淺談FF現(xiàn)場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)場總線  配電  短路保護(hù)  防爆
1 FF現(xiàn)場總線物理層（IEC61158-2）簡介
現(xiàn)場總線是指以工廠內(nèi)的測量和操控機(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)信號和模仿信號，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)簡潔化、節(jié)約配線（配線的同享）。是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化體系的全數(shù)字、雙向、多站的通訊體系。要處理工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器外表、操控器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通訊以及這些現(xiàn)場操控設(shè)備和操控體系之間的信息傳遞疑問。

基金會現(xiàn)場總線（Foundation Fieldbus）一般簡稱為FF現(xiàn)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(xiàn)場總線物理層；H2則選用高速以太網(wǎng)為物理層。這篇文章只評論FF之H1現(xiàn)場總線的配電、短路保護(hù)和防爆技能。

H1現(xiàn)場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)動電壓：9～32VDC；信號電流：±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（無中繼器時(shí)）；可用中繼器數(shù)；小于等于4臺；適用防爆辦法：實(shí)質(zhì)安全型防爆辦法等。

2 FF現(xiàn)場總線的配電

H1現(xiàn)場總線在一根屏蔽雙絞線電纜上完成對多臺現(xiàn)場外表供電和雙向數(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H1網(wǎng)卡一般有兩個(gè)或4個(gè)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(gè)網(wǎng)端（又稱終端電阻），以消除高頻信號的回聲。

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，任何總線基金會注冊的現(xiàn)場外表均應(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(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(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(yùn)用，數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)進(jìn)程現(xiàn)場成為也許，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)性等都有更高的請求。由此，致使了現(xiàn)場總線的產(chǎn)生。

每段H1總線能夠掛接多少臺現(xiàn)場外表，而總線電纜又能設(shè)置多長呢？一般H1網(wǎng)卡的供給商會闡明每段所掛接外表的極限數(shù)量（如16臺）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)場總線A型電纜散布電阻：44Ω/km。

1） 現(xiàn)場外表掛接數(shù)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(shí)習(xí)中，每段H1總線一般掛接16臺現(xiàn)場外表，其間閥門定位器為4到8臺。

2） 電纜長度：假設(shè)總線上掛接8臺變送器和8臺閥門定位器。

則現(xiàn)場外表耗電總額為

（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臺變送器加8臺閥門定位器時(shí)，電纜長度可達(dá)980 m。

3 FF現(xiàn)場總線配電的冗余

因?yàn)槊慷维F(xiàn)場總線將掛接多臺現(xiàn)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?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。二是選用一對冗余的配電模塊，與多臺FF適配模塊構(gòu)成多段（如4段）的FF配電組合。

4 FF現(xiàn)場總線的短路保護(hù)

實(shí)習(xí)表明，F(xiàn)F現(xiàn)場總線的實(shí)踐運(yùn)用中，配電毛病仍是對比少見的。常見的毛病是現(xiàn)場總線的短路。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總線是在一對屏蔽雙絞線上掛接了多臺現(xiàn)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(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比困難。比方，某段總線掛接了8臺現(xiàn)場外表，結(jié)尾還有一臺網(wǎng)端。這8臺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)場接線盒。這種短路保護(hù)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(hù)人員在操控室內(nèi)便可對短路毛病點(diǎn)一望而知。

5 FF現(xiàn)場總線在非防爆場合下的的典型運(yùn)用

圖4所示為如今受期待的非防爆場合的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網(wǎng)端，短路保護(hù)型接線盒中也富含一臺網(wǎng)端，所以運(yùn)用時(shí)無需另配網(wǎng)端。

6 FF現(xiàn)場總線的防爆

自從FF現(xiàn)場總線開端在易燃易爆的風(fēng)險(xiǎn)場合運(yùn)用以來，F(xiàn)F現(xiàn)場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)場總線外表在不停電的條件下進(jìn)行裝置和保護(hù)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(hù)。

a） 現(xiàn)場總線阻隔柵

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

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

這一計(jì)劃在FF現(xiàn)場總線總運(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)場外表的才干。因?yàn)槊慷蜨1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(xiàn)場外表。

2） 因?yàn)檫@種總線阻隔柵對現(xiàn)場總線的配電富含內(nèi)阻，使現(xiàn)場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)場總線配電。因?yàn)楦鱾€(gè)國家各個(gè)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(xiàn)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(xiàn)場總線技能，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)場總線A型電纜散布電阻：44Ω/km。則

1） 現(xiàn)場外表掛接數(shù)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。