淺談FF現場總線的配電與短路保護及其防爆

2016-08-13 12:07:23   來歷:eefocus   
關鍵字： FF現場總線  配電  短路保護  防爆
1 FF現場總線物理層（IEC61158-2）簡介
現場總線是指以工廠內的測量和操控機器間的數字通訊為主的網絡，也稱現場網絡。也即是將傳感器、各種操作終端和操控器間的通訊及操控器之間的通訊進行特化的網絡。原來這些機器間的主體配線是ON/OFF、接點信號和模仿信號，經過通訊的數字化，使時間切割、多重化、多點化成為也許，然后完成高性能化、高牢靠化、養(yǎng)護簡潔化、節(jié)約配線（配線的同享）。是連接智能現場設備和自動化體系的全數字、雙向、多站的通訊體系。要處理工業(yè)現場的智能化儀器外表、操控器、執(zhí)行機構等現場設備間的數字通訊以及這些現場操控設備和操控體系之間的信息傳遞疑問。

基金會現場總線（Foundation Fieldbus）一般簡稱為FF現場總線，它分為H1和H2兩級總線。H1選用契合 IEC 61158-2規(guī)范的現場總線物理層；H2則選用高速以太網為物理層。這篇文章只評論FF之H1現場總線的配電、短路保護和防爆技能。

H1現場總線物理層的要電氣特征如下：

數據傳輸辦法：數字化，位同步；傳輸波特率：31.25kbit/s；驅動電壓：9～32VDC；信號電流：±9mA；電纜型式：屏蔽雙絞線；接線拓撲構造：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；掛接設備數量：小于等于32臺（無中繼器時）；可用中繼器數；小于等于4臺；適用防爆辦法：實質安全型防爆辦法等。

2 FF現場總線的配電

H1現場總線在一根屏蔽雙絞線電纜上完成對多臺現場外表供電和雙向數字通訊。操控體系所裝備的H1網卡一般只負責與現場外表的雙向通訊。而總線的配電則需由專門的FF配電承當，如圖1所示。

H1總線以“段（Segment）”為單位構成總線網絡。每臺H1網卡一般有兩個或4個端口。每段總線需配1臺FF配電器。每段總線的兩頭需各配一個網端（又稱終端電阻），以消除高頻信號的回聲。

裝備了H1網卡、FF配電器、網端以后，就能夠在該段總線上掛接FF現場總線外表了。依據FF協(xié)議的有關可互操作性的規(guī)則，任何總線基金會注冊的現場外表均應當能夠掛接在H1總線上。

跟著科學技能的迅速開展，進程操控范疇在曩昔的兩個世紀里發(fā)作了無窮的革新。150多年前呈現的根據5－13psi的氣動信號規(guī)范（PCS，Pneumatic Control System氣動操控體系），象征著操控理論開端構成，但此時沒有有操控室的概念；20世紀50年代，跟著根據0－10mA或4－20mA的電流模仿信號的模仿進程操控體系被提出并得到廣泛的運用，象征了電氣自動操控年代的到來，三大操控論的建立奠定了現代操控的基礎，建立操控室、操控功用別離的形式也一直沿襲今；20世紀70年代，跟著數字計算機的介入，產生了“集中操控”的中心操控計算機體系，而信號傳輸體系大部分是仍然沿襲4－20mA的模仿信號，不久大家也發(fā)現了伴跟著“集中操控”，該體系存在著易失控、牢靠性低的缺陷，并很快將其開展為散布式操控體系（DCS，Distributed Control System散布式操控體系）；微處理器的遍及運用和計算機牢靠性的進步，使散布式操控體系得到了廣泛的運用，由多臺計算機和一些智能外表以及智能部件完成的散布式操控是其要的特征，而數字傳輸信號也在逐漸替代模仿傳輸信號。跟著微處理器的迅速開展和廣泛的運用，數字通訊網絡延伸到工業(yè)進程現場成為也許，產生了以微處理器為中心，運用集成電路替代慣例電子線路，施行信息采集、顯現、處理、傳輸以及優(yōu)化操控等功用的智能設備。設備之間互相通訊、操控，在精度、可操作性以及牢靠性、可保護性等都有更高的請求。由此，致使了現場總線的產生。

每段H1總線能夠掛接多少臺現場外表，而總線電纜又能設置多長呢？一般H1網卡的供給商會闡明每段所掛接外表的極限數量（如16臺）和引薦數量。

設配電器配電才干：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現場總線A型電纜散布電阻：44Ω/km。

1） 現場外表掛接數量

變送器：400÷17.5 = 22.8（臺）

定位器：400÷26 = 15.3（臺）

因而，每根總線可掛接22臺變送器或15臺閥位定位器。實習中，每段H1總線一般掛接16臺現場外表，其間閥門定位器為4到8臺。

2） 電纜長度：假設總線上掛接8臺變送器和8臺閥門定位器。

則現場外表耗電總額為

（8×17.5）＋（8×26）= 348 （mA）

答應總線電纜的壓降為

24－9 ﹦15（V）

答應電纜總電阻為

15V÷348mAv = 43.1Ω

電纜長度為

43.1÷44 = 0.980（km）

因而，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現場總線配電的冗余

因為每段現場總線將掛接多臺現場外表，假如FF配電器失效，一切外表均無法作業(yè)，因而FF的冗余配電越來越受到注重。

那么，一段總線上可否直接裝備兩臺FF配電器呢？不能夠。因為FF配電器所富含FF總線適配電路，如的濾波電路和網端等，并不答應簡略地并聯運用。

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。因為FF適配電路難以冗余，因而FF的冗余配電計劃一般將配電和FF適配分成獨立的模塊，并選用配電模塊的冗余，如圖3所示。

市場上的商品有兩種。一是每FF適配器模塊均裝備冗余的配電模塊，構成單段的FF配電組合。二是選用一對冗余的配電模塊，與多臺FF適配模塊構成多段（如4段）的FF配電組合。

4 FF現場總線的短路保護

實習表明，FF現場總線的實踐運用中，配電毛病仍是對比少見的。常見的毛病是現場總線的短路。在FF總線的運用中有必要充沛注重FF總線的短路疑問。這是因為：其一，FF總線是在一對屏蔽雙絞線上掛接了多臺現場外表，任何其間一臺外表的短路，都會致使整段總線的短路。當在線保護外表時，拆裝外表電纜的操作很難防止電纜頭觸碰外表機殼，然后形成短路。即使這種短路是時間短的，也會損害整段總線的正常作業(yè)；其二，因為一段總線上任何一點的短路，都形成整段的短路，使得查找和排除短路毛病對比困難。比方，某段總線掛接了8臺現場外表，結尾還有一臺網端。這8臺表的裝置位置也許相距30 m或3層渠道。當該段總線發(fā)作短路時，外表保護人員無法直觀地判別是哪臺表發(fā)作短路，也無法判別是只要一個短路點，仍是不止一個。

處理短路保護疑問，直接有用的辦法是選用具有總線各分支短路保護功用的現場接線盒。這種短路保護接線盒能夠使得任何一臺外表的短路都不影響本總線段別的外表的作業(yè)，并且使得外表保護人員在操控室內便可對短路毛病點一望而知。

5 FF現場總線在非防爆場合下的的典型運用

圖4所示為如今受期待的非防爆場合的FF總線運用框圖。圖中沒有標出網端，因為在這種實踐運用中，冗余的配電組合中富含一臺網端，短路保護型接線盒中也富含一臺網端，所以運用時無需另配網端。

6 FF現場總線的防爆

自從FF現場總線開端在易燃易爆的風險場合運用以來，FF現場總線的防爆技能一直在開展變化傍邊。

在前期，只答應選用實質安全型防爆辦法。這是因為，只要本安防爆才干充沛滿意現場總線外表在不停電的條件下進行裝置和保護的請求。別的防爆辦法如隔爆型、增安型或無火花型防爆辦法都有必要斷電保護。

a） 現場總線阻隔柵

在H1網卡與現場外表之間，設置一臺現場總線阻隔柵，既給無源的H1網卡配電，又給本安防爆的現場總線配電。如圖5所示。

圖5所示計劃在現場總線運用初期對比受用戶期待。要是因為這種辦法對比簡略、直觀，與傳統(tǒng)模仿量回路的阻隔柵運用也對比相似，容易被用戶承受。

這一計劃在FF現場總線總運用的推行進程中，反映出兩個先天不足。

1） 總線阻隔柵大幅度約束了H1網卡掛接現場外表的才干。因為每段H1總線只能配置1臺總線阻隔柵，而每臺阻隔柵只能掛接34臺現場外表。

2） 因為這種總線阻隔柵對現場總線的配電富含內阻，使現場總線電纜的長度長只能是220 m。大大約束了其運用范圍。

不過，其時FF總線的運用規(guī)劃很小，基本是實驗性的，因而此計劃的弊端并不突出。

b） 現場總線本安中繼器

跟著運用規(guī)劃的擴展，為了戰(zhàn)勝總線阻隔柵的不足，如今不斷增加的用戶傾向于選用現場總線本安中繼器的計劃。如圖6所示。每段H1網卡多配置4臺安中繼器，既給無源的H1網卡配電，又分別給本安防爆的現場總線配電。因為各個國家各個公司的利益之爭，盡管早在1984年世界電工技能委員會/世界規(guī)范協(xié)會（IEC/ISA）就著手開端擬定現場總線的規(guī)范，今一致的規(guī)范仍未完成。許多公司也推出其各自的現場總線技能，但互相的開放性和互操作性還難以一致。

設本安中繼器配電才干：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現場總線A型電纜散布電阻：44Ω/km。則

1） 現場外表掛接數量

變送器：100÷17.5 = 5.7（臺）

定位器：100÷26 = 3.8（臺）

因而，每底子安總線可掛接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。