浅谈FF现场总线的配电与短路保护及其防爆

　　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控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制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、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。

　　基金会现场总线（Foundation Fieldbus）通常简称为FF现场总线，它分为H1和H2两级总线。H1采用符合 IEC 61158-2标准的现场总线物理层；H2则采用高速以太网为物理层。本文只讨论FF之H1现场总线的配电、短路保护和防爆技术。

　　H1现场总线物理层的主要电气特征如下：

　　数据传输方式：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；接线拓扑结构：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；适用防爆方法：本质安全型防爆方法等。

　　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仪表供电和双向数字通讯。控制系统所配备的H1网卡通常只负责与现场仪表的双向通讯。而总线的配电则需由专门的FF配电承担，如图1所示。

　　H1总线以“段（Segment）”为单位组成总线网络。每台H1网卡通常有两个或4个端口。每段总线需配1台FF配电器。每段总线的两端需各配一个网端（又称终端电阻），以消除高频信号的回声。

　　配备了H1网卡、FF配电器、网端之后，就可以在该段总线上挂接FF现场总线仪表了。根据FF协议的有关可互操作性的规定，任何总线基金会注册的现场仪表均应该可以挂接在H1总线上。

　　随着科学技术的快速发展，过程控制领域在过去的两个世纪里发生了巨大的变革。150多年前出现的基于5－13psi的气动信号标准（PCS，Pneumatic Control System气动控制系统），标志着控制理论初步形成，但此时尚未有控制室的概念；20世纪50年代，随着基于0－10mA或4－20mA的电流模拟信号的模拟过程控制体系被提出并得到广泛的应用，标志了电气自动控制时代的到来，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础，设立控制室、控制功能分离的模式也一直沿用至今；20世纪70年代，随着数字计算机的介入，产生了“集中控制”的中央控制计算机系统，而信号传输系统大部分是依然沿用4－20mA的模拟信号，不久人们也发现了伴随着“集中控制”，该系统存在着易失控、可靠性低的缺点，并很快将其发展为分布式控制系统（DCS，Distributed Control System分布式控制系统）；微处理器的普遍应用和计算机可靠性的提高，使分布式控制系统得到了广泛的应用，由多台计算机和一些智能仪表以及智能部件实现的分布式控制是其最主要的特征，而数字传输信号也在逐步取代模拟传输信号。随着微处理器的快速发展和广泛的应用，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，产生了以微处理器为核心，使用集成电路代替常规电子线路，实施信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备。设备之间彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可维护性等都有更高的要求。由此，导致了现场总线的产生。

　　每段H1总线可以挂接多少台现场仪表，而总线电缆又能设置多长呢？通常H1网卡的供应商会说明每段所挂接仪表的极限数量（如16台）和推荐数量。

　　设配电器配电能力：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型电缆分布电阻：44Ω/km。

　　1） 现场仪表挂接数量

　　变送器：400÷17.5 = 22.8（台）

　　定位器：400÷26 = 15.3（台）

　　因此，每根总线可挂接22台变送器或15台阀位定位器。实践中，每段H1总线通常挂接16台现场仪表，其中阀门定位器为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。

　　则现场仪表耗电总额为

　　（8×17.5）＋（8×26）= 348 （mA）

　　允许总线电缆的压降为

　　24－9 ﹦15（V）

　　允许电缆总电阻为

　　15V÷348mAv = 43.1Ω

　　电缆长度为

　　43.1÷44 = 0.980（km）

　　因此，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

　　由于每段现场总线将挂接多台现场仪表，如果FF配电器失效，所有仪表均无法工作，因此FF的冗余配电越来越受到重视。

　　那么，一段总线上可否直接配备两台FF配电器呢？不可以。因为FF配电器所含有FF总线适配电路，如专用的滤波电路和网端等，并不允许简单地并联使用。

　　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。由于FF适配电路难以冗余，因此FF的冗余配电方案通常将配电和FF适配分成独立的模块，并采用配电模块的冗余，如图3所示。

　　市场上的产品有两种。一是每FF适配器模块均配备冗余的配电模块，组成单段的FF配电组合。二是采用一对冗余的配电模块，与多台FF适配模块组成多段（如4段）的FF配电组合。

　　4 FF现场总线的短路保护