淺談FF現(xiàn)場(chǎng)總線的配電與短路保護(hù)及其防爆

2016-08-13 12:07:23   來歷:eefocus   
關(guān)鍵字： FF現(xiàn)場(chǎng)總線  配電  短路保護(hù)  防爆
1 FF現(xiàn)場(chǎng)總線物理層（IEC61158-2）簡(jiǎn)介
現(xiàn)場(chǎng)總線是指以工廠內(nèi)的測(cè)量和操控機(jī)器間的數(shù)字通訊為主的網(wǎng)絡(luò)，也稱現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。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(jìn)行特化的網(wǎng)絡(luò)。原來這些機(jī)器間的主體配線是ON/OFF、接點(diǎn)信號(hào)和模仿信號(hào)，經(jīng)過通訊的數(shù)字化，使時(shí)間切割、多重化、多點(diǎn)化成為也許，然后完成高性能化、高牢靠化、養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)潔化、節(jié)約配線（配線的同享）。是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化體系的全數(shù)字、雙向、多站的通訊體系。要處理工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器外表、操控器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通訊以及這些現(xiàn)場(chǎng)操控設(shè)備和操控體系之間的信息傳遞疑問。

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（Foundation Fieldbus）一般簡(jiǎn)稱為FF現(xiàn)場(chǎng)總線，它分為H1和H2兩級(jí)總線。H1選用契合 IEC 61158-2規(guī)范的現(xiàn)場(chǎng)總線物理層；H2則選用高速以太網(wǎng)為物理層。這篇文章只評(píng)論FF之H1現(xiàn)場(chǎng)總線的配電、短路保護(hù)和防爆技能。

H1現(xiàn)場(chǎng)總線物理層的要電氣特征如下：

數(shù)據(jù)傳輸辦法：數(shù)字化，位同步；傳輸波特率：31.25kbit/s；驅(qū)動(dòng)電壓：9～32VDC；信號(hào)電流：±9mA；電纜型式：屏蔽雙絞線；接線拓?fù)錁?gòu)造：線形、樹形、星形及其復(fù)合形；電纜長度：小于等于1900m（無中繼器時(shí)）；分支電纜的長度：30～120m；掛接設(shè)備數(shù)量：小于等于32臺(tái)（無中繼器時(shí)）；可用中繼器數(shù)；小于等于4臺(tái)；適用防爆辦法：實(shí)質(zhì)安全型防爆辦法等。

2 FF現(xiàn)場(chǎng)總線的配電

H1現(xiàn)場(chǎng)總線在一根屏蔽雙絞線電纜上完成對(duì)多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)外表供電和雙向數(shù)字通訊。操控體系所裝備的H1網(wǎng)卡一般只負(fù)責(zé)與現(xiàn)場(chǎng)外表的雙向通訊。而總線的配電則需由專門的FF配電承當(dāng)，如圖1所示。

H1總線以“段（Segment）”為單位構(gòu)成總線網(wǎng)絡(luò)。每臺(tái)H1網(wǎng)卡一般有兩個(gè)或4個(gè)端口。每段總線需配1臺(tái)FF配電器。每段總線的兩頭需各配一個(gè)網(wǎng)端（又稱終端電阻），以消除高頻信號(hào)的回聲。

裝備了H1網(wǎng)卡、FF配電器、網(wǎng)端以后，就能夠在該段總線上掛接FF現(xiàn)場(chǎng)總線外表了。依據(jù)FF協(xié)議的有關(guān)可互操作性的規(guī)則，任何總線基金會(huì)注冊(cè)的現(xiàn)場(chǎng)外表均應(yīng)當(dāng)能夠掛接在H1總線上。

跟著科學(xué)技能的迅速開展，進(jìn)程操控范疇在曩昔的兩個(gè)世紀(jì)里發(fā)作了無窮的革新。150多年前呈現(xiàn)的根據(jù)5－13psi的氣動(dòng)信號(hào)規(guī)范（PCS，Pneumatic Control System氣動(dòng)操控體系），象征著操控理論開端構(gòu)成，但此時(shí)沒有有操控室的概念；20世紀(jì)50年代，跟著根據(jù)0－10mA或4－20mA的電流模仿信號(hào)的模仿進(jìn)程操控體系被提出并得到廣泛的運(yùn)用，象征了電氣自動(dòng)操控年代的到來，三大操控論的建立奠定了現(xiàn)代操控的基礎(chǔ)，建立操控室、操控功用別離的形式也一直沿襲今；20世紀(jì)70年代，跟著數(shù)字計(jì)算機(jī)的介入，產(chǎn)生了“集中操控”的中心操控計(jì)算機(jī)體系，而信號(hào)傳輸體系大部分是仍然沿襲4－20mA的模仿信號(hào)，不久大家也發(fā)現(xiàn)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(yùn)用和計(jì)算機(jī)牢靠性的進(jìn)步，使散布式操控體系得到了廣泛的運(yùn)用，由多臺(tái)計(jì)算機(jī)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(shù)字傳輸信號(hào)也在逐漸替代模仿傳輸信號(hào)。跟著微處理器的迅速開展和廣泛的運(yùn)用，數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)進(jìn)程現(xiàn)場(chǎng)成為也許，產(chǎn)生了以微處理器為中心，運(yùn)用集成電路替代慣例電子線路，施行信息采集、顯現(xiàn)、處理、傳輸以及優(yōu)化操控等功用的智能設(shè)備。設(shè)備之間互相通訊、操控，在精度、可操作性以及牢靠性、可保護(hù)性等都有更高的請(qǐng)求。由此，致使了現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生。

每段H1總線能夠掛接多少臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)外表，而總線電纜又能設(shè)置多長呢？一般H1網(wǎng)卡的供給商會(huì)闡明每段所掛接外表的極限數(shù)量（如16臺(tái)）和引薦數(shù)量。

設(shè)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(xiàn)場(chǎng)總線A型電纜散布電阻：44Ω/km。

1） 現(xiàn)場(chǎng)外表掛接數(shù)量

變送器：400÷17.5 = 22.8（臺(tái)）

定位器：400÷26 = 15.3（臺(tái)）

因而，每根總線可掛接22臺(tái)變送器或15臺(tái)閥位定位器。實(shí)習(xí)中，每段H1總線一般掛接16臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)外表，其間閥門定位器為4到8臺(tái)。

2） 電纜長度：假設(shè)總線上掛接8臺(tái)變送器和8臺(tái)閥門定位器。

則現(xiàn)場(chǎng)外表耗電總額為

（8×17.5）＋（8×26）= 348 （mA）

答應(yīng)總線電纜的壓降為

24－9 ﹦15（V）

答應(yīng)電纜總電阻為

15V÷348mAv = 43.1Ω

電纜長度為

43.1÷44 = 0.980（km）

因而，當(dāng)總線上掛接8臺(tái)變送器加8臺(tái)閥門定位器時(shí)，電纜長度可達(dá)980 m。

3 FF現(xiàn)場(chǎng)總線配電的冗余

因?yàn)槊慷维F(xiàn)場(chǎng)總線將掛接多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)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(tái)FF配電器呢？不能夠。因?yàn)镕F配電器所富含F(xiàn)F總線適配電路，如的濾波電路和網(wǎng)端等，并不答應(yīng)簡(jiǎn)略地并聯(lián)運(yùn)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。因?yàn)镕F適配電路難以冗余，因而FF的冗余配電計(jì)劃一般將配電和FF適配分成獨(dú)立的模塊，并選用配電模塊的冗余，如圖3所示。

市場(chǎng)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(gòu)成單段的FF配電組合。二是選用一對(duì)冗余的配電模塊，與多臺(tái)FF適配模塊構(gòu)成多段（如4段）的FF配電組合。

4 FF現(xiàn)場(chǎng)總線的短路保護(hù)

實(shí)習(xí)表明，F(xiàn)F現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)踐運(yùn)用中，配電毛病仍是對(duì)比少見的。常見的毛病是現(xiàn)場(chǎng)總線的短路。在FF總線的運(yùn)用中有必要充沛注重FF總線的短路疑問。這是因?yàn)椋浩湟?，F(xiàn)F總線是在一對(duì)屏蔽雙絞線上掛接了多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)外表，任何其間一臺(tái)外表的短路，都會(huì)致使整段總線的短路。當(dāng)在線保護(hù)外表時(shí)，拆裝外表電纜的操作很難防止電纜頭觸碰外表機(jī)殼，然后形成短路。即使這種短路是時(shí)間短的，也會(huì)損害整段總線的正常作業(yè)；其二，因?yàn)橐欢慰偩€上任何一點(diǎn)的短路，都形成整段的短路，使得查找和排除短路毛病對(duì)比困難。比方，某段總線掛接了8臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)外表，結(jié)尾還有一臺(tái)網(wǎng)端。這8臺(tái)表的裝置位置也許相距30 m或3層渠道。當(dāng)該段總線發(fā)作短路時(shí)，外表保護(hù)人員無法直觀地判別是哪臺(tái)表發(fā)作短路，也無法判別是只要一個(gè)短路點(diǎn)，仍是不止一個(gè)。

處理短路保護(hù)疑問，直接有用的辦法是選用具有總線各分支短路保護(hù)功用的現(xiàn)場(chǎng)接線盒。這種短路保護(hù)接線盒能夠使得任何一臺(tái)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(hù)人員在操控室內(nèi)便可對(duì)短路毛病點(diǎn)一望而知。

5 FF現(xiàn)場(chǎng)總線在非防爆場(chǎng)合下的的典型運(yùn)用

圖4所示為如今受期待的非防爆場(chǎng)合的FF總線運(yùn)用框圖。圖中沒有標(biāo)出網(wǎng)端，因?yàn)樵谶@種實(shí)踐運(yùn)用中，冗余的配電組合中富含一臺(tái)網(wǎng)端，短路保護(hù)型接線盒中也富含一臺(tái)網(wǎng)端，所以運(yùn)用時(shí)無需另配網(wǎng)端。

6 FF現(xiàn)場(chǎng)總線的防爆

自從FF現(xiàn)場(chǎng)總線開端在易燃易爆的風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)合運(yùn)用以來，F(xiàn)F現(xiàn)場(chǎng)總線的防爆技能一直在開展變化傍邊。

在前期，只答應(yīng)選用實(shí)質(zhì)安全型防爆辦法。這是因?yàn)?，只要本安防爆才干充沛滿意現(xiàn)場(chǎng)總線外表在不停電的條件下進(jìn)行裝置和保護(hù)的請(qǐng)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(hù)。

a） 現(xiàn)場(chǎng)總線阻隔柵

在H1網(wǎng)卡與現(xiàn)場(chǎng)外表之間，設(shè)置一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線阻隔柵，既給無源的H1網(wǎng)卡配電，又給本安防爆的現(xiàn)場(chǎng)總線配電。如圖5所示。

圖5所示計(jì)劃在現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)用初期對(duì)比受用戶期待。要是因?yàn)檫@種辦法對(duì)比簡(jiǎn)略、直觀，與傳統(tǒng)模仿量回路的阻隔柵運(yùn)用也對(duì)比相似，容易被用戶承受。

這一計(jì)劃在FF現(xiàn)場(chǎng)總線總運(yùn)用的推行進(jìn)程中，反映出兩個(gè)先天不足。

1） 總線阻隔柵大幅度約束了H1網(wǎng)卡掛接現(xiàn)場(chǎng)外表的才干。因?yàn)槊慷蜨1總線只能配置1臺(tái)總線阻隔柵，而每臺(tái)阻隔柵只能掛接34臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)外表。

2） 因?yàn)檫@種總線阻隔柵對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的配電富含內(nèi)阻，使現(xiàn)場(chǎng)總線電纜的長度長只能是220 m。大大約束了其運(yùn)用范圍。

不過，其時(shí)FF總線的運(yùn)用規(guī)劃很小，基本是實(shí)驗(yàn)性的，因而此計(jì)劃的弊端并不突出。

b） 現(xiàn)場(chǎng)總線本安中繼器

跟著運(yùn)用規(guī)劃的擴(kuò)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(xiàn)場(chǎng)總線本安中繼器的計(jì)劃。如圖6所示。每段H1網(wǎng)卡多配置4臺(tái)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(chǎng)總線配電。因?yàn)楦鱾€(gè)國家各個(gè)公司的利益之爭(zhēng)，盡管早在1984年世界電工技能委員會(huì)/世界規(guī)范協(xié)會(huì)（IEC/ISA）就著手開端擬定現(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)場(chǎng)總線技能，但互相的開放性和互操作性還難以一致。

設(shè)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(xiàn)場(chǎng)總線A型電纜散布電阻：44Ω/km。則

1） 現(xiàn)場(chǎng)外表掛接數(shù)量

變送器：100÷17.5 = 5.7（臺(tái)）

定位器：100÷26 = 3.8（臺(tái)）

因而，每底子安總線可掛接5臺(tái)變送器；或4臺(tái)變送器加1臺(tái)閥門定位器；或2臺(tái)變送器加2臺(tái)定位器；或1臺(tái)變送器加3臺(tái)定位器。