淺談FF現(xiàn)場總線的配電與短路保護及其防爆

　　現(xiàn)場總線是指以工廠內(nèi)的測量和控制機器間的數(shù)字通訊為主的網(wǎng)絡(luò)，也稱現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。也就是將傳感器、各種操作終端和控制器間的通訊及控制器之間的通訊進行特化的網(wǎng)絡(luò)。原來這些機器間的主體配線是ON/OFF、接點信號和模擬信號，通過通訊的數(shù)字化，使時間分割、多重化、多點化成為可能，從而實現(xiàn)高性能化、高可靠化、保養(yǎng)簡便化、節(jié)省配線（配線的共享）。是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。

　　基金會現(xiàn)場總線（Foundation Fieldbus）通常簡稱為FF現(xiàn)場總線，它分為H1和H2兩級總線。H1采用符合 IEC 61158-2標準的現(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)動電壓：9～32VDC；信號電流：±9mA；電纜型式：屏蔽雙絞線；接線拓撲結(jié)構(gòu)：線形、樹形、星形及其復合形；電纜長度：小于等于1900m（無中繼器時）；分支電纜的長度：30～120m；掛接設(shè)備數(shù)量：小于等于32臺（無中繼器時）；可用中繼器數(shù)；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(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多臺現(xiàn)場儀表供電和雙向數(shù)字通訊。控制系統(tǒng)所配備的H1網(wǎng)卡通常只負責與現(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，如圖1所示。

　　H1總線以“段（Segment）”為單位組成總線網(wǎng)絡(luò)。每臺H1網(wǎng)卡通常有兩個或4個端口。每段總線需配1臺FF配電器。每段總線的兩端需各配一個網(wǎng)端（又稱終端電阻），以消除高頻信號的回聲。

　　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，任何總線基金會注冊的現(xiàn)場儀表均應該可以掛接在H1總線上。

　　隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，過程控制領(lǐng)域在過去的兩個世紀里發(fā)生了巨大的變革。150多年前出現(xiàn)的基于5－13psi的氣動信號標準（PCS，Pneumatic Control System氣動控制系統(tǒng)），標志著控制理論初步形成，但此時尚未有控制室的概念；20世紀50年代，隨著基于0－10mA或4－20mA的電流模擬信號的模擬過程控制體系被提出并得到廣泛的應用，標志了電氣自動控制時代的到來，三大控制論的確立奠定了現(xiàn)代控制的基礎(chǔ)，設(shè)立控制室、控制功能分離的模式也一直沿用至今；20世紀70年代，隨著數(shù)字計算機的介入，產(chǎn)生了“集中控制”的中央控制計算機系統(tǒng)，而信號傳輸系統(tǒng)大部分是依然沿用4－20mA的模擬信號，不久人們也發(fā)現(xiàn)了伴隨著“集中控制”，該系統(tǒng)存在著易失控、可靠性低的缺點，并很快將其發(fā)展為分布式控制系統(tǒng)（DCS，Distributed Control System分布式控制系統(tǒng)）；微處理器的普遍應用和計算機可靠性的提高，使分布式控制系統(tǒng)得到了廣泛的應用，由多臺計算機和一些智能儀表以及智能部件實現(xiàn)的分布式控制是其最主要的特征，而數(shù)字傳輸信號也在逐步取代模擬傳輸信號。隨著微處理器的快速發(fā)展和廣泛的應用，數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場成為可能，產(chǎn)生了以微處理器為核心，使用集成電路代替常規(guī)電子線路，實施信息采集、顯示、處理、傳輸以及優(yōu)化控制等功能的智能設(shè)備。設(shè)備之間彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可維護性等都有更高的要求。由此，導致了現(xiàn)場總線的產(chǎn)生。

　　每段H1總線可以掛接多少臺現(xiàn)場儀表，而總線電纜又能設(shè)置多長呢？通常H1網(wǎng)卡的供應商會說明每段所掛接儀表的極限數(shù)量（如16臺）和推薦數(shù)量。

　　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）

　　定位器：400÷26 = 15.3（臺）

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

　　2） 電纜長度：假設(shè)總線上掛接8臺變送器和8臺閥門定位器。

　　則現(xiàn)場儀表耗電總額為

　?。?×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，當總線上掛接8臺變送器加8臺閥門定位器時，電纜長度可達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FF配電器呢？不可以。因為FF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。

　　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(xiàn)場總線的短路保護

　　實踐表明，F(xiàn)F現(xiàn)場總線的實際應用中，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總線的應用中必須充分重視FF總線的短路問題。這是因為：其一，F(xiàn)F總線是在一對屏蔽雙絞線上掛接了多臺現(xiàn)場儀表，任何其中一臺儀表的短路，都會導致整段總線的短路。當在線維護儀表時，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，也會危害整段總線的正常工作；其二，由于一段總線上任何一點的短路，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臺現(xiàn)場儀表，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。當該段總線發(fā)生短路時，儀表維護人員無法直觀地判斷是哪臺表發(fā)生短路，也無法判斷是只有一個短路點，還是不止一個。

　　解決短路保護問題，最直接有效的辦法是采用具有總線各分支短路保護功能的現(xiàn)場接線盒。這種短路保護接線盒可以使得任何一臺儀表的短路都不影響本總線段其他儀表的工作，而且使得儀表維護人員在控制室內(nèi)便可對短路故障點一目了然。

　　5 FF現(xiàn)場總線在非防爆場合下的的典型應用

　　圖4所示為目前最受歡迎的非防爆場合的FF總線應用框圖。圖中沒有標出網(wǎng)端，因為在這種實際應用中，冗余的配電組合中含有一臺網(wǎng)端，短路保護型接線盒中也含有一臺網(wǎng)端，所以應用時無需另配網(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場合應用以來，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足現(xiàn)場總線儀表在不停電的條件下進行安裝和維護的要求。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。

　　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)場總線應用初期比較受用戶歡迎。主要是因為這種方法比較簡單、直觀，與傳統(tǒng)模擬量回路的隔離柵應用也比較類似，容易被用戶接受。

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

　　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。因為每段H1總線只能配置1臺總線隔離柵，而每臺隔離柵只能掛接3至4臺現(xiàn)場儀表。

　　2） 由于這種總線隔離柵對現(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。大大限制了其應用范圍。

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

　　b） 現(xiàn)場總線本安中繼器

　　隨著應用規(guī)模的擴大，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。由于各個國家各個公司的利益之爭，雖然早在1984年國際電工技術(shù)委員會/國際標準協(xié)會（IEC/ISA）就著手開始制定現(xiàn)場總線的標準，至今統(tǒng)一的標準仍未完成。很多公司也推出其各自的現(xiàn)場總線技術(shù)，但彼此的開放性和互操作性還難以統(tǒng)一。

　　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）

　　定位器：100÷26 = 3.8（臺）

　　因此，每根本安總線可掛接5臺變送器；或4臺變送器加1臺閥門定位器；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） 電纜長度

　　假設(shè)總線上掛接4臺變送器和1臺閥門定位器，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，當總線上掛接4臺變送器加1臺定位器時，電纜長度可達898 m。

　　這種方案仍存在兩個不足。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，所占應用成本的比重較大；第二，冗余配電和短路保護的要求還沒有得到滿足。

　　c） 無火花型和隔爆型防爆

　　當FF總線的應用規(guī)模達到一個項目成千上萬點以后，應用成本和系統(tǒng)的可運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總線實現(xiàn)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，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)到危險區(qū)2區(qū)。短路保護型接線盒采用無火花型防爆（Ex nA），安裝在危險區(qū)2區(qū)。

　　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，所以只被允許應用在危險區(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，均不允許對儀表進行帶電在線維護。由于每段總線上掛接許多儀表，如果某臺儀表故障，必須對整段總線停電檢修，不僅將對工廠的正常生產(chǎn)造成影響，還將提高工廠的管理風險和管理成本。

　　d） FF現(xiàn)場安全柵模盒的應用

　　這是德國P+F公司最新推出的FF總線防爆應用方案。其核心產(chǎn)品為集本安防爆、中繼器、短路保護接線盒、網(wǎng)端等諸多功能于一身的FF現(xiàn)場安全柵模盒。應用方案如圖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），并具有短路保護功能?，F(xiàn)場儀表采用本安型防爆，可安裝在危險區(qū)0區(qū)。

　　與前一個方案相比，其一，本方案顯著提高了系統(tǒng)的防爆安全級別，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，從而允許進行帶電的在線維護。其二，本方案的應用十分簡潔。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區(qū)1區(qū)。

　　7 結(jié)束語

　　總之，F(xiàn)F現(xiàn)場總線的配電，短路保護和防爆的應用已經(jīng)找到了比較理想的實用方案?，F(xiàn)場總線技術(shù)是控制、計算機、通訊技術(shù)的交叉與集成，幾乎涵蓋了所有連續(xù)、離散工業(yè)領(lǐng)域，如過程自動化、制造加工自動化、樓半自動化、家庭自動化等等。它的出現(xiàn)和快速發(fā)展體現(xiàn)了控制領(lǐng)域?qū)档统杀?、提高可靠性、增強可維護性和提高數(shù)據(jù)采集的智能化的要求?，F(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)為兩個方面：一個是低速現(xiàn)場總線領(lǐng)域的不斷發(fā)展和完善；另一個是高速現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。而目前現(xiàn)場總線產(chǎn)品主要是低速總線產(chǎn)品，應用于運行速率較低的領(lǐng)域，對網(wǎng)絡(luò)的性能要求不是很高。從實際應用狀況看，大多數(shù)現(xiàn)場總線，都能較好地實現(xiàn)速率要求較低的過程控制。因此，在速率要求較低的控制領(lǐng)域，誰都很難統(tǒng)一整個市場。就目前而言，由于FF基金會幾乎集中了世界上主要自動化儀表制造商，其全球影響力日益增加，但其在中國市場營銷力度似乎不足，市場份額不是很高，LonWorks形成了全面的分工合作體系，在國內(nèi)有一些實質(zhì)性的進展，在樓宇自動化、家庭自動化、智能通信產(chǎn)品等方面，LonWorks則具有獨特的優(yōu)勢。