ff电缆 FF现场总线的配电与短路保护及其防爆

1物理层介绍(IEC61158-2)

基金会现场总线通常被称为FF现场总线，分为H1总线和H2总线。H1采用符合IEC 61158-2标准的现场总线物理层；H2使用高速以太网作为物理层。本文仅讨论FF H1现场总线的、和技术。

H1现场总线物理层的主要电气特性如下:

数据传输方式:数字化、位同步；传输波特率:31.25 kbit/s；驱动电压:9 ~ 32 VDC信号电流:9mA电缆类型:屏蔽双绞线；布线拓扑:线形、树形、星形及其复合；电缆长度:小于等于1900米(无中继器)；分支电缆长度:30 ~ 120米；挂接设备数:小于等于32(无中继器时)；可用中继器的数量；小于或等于4个单位；适用的防爆方法:本质安全型防爆方法等。

2 FF现场总线的分布

H1现场总线通过屏蔽双绞线电缆完成多个现场仪器的供电和双向数字通信。控制系统中配备的H1网卡通常只负责与现场仪表的双向通信。总线的分配应由特殊的FF分配承担，如图1所示。

H1公交以“段”为单位构成公交网络。每个H1网卡通常有两个或四个端口。每辆客车应配备一个FF分配器。每条总线的两端都应配备一个网络终端(也称为终端电阻)，以消除高频信号的回声。因为FF分配器中的总线适配电路通常包含一个网络终端，所以用户也需要在每条仙女总线的末端配备一个网络终端。

配备H1网卡、FF分配器和网络终端，FF现场总线仪表可以连接到该总线。根据FF协议的互操作性规定，总线基金会注册的任何现场仪表都应该能够挂接在H1总线上。

每个H1总线可以连接多少个现场仪表，总线电缆可以设置多长？通常情况下，H1网卡供应商会说明每个部分所附仪器的限制数量(如16)和推荐数量(如8)。但FF分配器的分配能力也会影响可附仪表的数量和母线电缆的长度。比如FF分配器的分配电流限制了现场仪表的总消耗电流。分布电流越大，可以附着的仪器越多。当附属仪表数量不变时，配电电压越高，可以设置的母线电缆越长。现举例说明现场总线分配器应用中现场仪表安装数量和电缆长度的估算。

设置分电器的分配容量:24伏直流电/400毫安；

FF总线发射机功耗:9V/17.5ma；

FF总线阀门定位器功耗:9V/26mA；

FF现场总线A型电缆分布电阻:44ω/km。

1)现场仪器的数量

变送器:400 * 17.5 = 22.8(套)

定位器:400 26 = 15.3(套)

因此，每条总线可以连接22个变送器或15个阀门定位器。实际上，每个H1总线通常连接16个现场仪表，其中4至8个是阀门定位器。

2)电缆长度:假设总线上连接了8个变送器和8个阀门定位器。

现场仪表的总功耗为

(8×17.5)+(8×26)= 348(毫安)

总线电缆的允许压降

24-9 ﹦15(V)

总允许电缆电阻为

15V÷毫安= 43.1ω

电缆长度为

43.1-44 = 0.980(公里)

因此，当8个变送器和8个阀门定位器连接到总线上时，电缆长度可达980米。

3 FF现场总线分布的冗余

许多现场仪器将连接到每个现场总线。如果FF分配器出现故障，所有仪表都无法工作，因此FF的冗余分配越来越受到重视。

那么，一辆公交车上可以直接配备两个FF经销商吗？你不能。因为FF总线适配电路，如专用滤波电路、网络终端等不允许并联使用。所以FF冗余配电方案需要专门设计。

如图2所示，FF分配器可以分为两部分:分配电路和FF适配电路。由于FF适配器电路难以冗余，FF的冗余配电方案通常将配电和FF适配器分为独立的模块，采用配电模块冗余，如图3所示。

市场上有两种产品。首先，每个FF适配器模块配备冗余配电模块，形成单段FF配电组合。第二，使用一对冗余配电模块与多个FF适配器模块形成多级(例如4级)FF配电组合。

4 FF现场总线短路保护

实践表明，在FF现场总线的实际应用中，配电故障相对较少。最常见的故障是现场总线短路。在FF总线的应用中，必须充分重视FF总线的短路问题。这是因为:首先FF总线与一对屏蔽双绞线上的几台现场仪表相连，任何一台仪表短路都会导致整条总线短路。仪器在线维护时，很难防止电缆头碰到仪器外壳而造成短路。即使这种短路是短路，也会危及整个母线的正常运行；其次，一段母线上任意一点的短路造成全段短路，使得短路故障难以发现和排除。比如某条总线上连接了8个现场仪表，末端有一个网络终端。这8米的安装位置可以相隔30米，也可以相隔3个平台。当该母线发生短路时，仪表维护人员无法直观判断是哪个仪表发生短路，还是只有一个短路点，还是有多个短路点。准备检查所有8个仪器。来回跑几百米，爬上爬下几个平台可能要一个小时才能发现问题。

要解决短路保护的问题，最直接有效的方法是对母线的每一条支路使用具有短路保护功能的现场接线盒。这种短路保护接线盒可以使任何一台仪表的短路都不影响本母线段其他仪表的工作，使仪表维修人员在控制室里一眼就能看到短路故障点。

5 FF现场总线在非防爆场合的典型应用

图4是FF总线在最流行的非防爆场合的应用框图。网络终端在图中没有标注，因为在这个实际应用中，冗余配电组合包含一个网络终端，短路保护接线盒也包含一个网络终端，所以在应用时不需要再分配另一个网络终端。

6 FF现场总线的防爆

自现场总线开始应用于易燃易爆危险场所以来，现场总线的防爆技术一直在发展变化。

早期只允许本质安全防爆方式。这是因为只有本质安全型防爆才能完全满足现场总线仪表的安装和维护要求，不停电。其他防爆方式，如防爆型、增安型或无火花型，维修时必须断电。后来，随着应用规模的不断扩大，由于考虑到应用成本，防爆方法的应用逐渐扩大。根据这种防爆应用的发展过程，下面讨论已经在实践中应用的各种防爆应用方案。

a)现场总线隔离屏障

在H1网卡和现场仪表之间，设置了现场总线屏障，为无源H1网卡和本质安全防爆现场总线分配电源。如图5所示。

图5所示的方案在现场总线应用的初始阶段受到用户的欢迎。主要是这种方法简单直观，类似于传统模拟电路的隔离栅应用，容易被用户接受。

该方案反映了FF现场总线普及过程中的两个固有缺陷。

1)总线屏障极大地限制了H1网卡挂接现场仪器的能力。因为每个H1总线只能配置一个总线屏障，并且每个屏障只能连接三到四个现场仪器。也就是说，由于使用总线屏障，只有3到4个现场仪器可以连接到H1网卡，而该网卡原本可以连接到16个现场仪器。因此，现场总线的优势大大降低。

2)由于该总线屏障对现场总线的分布有内阻，现场总线电缆最长只能为220 m，应用范围受到很大限制。

但当时FF总线的应用规模很小，基本都是实验性的，所以这种方案的弊端并不突出。

b)现场总线本质安全中继器

随着应用规模的扩大，为了克服总线隔离屏障的不足，现在越来越多的用户倾向于采用现场总线本质安全直放站方案。如图6所示。每个H1网卡最多配置4个安全中继器，不仅向无源H1网卡供电，还向本质安全型防爆现场总线供电。通过实例说明了现场总线本质安全中继器应用中现场仪表数量和现场总线电缆长度的估算。

设置本质安全型直放站的分配容量:不低于12.8 VDC/100ma；FF总线发射机功耗:9V/17.5ma；FF总线阀门定位器功耗:9V/26mA；FF现场总线A型电缆分布电阻:44ω/km。规则

1)现场仪器的数量

变送器:100÷17.5 = 5.7(套)

定位器:100÷26 = 3.8(套)

因此，每个基本安全总线可以连接5个变送器。或4个变送器加1个阀门定位器；或者2个发射机加2个定位器；或者一个发射器加三个定位器。

2)电缆长度

假设总线连接4个变送器和1个阀门定位器，现场仪表总功耗为(4×17.5)+(1×26) = 96(毫安)

母线电缆的允许压降为12.8-9 = 3.8 v。

允许的电缆总电阻为3.8 ÷ 96ma = 39.5ω

电缆长度为39.5÷44 = 0.898(公里)

因此，当四个变送器和一个定位器连接到总线时，电缆长度可达898米。

可以看出，有了本质安全中继器，每个H1网卡可以连接16个现场仪表，本质安全总线电缆可以长达900 m，因此充分利用了H1网卡的工作能力，可以满足更多应用的要求。

这个方案还有两个缺点。第一，每段母线需要将多根电缆敷设到现场，本质安全型中继器和现场附件数量仍然很大，占应用成本的比例很大；第二，冗余配电和短路保护的要求没有得到满足。

c)无火花防爆

当FF总线在一个项目中的应用规模达到几千个点时，应用成本和系统可操作性的问题就变得非常突出。一方面要求尽量简化FF总线的网络结构，简化附件；另一方面，要求FF总线实现冗余配电和短路保护。

图7显示了基于上述考虑的防爆方案。其中FF分布采用冗余分布组合。根据无火花防爆的要求，H1客车主干线敷设至危险区域2区。短路保护接线盒采用无火花防爆(Ex nA)，安装在危险区2区。如果现场仪表需要安装在危险区1，应采用隔爆防爆方式；如果安装在危险区域2，可采用隔爆和无火花防爆方法。

该方案简化了FF总线配置，降低了成本，提高了可靠性。但也带来了新的问题。一是降低了系统的防爆安全等级。无火花防爆是所有防爆方式中安全性最低的，所以只允许在危险区域2使用。并且隔爆防爆方式比本质安全防爆更安全。其次，无火花防爆和隔爆防爆方式都不允许在线维护仪表。由于每条母线上附着的仪表很多，如果某一台仪表出现故障，必须将整条母线断电进行维修，不仅会影响工厂的正常生产，还会增加工厂的管理风险和成本，给工厂的长期安全运行带来潜在的危害。

4)现场安全栅模盒的应用

这是德国P+F公司推出的最新FF总线防爆应用方案。其核心产品是FF现场安全栅模盒，集本质安全防爆、直放站、短路保护接线盒、网络终端等多种功能于一体。应用方案如图8所示。

首先，FF的分布采用冗余分布组合。然后，采用增加安全性的防爆方法，将H1干线公共汽车电缆敷设至现场危险区1。FF现场安全栅模盒本身采用橡胶密封防爆主体，增加了安全防爆干线端子和4个本质安全防爆输出，可安装在危险区域1区。四路隔离输出本质安全防爆(EX ia)，具有短路保护功能。现场仪表本质安全防爆，可安装在0危险区。

与以前的方案相比，首先，该方案显著提高了系统的防爆安全水平。FF现场安全栅模盒可安装在1区，现场仪表可安装在0区。现场仪表具有本质安全和防爆特性，因此允许在线实时维护。其次，这个方案的应用非常简洁。到现场的每辆公共汽车仅铺设一条干线电缆，尽可能靠近设备的危险区域1。现场只有一种附属设备，即FF现场安全栅模盒。再次，该方案的系统可操作性非常理想。它不仅采用冗余配电组合，而且具有完善的短路保护。

7结束语

总之，FF现场总线在配电、短路保护和防爆方面的应用找到了一种理想的实用方案。

原始链接: