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FF现场总线的配电与短路保护及其防爆
xiao_xiao1 发表于 2009/10/20 14:49:49 728 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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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H,和H:两级总线。H，采用符合IEC 61158-2标准的现场总线物理层;H:则采用高速以太网为其物理层。本文只讨论FF之H,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性如下。
数据传输方式:数字化，位同步;传输波特率:31, 25 kbit/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1900 m(无中继器时);分支电缆的长度:30-120 m;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的供电和双向数字通讯。控制系统所配备的H、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配电器承担，如图1所示。
H1总线以“段(Segment)”为单位组成总线网络。每台H 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，因此用户还需在每段总线的末端配备一个网端。
图1 现场总线配电器的应用
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，任何经总线基金会注册的现场仪表均应该可以挂接在H,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H，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/400m A;
FF总线变送器耗电:9V/17.5m A;
FF总线阀门定位器耗电:9V/26m A;
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台阀门定位器。实践中，每段H 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÷348mA=43.1 n
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980m。
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。
图2 FF配电器电路
图3 冗余的FF配电方案
市场上的产品有两种。一是每台FF适配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