FF現(xiàn)場總線的配電
FF總線的H1網(wǎng)卡分為有源網(wǎng)卡和無源網(wǎng)卡兩種。在非防爆的應(yīng)用場合，有源H1網(wǎng)卡可直接向現(xiàn)場總線配電來驅(qū)動現(xiàn)場儀表，而無需額外配電。
但是多數(shù)DCS系統(tǒng)只提供無源的H1網(wǎng)卡。此時，現(xiàn)場總線的配電需要采用專用的現(xiàn)場總線配電器。
P+F公司的KLD2-STR-1.24.400.IEC是 一款典型的現(xiàn)場總線配電器。其總線配電能力為24VDC/400mA。具有掛接現(xiàn)場儀表數(shù)量多，傳送距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。
例1：現(xiàn)場總線配電器應(yīng)用中，現(xiàn)場總線掛接現(xiàn)場儀表數(shù)量和電纜長度的估算。
配電器：KLD2-STR-1.24.400.IEC
配電能力：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型電纜分布電阻：44歐姆/km
1)現(xiàn)場儀表掛接數(shù)量：
變送器：400 ÷ 17.5 = 22.8
定位器：400 ÷26 = 15.3
所以，每根總線可掛接22臺變送器或15臺閥門定位器。實踐中，DCS通常規(guī)定每段H1總線掛接現(xiàn)場儀表的數(shù)量，如16臺，其中閥門定位器為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)場儀表耗電總額為
( 8 x 17.5 ) + ( 8 x 26 ) = 348mA
允許總線電纜的壓降為
24 - 9 = 15V
允許電纜總電阻為
15V ÷ 348mA = 43.1歐姆
電纜長度為
43.1 ÷ 44 = 0.980 km
所以，當(dāng)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(dá)980米。
FF現(xiàn)場總線的高可靠性配電
由于每段現(xiàn)場總線上的十多臺儀表由共同的配電器配電，用戶很自然的會擔(dān)心配電器的可靠性。
問題1：為什么需要適配電路？普通穩(wěn)壓電源能不能直接給FF的H1總線供電呢？
不能。因為如果將穩(wěn)壓電源接在H1總線上，則穩(wěn)壓電源的負(fù)載穩(wěn)壓作用會努力將H1總線上的通訊信號抑制掉，從而破壞FF的通訊。FF適配電路中的主要部件就是低通濾波器，用于隔斷FF通訊信號與穩(wěn)壓電路的聯(lián)系。
問題2：能不能將兩臺FF配電器直接并聯(lián)在H1總線上來實現(xiàn)冗余配電呢？
不能。因為兩臺配電器一旦并聯(lián)，其中各自的低通濾波電路也就并聯(lián)了，這將改變?yōu)V波特性，并破壞阻抗匹配。
FF高可靠性配電方案一：冗余的有源FF適配器
如圖4所示的FF冗余配電方案中，兩個FF適配器始終相互監(jiān)測，判斷當(dāng)前是只有一臺適配器在工作還是兩臺適配器同時工作，并隨時調(diào)整自己的濾波特性和阻抗特性，使之滿足H1總線的要求。顯然，這種適配器的電路是比較復(fù)雜的，從而使其單臺的可靠性比圖3所示FF配電器更低。完全依靠冗余來實現(xiàn)對FF總線的高可靠性配電。
FF高可靠性配電方案二：FPC+冗余配電
P+F公司根據(jù)用戶尋求高可靠性FF配電的最終目標(biāo)，獨(dú)創(chuàng)推出了更切合實際的FPC+冗余配電的新方案，如圖5所示。這一方案的核心創(chuàng)意是將FF適配器從FF配電器中分離出來，采用高可靠性的無源器件制成獨(dú)立的、具有足夠高可靠性的FF電源適配器FPC。同時配合冗余的穩(wěn)壓電源的和相應(yīng)的配電附件。最終使整個FF配電方案達(dá)到用戶的實際要求。
本方案中，非冗余的FPC為無源適配器，型號為KLD2-PC-1.1.IEC，具有5000年MTBF的超高可靠性。電源模塊KFD2-EB.R4A.B-Y44151是配合冗余的穩(wěn)壓電源的配電附件，功能為將冗余的穩(wěn)壓支流電下裝到電源軌道（PR-03）上，通過FPC給H1總線供電。
本方案的配電能力可大大超越圖3和圖4方案中的配電器。KLD2-PC-1.1.IEC的配電電流為1A，電壓可高達(dá)32VDC?？梢娺@個方案在提供高可靠性配電的同時，還進(jìn)一改善了FF現(xiàn)場總線的應(yīng)用條件。
現(xiàn)場總線的連接結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)
現(xiàn)場儀表的連接結(jié)構(gòu)、連接器件的功能和連接施工質(zhì)量對現(xiàn)場總線的應(yīng)用和維護(hù)起著至關(guān)重要的作用。因為60%以上的應(yīng)用問題和通訊故障可能與現(xiàn)場總線儀表的連接有關(guān)。與傳統(tǒng)模擬量儀表連接結(jié)構(gòu)比較，現(xiàn)場總線儀表的連接具有以下諸方面的特殊課題。
一、總線網(wǎng)端（又稱終端電阻）
在現(xiàn)場總線主干線的兩端必須設(shè)置網(wǎng)端。IEC61158-2中描述的標(biāo)準(zhǔn)測試總線網(wǎng)端為電阻100W串聯(lián)電容1mF。
作為獨(dú)立產(chǎn)品，網(wǎng)端有DIN軌安裝型的和螺紋安裝的。但是，為了簡化應(yīng)用，現(xiàn)在人們更傾向于將網(wǎng)端集成在其他現(xiàn)場總線產(chǎn)品中，以避免單獨(dú)購買。在控制室一端，通常將網(wǎng)端集成在配電產(chǎn)品，如FF適配器、FF中繼器、FF隔離柵、DP/PA網(wǎng)橋之中。在現(xiàn)場一端，則集成在各類接線盒中。
二、主干線和分支
現(xiàn)場總線電纜網(wǎng)絡(luò)有主干線和分支之分，如圖6所示。IEC61158-2除對主干線和分支的電纜長度總和有不超過1900米（A型電纜）的限制外，對分支的電纜長度也有明確的建議，如表1所示。
目前的實踐中，F(xiàn)F總線的H1通常掛接8-16臺現(xiàn)場儀表。設(shè)計現(xiàn)場總線電纜網(wǎng)絡(luò)時必須充分注意分支電纜長度的限制。
三、T型接頭和接線盒
儀表連接附件是現(xiàn)場總線應(yīng)用的關(guān)鍵部分之一，其費(fèi)用所占儀表投資的比重也比較大。這與模擬量儀表的應(yīng)用場合有顯著的區(qū)別。這是因為現(xiàn)場總線的連接附件不僅關(guān)系被連接儀表本身，還會影響整個現(xiàn)場總線段落。
圖7所示的T型接頭連接結(jié)構(gòu)是現(xiàn)場總線早期應(yīng)用的連接結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是簡單直觀，容易理解。但在實踐中存在兩個突出的缺點(diǎn)：第一，主干線電纜的斷點(diǎn)很多。每接一個儀表，主干線電纜就斷一次。不僅施工不便，可靠性也不易提高。第二，T型接頭安裝點(diǎn)多，現(xiàn)場巡檢工作量大，查找問題困難。
圖8所示為接線盒連接結(jié)構(gòu)，又稱雞爪式結(jié)構(gòu)。它避免了上述T型接頭結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。但值得注意的是，由于分支電纜長度有限，接線盒的安裝位置需要謹(jǐn)慎選擇。
作為上述兩種結(jié)構(gòu)的折中，在實際項目中經(jīng)常采用一段總線上安裝2-4個接線盒，每個接線盒連接4-8臺現(xiàn)場儀表的靈活結(jié)構(gòu)。這是目前比較流行的連接結(jié)構(gòu)。
四、短路保護(hù)
現(xiàn)場總線H1段落的短路保護(hù)是非常重要的。因為一根H1總線電纜上經(jīng)常連接著8-16臺現(xiàn)場儀表。如果某個分支發(fā)生短路，則整個段落都短路，該段落上的所有儀表都停止工作。而且，檢查和排除這個故障將十分困難。因為工程師無法立即判斷出短路發(fā)生在哪個分支。他必須逐一檢查所有分支。
P+F公司推出的段落保護(hù)接線盒（Segment Protector）是解決上述短路問題的有效手段。這種帶有4、6或8個分支的接線盒，對每個分支實施短路保護(hù)。任何一個分支的短路，都不會影響主干線和其他分支的正常工作。此外，如果某分支發(fā)生短路，在主機(jī)上可立即確認(rèn)故障儀表位號，因為未發(fā)生故障的儀表都在正常工作。段落保護(hù)接線盒在現(xiàn)場還設(shè)置有故障指示燈，方便故障檢查。
需要注意的是，短路保護(hù)需要額外耗電。當(dāng)某分支短路時，該分支的短路保護(hù)電路將耗電45mA。這通常是儀表耗電的兩倍多。所以在根據(jù)配電器容量計算每個段落掛接儀表數(shù)量的時候，必須將這個因素考慮在內(nèi)。如果采用上述P+F公司的高可靠性配電方案，F(xiàn)F總線的配電可達(dá)1A，為應(yīng)用段落保護(hù)接線盒提供了充足的配電保證。
現(xiàn)場總線的防爆方案
從防爆原理的普遍意義上講，所有現(xiàn)行的防爆方法都可以應(yīng)用于現(xiàn)場總線的防爆。實踐中，針對現(xiàn)場總線所呈現(xiàn)的特殊應(yīng)用條件，比較常見的現(xiàn)場總線防爆方案有以下三種：
一、增安型防爆的主干線，本安型防爆的現(xiàn)場儀表
這是目前較為先進(jìn)的防爆方案，應(yīng)用前景最好。其應(yīng)用特點(diǎn)為：
·總線配電可采用高可靠配電方案，與非防爆場合應(yīng)用的配電方案一致。
·兼?zhèn)涓綦x柵和接線盒功能的現(xiàn)場安全柵（Fieldbarrier）本身通常為增安型和澆封型防爆，可安裝在危險區(qū)Zone 1。內(nèi)含隔離柵為EEx ia IIC。兼容FISCO和ENTITY。
·現(xiàn)場總線的主干線采用增安型防爆。從而允許為現(xiàn)場總線提供足夠的配電。
·現(xiàn)場儀表為本質(zhì)安全型防爆，F(xiàn)ISCO和ENTITY均可。在一個總線段落中可混合應(yīng)用?？砂惭b在任何危險區(qū)。
·每路本安分支均有獨(dú)立的短路保護(hù)。任何一路儀表短路，都不會影響其他儀表和主干線的工作。
·所有現(xiàn)場儀表的維護(hù)、拆裝可帶電操作。
·主干線電纜的長度和分支電纜的長度只受現(xiàn)場總線協(xié)議的約束（電纜總長1900米，分支見表1），不受FISCO規(guī)定的電纜長度總和不超過1000米和每分支不超過30米的限制。
二、本質(zhì)安全型的主干線和分支
這是現(xiàn)場總線初始應(yīng)用階段最常用的防爆方法。在幾年前是唯一被現(xiàn)場總線允許采用的防爆方法。其應(yīng)用特點(diǎn)為：
·主干線和分支均為本安防爆。所以主干線和分支均可帶電維護(hù)操作。
·現(xiàn)場儀表本安防爆分FISCO和ENTITY認(rèn)證兩種。每個現(xiàn)場總線段落建議只采用其中一種，不推薦混合。其中以FISCO認(rèn)證儀表在應(yīng)用時較為方便。
·含安全柵的配電設(shè)備通常安裝在控制室。這類設(shè)備包括總線隔離柵、本安中繼器、本安配電器等，分FISCO和ENTITY認(rèn)證。以FISCO認(rèn)證在應(yīng)用中比較方便。
·由于安全柵不能冗余，所以這一方案中沒有如前所述的高可靠性的配電。
·由于本質(zhì)安全防爆限制去現(xiàn)場的能量，使得本安主干線的供電能力有限。每根總線掛接現(xiàn)場儀表的數(shù)量較少。
·主干線電纜長度和分支電纜長度都受到很大限制。在FISCO認(rèn)證下，電纜總長1000米，分支30米。同時，配電能力也對主干線的長度形成限制。
·實踐中有通過降低本安配電設(shè)備的防爆等級以求獲得較大配電能力的做法。比如將本安配電器的防爆等級從EEx ia IIC降為EEx ib IIB，以獲得12.8VDC/250mA的配電能力。但是，應(yīng)用時必須注意，這種配電器的安全認(rèn)證參數(shù)是否與現(xiàn)場儀表的安全認(rèn)證參數(shù)相匹配。
·由于本安防爆的能量限制，而短路保護(hù)又需額外能量，此時應(yīng)用短路保護(hù)比較困難。
三、無火花型防爆或增安型防爆的主干線，隔爆型防爆的現(xiàn)場儀表
由于在傳統(tǒng)的模擬量儀表應(yīng)用中很多用戶和工程公司已經(jīng)習(xí)慣了應(yīng)用隔爆型防爆，所以這種防爆方案在現(xiàn)場總線的應(yīng)用中仍然比較常見。其應(yīng)用特點(diǎn)為：
·總線配電可采用高可靠配電方案，與非防爆場合應(yīng)用的配電方案一致。
·對總線的配電能力不受防爆方法的限制，可向現(xiàn)場提供足夠的能量。
·可應(yīng)用如前所述的短路保護(hù)技術(shù)。
·無火花型防爆的接線盒可安裝在危險區(qū)Zone 2。增安型防爆的接線盒可安裝在危險區(qū)Zone 1。
·隔爆型防爆的現(xiàn)場儀表都可安裝在危險區(qū)Zone 1。
·接線盒和現(xiàn)場儀表都不能帶電維護(hù)操作。為實現(xiàn)在主干線不斷電的情況下維護(hù)分支上的現(xiàn)場儀表，必須在每一分支電纜上額外安裝隔爆型電纜斷路器。
其他經(jīng)常被提及的防爆方法還有無火花型防爆EEx nA、nL、正壓型防爆EEx P等，但因在實際應(yīng)用中所遇到的問題比較多，所以被作為主體防爆方案的情況很少見。
現(xiàn)場總線的本質(zhì)安全防爆
現(xiàn)場總線現(xiàn)場儀表的防爆只允許采用本質(zhì)安全型防爆方法。這是因為，只有本安防爆才能充分滿足現(xiàn)場總線儀表在不停電的條件下進(jìn)行安裝和維護(hù)的要求。
與傳統(tǒng)的模擬量儀表的一樣，現(xiàn)場總線儀表采用本安防爆法，其現(xiàn)場儀表必須取得本安防爆認(rèn)證，并與同樣取得本安防爆認(rèn)證的現(xiàn)場總線本安配電設(shè)備，如現(xiàn)場總線隔離柵、或現(xiàn)場總線本安中繼器、或現(xiàn)場總線安全網(wǎng)橋、或現(xiàn)場總線本安配電器，等等，配合構(gòu)成本安防爆現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。
本安型現(xiàn)場總線儀表的主要安全參數(shù)包括：
Ui 允許輸入的最大故障電壓
Ii 允許輸入的最大故障電流
Pi 允許輸入的最大功率
Ci 儀表自身的等效電容
Li 儀表自身的等效電感
現(xiàn)場總線本安配電設(shè)備的主要安全參數(shù)包括：
Uo 可能輸出的最大電壓，即安全限壓值
Io 可能輸出的最大電流，即安全限流值
Po 可能輸出的最大功率
Co 允許總線網(wǎng)絡(luò)的最大電容總和
Lo 允許總線網(wǎng)絡(luò)的最大電感總和
由于現(xiàn)場總線上將掛接多個現(xiàn)場儀表，且總線網(wǎng)絡(luò)除主干電纜外，可能有多個分支電纜，所以還必須考慮總線網(wǎng)絡(luò)中的集合參數(shù)：
∑Ci 現(xiàn)場儀表自身電容之和
∑Li 現(xiàn)場儀表自身電感之和
∑Cc 總線電纜的電容總和
∑Lc 總線電纜的電感總和
工程設(shè)計人員和最終用戶可依據(jù)下列公式確認(rèn)本安現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)安全性：
Uo ≤ Ui
Io ≤ Ii
Po ≤ Pi
Co ≥ ∑Ci + ∑ Cc
Lo ≥ ∑Li + ∑Lc
現(xiàn)場總線本安防爆的 FISCO 應(yīng)用模型
很顯然，用上述公式進(jìn)行本安型現(xiàn)場總線的設(shè)計，會給應(yīng)用帶來較大困難。因為現(xiàn)場儀表和電纜的電容和電感參數(shù)的總和通常比較難以核算，且當(dāng)在總線上變更儀表配置、或變更電纜布置時， 重新進(jìn)行核算將遇到更大的困 難。
在實踐中，人們采用 FISCO 模型來簡 化現(xiàn)場總線本安防爆的設(shè)計和應(yīng)用。FISCO 為 "現(xiàn)場總線本安防爆概念"( Fieldbus Intrinsically Safe Concept ) 的簡稱。FISCO 并 不是一個新的本安防爆標(biāo)準(zhǔn)。它是一個既符合本安防爆標(biāo)準(zhǔn)，又便于實際應(yīng)用的現(xiàn)場總線本安防爆應(yīng)用模型和認(rèn)證規(guī)范。依照FISCO模型設(shè)計現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，工程設(shè)計人員和最終用戶可以避免繁瑣的電容和電感參數(shù)的核算，現(xiàn)場儀表和電纜布置變更時也無需重新進(jìn)行參數(shù)核算。
FISCO 應(yīng)用規(guī)范的要點(diǎn)如下：
· 每根本安現(xiàn)場總線上只允許設(shè)置一臺有源設(shè)備，其他必須是無源設(shè)備。這臺有源設(shè)備為取得本安防爆認(rèn)證的現(xiàn)場總線本安配電設(shè)備，如現(xiàn)場總線隔離柵、或現(xiàn)場總線本安中繼器、或現(xiàn)場總線安全網(wǎng)橋、或現(xiàn)場總線本安配電器，等等。所謂無源設(shè)備，通常為現(xiàn)場儀表、電纜、接線盒、網(wǎng)端，等等。
· 每根本安現(xiàn)場總線上最多掛接10臺現(xiàn)場儀表。
· 每臺現(xiàn)場儀表的耗電不小于10mA。
· 現(xiàn)場儀表和現(xiàn)場總線本安驅(qū)動設(shè)備必須滿足下列本安參數(shù)匹配條件：
Uo ≤ Ui
Io ≤ Ii
Po ≤ Pi
· 各個現(xiàn)場儀表的自身電容Ci必須小于5nF。各個現(xiàn)場儀表的自身電感Li必須小于10mH。即，可忽略不計。
· 本安配電設(shè)備的本安限能參數(shù)( Ex ia IIC ):
Uo 應(yīng)選擇在14VDC到20 VDC之間。
Io 應(yīng)在Uo確定后根據(jù)本安防爆標(biāo)準(zhǔn)中的引 爆曲線，并考慮至少1.5倍保險系數(shù)確定。
如：Uo = 15VDC；Io = 207.2mA。
· 總線電纜必須符合下列參數(shù)：
電纜分布電阻：15 ~ 150Ω/km。
電纜分布電感：0.4 ~ 1mH/km。
電纜分布電容：80 ~ 200nF/km。
· 對于Ex ia IIC防爆，總線電纜長度最長為 1000米。
· 每根分支電纜長度最長為30米。
· 網(wǎng)端的參數(shù)：
電阻為90~100歐姆。
電容為0~2.2mF。
在實際應(yīng)用中，按照上述應(yīng)用規(guī)范進(jìn)行設(shè)備配置，便很容易得到安全、高效、合理的現(xiàn)場總線本安防爆解決方案。
FF現(xiàn)場總線（H1）防爆的實施案例
案例一、高可靠性的配電、增安型防爆的主干線、本質(zhì)安全型防爆的分支及現(xiàn)場儀表、各分支具有獨(dú)立的短路保護(hù)。
圖9所示為本案例的示意圖。圖中H1段口為DCS的FF（H1）通訊口。一對冗余的配電模塊（KFD2-EB.R4A.B-Y44151）將來自一對冗余穩(wěn)壓電源的直流電可靠地傳遞到電源軌道（PR-05）上。FF總線電源適配器FPC（）將電源軌道上的電配給H1總線。高可靠性的FPC，5年內(nèi)發(fā)生故障的可能性為0.1%。FPC可為H1主干線提供1A的驅(qū)動電流和可高達(dá)32V的驅(qū)動電壓。實踐中，經(jīng)常將驅(qū)動電壓設(shè)在24-28V。
H1主干線電纜為增安型防爆。現(xiàn)場安全柵（Fieldbarrier ）可安裝在危險區(qū)Zone 1。連接主干線一側(cè)為增安型防爆，連接現(xiàn)場儀表的分支一側(cè)為本質(zhì)安全型防爆。每臺現(xiàn)場安全柵內(nèi)含4路帶隔離柵的分支。每個分支的驅(qū)動能力為10V/40mA，可以驅(qū)動目前市場上的所有現(xiàn)場儀表。每個本安分支同時具有ENTITY和FISCO認(rèn)證，既可以接ENTITY認(rèn)證的現(xiàn)場儀表，也可以接FISCO認(rèn)證的現(xiàn)場儀表。在每個分支只接一臺儀表時，ENTITY認(rèn)證的儀表和FISCO認(rèn)證的儀表可以掛接在同一個H1段落之中。
分支電纜的允許長度參見表1。在本案例中，共有16臺現(xiàn)場儀表，所以分支電纜的允許長度為60米。
主干線電纜的長度的計算如下：
設(shè)16臺現(xiàn)場儀表的平均耗電為9V/20mA。依據(jù)現(xiàn)場安全柵的技術(shù)參數(shù)，此時每臺現(xiàn)場安全柵的耗電為16V/121mA。4臺現(xiàn)場安全柵的總耗電為16V/484mA?？紤]允許同時發(fā)生4個分支的短路，額外耗電120mA。于是，主干線末端的總耗電為16V/604mA。
設(shè)主干線采用現(xiàn)場總線A型電纜，每公里電阻值為44歐姆。則主干線電纜的允許長度見表2所示。
案例二、高可靠性的配電、無火花型防爆的主干線、隔爆或增安型防爆的分支及現(xiàn)場儀表、各分支具有獨(dú)立的短路保護(hù)。
與上一案例比較，本案例在控制室內(nèi)的高可靠性配電方面是相同的。
H1主干線電纜可采用無火花防爆或增安型防爆的規(guī)范。雞爪式接線箱安裝在危險區(qū)Zone 2。兩臺8個分支的段落保護(hù)接線盒（Segment Protector R-JBSC-8）為無火花型防爆，可安裝在危險區(qū)Zone 2?，F(xiàn)場儀表采用隔爆型防爆，可安裝在危險區(qū)Zone 1。因為隔爆型和無火花型防爆不允許帶電維護(hù)，所以為了在主干線不斷電的情況下可以維護(hù)現(xiàn)場儀表，需要在分支上安裝隔爆型電纜斷路器。
分支電纜的允許長度參見表1。在本案例中，共有16臺現(xiàn)場儀表，所以分支電纜的允許長度為60米。
主干線電纜的長度的計算如下：
設(shè)16臺現(xiàn)場儀表的平均耗電為9V/20mA?？紤]允許同時發(fā)生4個分支的短路，額外耗電120mA。于是，主干線末端的總耗電為9V/440mA。
設(shè)主干線采用現(xiàn)場總線A型電纜，每公里電阻值為44歐姆。則主干線電纜的允許長度見表3所示。
（轉(zhuǎn)載）
