FF现场总线的配电与短路保护及其防爆

摘要：简要介绍了FF现场总线物理层的主要电气特征及其构成，并以实例简明扼要地介绍了该总线在实际应用中配电、配电冗余和短路保护等问题的解决方案。
关键词：基金会现场总线；配电器；现场总线隔离栅；本安中继器
1 FF现场总线物理层（IEC61158-2）简介
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。由于FF配电器中的总线适配电路通常含有一个网端，因此用户还需在每仙总线的末端配备一个网端。

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。
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（如8台）。然而，FF配电器的配电能力也会影响可挂接仪表的数量和总线电缆的长度。比如，FF配电器的配电电流，限制着现场仪表的耗电电流的总和。配电电流越大，能挂接的仪表就越多。当挂接仪表数量不变时，配电电压越高，总线电缆就能设置得越长，现举例来说明现场总线配电器应用中，现场总线挂接现场仪表数量和电缆长度的估算。
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。所以，FF冗余配电方案需经专门设计。
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
实践表明，FF现场总线的实际应用中，配电故障还是比较少见的。最常见的故障是现场总线的短路。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：其一，FF总线是在一对屏蔽双绞线上挂接了多台现场仪表，任何其中一台仪表的短路，都会导致整段总线的短路。当在线维护仪表时，拆装仪表电缆的操作很难避免电缆头触碰仪表机壳，从而造成短路。即使这种短路是短暂的，也会危害整段总线的正常工作；其二，由于一段总线上任何一点的短路，都造成整段的短路，使得查找和排除短路故障比较困难。比如，某段总线挂接了8台现场仪表，末尾还有一台网端。这8台表的安装位置可能相距30 m或3层平台。当该段总线发生短路时，仪表维护人员无法直观地判断是哪台表发生短路，也无法判断是只有一个短路点，还是不止一个。必须做好检查所有8台仪表的准备。也许要花一个小时、来回跑几百米、上下爬几层平台，才能找到问题所在。
解决短路保护问题，最直接有效的办法是采用具有总线各分支短路保护功能的现场接线盒。这种短路保护接线盒可以使得任何一台仪表的短路都不影响本总线段其他仪表的工作，而且使得仪表维护人员在控制室内便可对短路故障点一目了然。
5 FF现场总线在非防爆场合下的的典型应用
图4所示为目前最受欢迎的非防爆场合的FF总线应用框图。图中没有标出网端，因为在这种实际应用中，冗余的配电组合中含有一台网端，短路保护型接线盒中也含有一台网端，所以应用时无需另配网端。
6 FF现场总线的防爆
自从FF现场总线开始在易燃易爆的危险场合应用以来，FF现场总线的防爆技术一直在发展变化当中。

在早期，只允许采用本质安全型防爆方法。这是因为，只有本安防爆才能充分满足现场总线仪表在不停电的条件下进行安装和维护的要求。其他防爆方法如隔爆型、增安型或无火花型防爆方法都必须断电维护。后来，随着应用规模越来越大，出于对应用成本的考虑，防爆方法的准用逐渐扩大。下面根据这种防爆应用的发展过程，讨论各种已经被实际应用过的防爆应用方案。
a） 现场总线隔离栅
在H1网卡与现场仪表之间，设置一台现场总线隔离栅，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所示方案在现场总线应用初期比较受用户欢迎。主要是因为这种方法比较简单、直观，与传统模拟量回路的隔离栅应用也比较类似，容易被用户接受。
这一方案在FF现场总线总应用的推广过程中，反映出两个先天不足。
1） 总线隔离栅大幅度限制了H1网卡挂接现场仪表的能力。因为每段H1总线只能配置1台总线隔离栅，而每台隔离栅只能挂接3至4台现场仪表。也就是说，由于使用了总线隔离栅，使得原本能挂接16台现场仪表的H1网卡，只能挂接3到4台现场仪表了。于是，现场总线的优势被大打折扣。
2） 由于这种总线隔离栅对现场总线的配电含有内阻，使现场总线电缆的长度最长只能是220 m。大大限制了其应用范围。
不过，当时FF总线的应用规模很小，基本是实验性的，因此此方案的弊病并不突出。

b） 现场总线本安中继器
随着应用规模的扩大，为了克服总线隔离栅的不足，现在越来越多的用户倾向于采用现场总线本安中继器的方案。如图6所示。每段H1网卡最多配置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。现通过举例来说明现场总线本安中继器应用中，现场总线挂接现场仪表数量和电缆长度的估算。

设本安中继器配电能力：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型电缆分布电阻：44Ω/km。则
1） 现场仪表挂接数量
变送器：100÷17.5 = 5.7（台）
定位器：100÷26 = 3.8（台）
因此，每根本安总线可挂接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。
2） 电缆长度
假设总线上挂接4台变送器和1台阀门定位器，则现场仪表耗电总额为（4×17.5）+（1×26） = 96（mA）
允许总线电缆的压降为 12.8-9 = 3.8 V
允许电缆总电阻为 3.8÷96 mA = 39.5Ω
电缆长度为39.5÷44 = 0.898（km）
因此，当总线上挂接4台变送器加1台定位器时，电缆长度可达898 m。
可见，采用本安中继器，每段H1网卡可挂接16台现场仪表，本安总线电缆可长达近900 m。于是H1网卡的工作能力得到充分利用，并能够满足更多应用场合的要求。
这种方案仍存在两个不足。第一，每段总线需要放多根电缆到现场，本安中继器和现场附件的数量仍较多，所占应用成本的比重较大；第二，冗余配电和短路保护的要求还没有得到满足。
c） 无火花型和隔爆型防爆
当FF总线的应用规模达到一个项目成千上万点以后，应用成本和系统的可运行性问题就非常突出了。一方面要求FF总线的网络结构尽可能简化，附件精简；另一方面要求FF总线实现冗余配电和短路保护。
图7所示为基于上述考虑采用的防爆方案。其中，FF配电采用冗余配电组合。H1总线的主干线按照无火花防爆的要求敷设到危险区2区。短路保护型接线盒采用无火花型防爆（Ex nA），安装在危险区2区。现场仪表如果需要安装在危险区1区，就采用隔爆型防爆方法；如果安装在危险区2区，则不管隔爆型还是无火花型防爆方法都可采用。

这一方案虽然简化了FF总线配置，降低了成本，而且提高了可靠性。但是也带来了新的问题。其一，降低了系统的防爆安全性级别。无火花型防爆是所有防爆方法中安全性最低的，所以只被允许应用在危险区2区。而隔爆型防爆方法也比不上本安型防爆来得更安全。其二，无火花型防爆和隔爆型防爆方法，均不允许对仪表进行带电在线维护。由于每段总线上挂接许多仪表，如果某台仪表故障，必须对整段总线停电检修，不仅将对工厂的正常生产造成影响，还将提高工厂的管理风险和管理成本，对工厂的长期安全运行带来潜在的危害。
d） FF现场安全栅模盒的应用
这是德国P+F公司最新推出的FF总线防爆应用方案。其核心产品为集本安防爆、中继器、短路保护接线盒、网端等诸多功能于一身的FF现场安全栅模盒。应用方案如图8所示。

首先，FF的配电采用冗余配电组合。然后H1主干总线电缆采用增安型防爆方法可敷设到现场的危险区1区。FF现场安全栅模盒本身采用胶封型防爆主体、增安型防爆主干线端子、4路本安型防爆的输出，可安装在危险区1区。相互隔离的4路输出为本安防爆（EX ia），并具有短路保护功能。现场仪表采用本安型防爆，可安装在危险区0区。
与前一个方案相比，其一，本方案显著提高了系统的防爆安全级别，FF现场安全栅模盒可安装在1区，现场仪表可安装在0区。现场仪表采用本安防爆，从而允许进行带电的在线维护。其二，本方案的应用十分简洁。每段总线只敷设一根主干电缆去现场，尽可能靠近装置的危险区1区。现场只有一个品种的附属设备，即FF现场安全栅模盒。其三，本方案的系统可运行性非常理想。既采用冗余配电组合，又具有完善的短路保护。
7 结束语
总之，FF现场总线的配电，短路保护和防爆的应用已经找到了比较理想的实用方案。