是因為這種方法比較簡(jiǎn)單、直觀(guān)，與傳統模擬量回路的隔離柵應用也比較類(lèi)似，容易被用戶(hù)接受。

這一方案在FF現場(chǎng)總線(xiàn)總應用的推廣過(guò)程中，反映出兩個(gè)先天不足。

1） 總線(xiàn)隔離柵大幅度限制了H1網(wǎng)卡掛接現場(chǎng)儀表的能力。因為每段H1總線(xiàn)只能配置1臺總線(xiàn)隔離柵，而每臺隔離柵只能掛接3至4臺現場(chǎng)儀表。也就是說(shuō)，由于使用了總線(xiàn)隔離柵，使得原本能掛接16臺現場(chǎng)儀表的H1網(wǎng)卡，只能掛接3到4臺現場(chǎng)儀表了。于是，現場(chǎng)總線(xiàn)的優(yōu)勢被大打折扣。

2） 由于這種總線(xiàn)隔離柵對現場(chǎng)總線(xiàn)的配電含有內阻，使現場(chǎng)總線(xiàn)電纜的長(cháng)度最長(cháng)只能是220 m。大大限制了其應用范圍。

不過(guò)，當時(shí)FF總線(xiàn)的應用規模很小，基本是實(shí)驗性的，因此此方案的弊病并不突出。

b） 現場(chǎng)總線(xiàn)本安中繼器

隨著(zhù)應用規模的擴大，為了克服總線(xiàn)隔離柵的不足，現在越來(lái)越多的用戶(hù)傾向于采用現場(chǎng)總線(xiàn)本安中繼器的方案。如圖6所示。每段H1網(wǎng)卡最多配置4臺安中繼器，既給無(wú)源的H1網(wǎng)卡配電，又分別給本安防爆的現場(chǎng)總線(xiàn)配電?，F通過(guò)舉例來(lái)說(shuō)明現場(chǎng)總線(xiàn)本安中繼器應用中，現場(chǎng)總線(xiàn)掛接現場(chǎng)儀表數量和電纜長(cháng)度的估算。

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

1） 現場(chǎng)儀表掛接數量

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

因此，每根本安總線(xiàn)可掛接5臺變送器；或4臺變送器加1臺閥門(mén)定位器；或2臺變送器加2臺定位器；或1臺變送器加3臺定位器。

2） 電纜長(cháng)度

假設總線(xiàn)上掛接4臺變送器和1臺閥門(mén)定位器，則現場(chǎng)儀表耗電總額為（4×17.5）+（1×26） = 96（mA）
允許總線(xiàn)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(cháng)度為39.5÷44 = 0.898（km）

因此，當總線(xiàn)上掛接4臺變送器加1臺定位器時(shí)，電纜長(cháng)度可達898 m。

可見(jiàn)，采用本安中繼器，每段H1網(wǎng)卡可掛接16臺現場(chǎng)儀表，本安總線(xiàn)電纜可長(cháng)達近900 m。于是H1網(wǎng)卡的工作能力得到充分利用，并能夠滿(mǎn)足更多應用場(chǎng)合的要求。

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

c） 無(wú)火花型和隔爆型防爆

當FF總線(xiàn)的應用規模達到一個(gè)項目成千上萬(wàn)點(diǎn)以后，應用成本和系統的可運行性問(wèn)題就非常突出了。一方面要求FF總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )結構盡可能簡(jiǎn)化，附件精簡(jiǎn)；另一方面要求FF總線(xiàn)實(shí)現冗余配電和短路保護。

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

這一方案雖然簡(jiǎn)化了FF總線(xiàn)配置，降低了成本，而且提高了可靠性。但是也帶來(lái)了新的問(wèn)題。其一，降低了系統的防爆安全性級別。無(wú)火花型防爆是所有防爆方法中安全性最低的，所以只被允許應用在危險區2區。而隔爆型防爆方法也比不上本安型防爆來(lái)得更安全。其二，無(wú)火花型防爆和隔爆型防爆方法，均不允許對儀表進(jìn)行帶電在線(xiàn)維護。由于每段總線(xiàn)上掛接許多儀表，如果某臺儀表故障，必須對整段總線(xiàn)停電檢修，不僅將對工廠(chǎng)的正常生產(chǎn)造成影響，還將提高工廠(chǎng)的管理風(fēng)險和管理成本，對工廠(chǎng)的長(cháng)期安全運行帶來(lái)潛在的危害。

d） FF現場(chǎng)安全柵模盒的應用

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

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

與前一個(gè)方案相比，其一，本方案顯著(zhù)提高了系統的防爆安全級別，FF現場(chǎng)安全柵模盒可安裝在1區，現場(chǎng)儀表可安裝在0區?，F場(chǎng)儀表采用本安防爆，從而允許進(jìn)行帶電的在線(xiàn)維護。其二，本方案的應用十分簡(jiǎn)潔。每段總線(xiàn)只敷設一根主干電纜去現場(chǎng)，盡可能靠近裝置的危險區1區?，F場(chǎng)只有一個(gè)品種的附屬設備，即FF現場(chǎng)安全柵模盒。其三，本方案的系統可運行性非常理想。既采用冗余配電組合，又具有完善的短路保護。

7 結束語(yǔ)

總之，FF現場(chǎng)總線(xiàn)的配電，短路保護和防爆的應用已經(jīng)找到了比較理想的實(shí)用方案。