FF现场总线的配电
FF总线的H1网卡分为有源网卡和无源网卡两种。在非防爆的应用场合，有源H1网卡可直接向现场总线配电来驱动现场仪表，而无需额外配电。
但是多数DCS系统只提供无源的H1网卡。此时，现场总线的配电需要采用专用的现场总线配电器。
P+F公司的KLD2-STR-1.24.400.IEC是 一款典型的现场总线配电器。其总线配电能力为24VDC/400mA。具有挂接现场仪表数量多，传送距离远的特点。
例1：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。
配电器：KLD2-STR-1.24.400.IEC
配电能力：24VDC/400mA
FF总线变送器耗电：9V/17.5mA
FF总线阀门定位器耗电：9V/26mA
FF现场总线A型电缆分布电阻：44欧姆/km
1)现场仪表挂接数量：
变送器：400 ÷ 17.5 = 22.8
定位器：400 ÷26 = 15.3
所以，每根总线可挂接22台变送器或15台阀门定位器。实践中，DCS通常规定每段H1总线挂接现场仪表的数量，如16台，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 x 17.5 ) + ( 8 x 26 ) = 348mA
允许总线电缆的压降为
24 - 9 = 15V
允许电缆总电阻为
15V ÷ 348mA = 43.1欧姆
电缆长度为
43.1 ÷ 44 = 0.980 km
所以，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980米。
FF现场总线的高可靠性配电
由于每段现场总线上的十多台仪表由共同的配电器配电，用户很自然的会担心配电器的可靠性。
问题1：为什么需要适配电路？普通稳压电源能不能直接给FF的H1总线供电呢？
不能。因为如果将稳压电源接在H1总线上，则稳压电源的负载稳压作用会努力将H1总线上的通讯信号抑制掉，从而破坏FF的通讯。FF适配电路中的主要部件就是低通滤波器，用于隔断FF通讯信号与稳压电路的联系。
问题2：能不能将两台FF配电器直接并联在H1总线上来实现冗余配电呢？
不能。因为两台配电器一旦并联，其中各自的低通滤波电路也就并联了，这将改变滤波特性，并破坏阻抗匹配。
FF高可靠性配电方案一：冗余的有源FF适配器
如图4所示的FF冗余配电方案中，两个FF适配器始终相互监测，判断当前是只有一台适配器在工作还是两台适配器同时工作，并随时调整自己的滤波特性和阻抗特性，使之满足H1总线的要求。显然，这种适配器的电路是比较复杂的，从而使其单台的可靠性比图3所示FF配电器更低。完全依靠冗余来实现对FF总线的高可靠性配电。
FF高可靠性配电方案二：FPC+冗余配电
P+F公司根据用户寻求高可靠性FF配电的最终目标，独创推出了更切合实际的FPC+冗余配电的新方案，如图5所示。这一方案的核心创意是将FF适配器从FF配电器中分离出来，采用高可靠性的无源器件制成独立的、具有足够高可靠性的FF电源适配器FPC。同时配合冗余的稳压电源的和相应的配电附件。最终使整个FF配电方案达到用户的实际要求。
本方案中，非冗余的FPC为无源适配器，型号为KLD2-PC-1.1.IEC，具有5000年MTBF的超高可靠性。电源模块KFD2-EB.R4A.B-Y44151是配合冗余的稳压电源的配电附件，功能为将冗余的稳压支流电下装到电源轨道（PR-03）上，通过FPC给H1总线供电。
本方案的配电能力可大大超越图3和图4方案中的配电器。KLD2-PC-1.1.IEC的配电电流为1A，电压可高达32VDC。可见这个方案在提供高可靠性配电的同时，还进一改善了FF现场总线的应用条件。
现场总线的连接结构及相关技术
现场仪表的连接结构、连接器件的功能和连接施工质量对现场总线的应用和维护起着至关重要的作用。因为60%以上的应用问题和通讯故障可能与现场总线仪表的连接有关。与传统模拟量仪表连接结构比较，现场总线仪表的连接具有以下诸方面的特殊课题。
一、总线网端（又称终端电阻）
在现场总线主干线的两端必须设置网端。IEC61158-2中描述的标准测试总线网端为电阻100W串联电容1mF。
作为独立产品，网端有DIN轨安装型的和螺纹安装的。但是，为了简化应用，现在人们更倾向于将网端集成在其他现场总线产品中，以避免单独购买。在控制室一端，通常将网端集成在配电产品，如FF适配器、FF中继器、FF隔离栅、DP/PA网桥之中。在现场一端，则集成在各类接线盒中。
二、主干线和分支
现场总线电缆网络有主干线和分支之分，如图6所示。IEC61158-2除对主干线和分支的电缆长度总和有不超过1900米（A型电缆）的限制外，对分支的电缆长度也有明确的建议，如表1所示。
目前的实践中，FF总线的H1通常挂接8-16台现场仪表。设计现场总线电缆网络时必须充分注意分支电缆长度的限制。
三、T型接头和接线盒
仪表连接附件是现场总线应用的关键部分之一，其费用所占仪表投资的比重也比较大。这与模拟量仪表的应用场合有显著的区别。这是因为现场总线的连接附件不仅关系被连接仪表本身，还会影响整个现场总线段落。
图7所示的T型接头连接结构是现场总线早期应用的连接结构。其特点是简单直观，容易理解。但在实践中存在两个突出的缺点：第一，主干线电缆的断点很多。每接一个仪表，主干线电缆就断一次。不仅施工不便，可靠性也不易提高。第二，T型接头安装点多，现场巡检工作量大，查找问题困难。
图8所示为接线盒连接结构，又称鸡爪式结构。它避免了上述T型接头结构的缺点。但值得注意的是，由于分支电缆长度有限，接线盒的安装位置需要谨慎选择。
作为上述两种结构的折中，在实际项目中经常采用一段总线上安装2-4个接线盒，每个接线盒连接4-8台现场仪表的灵活结构。这是目前比较流行的连接结构。
四、短路保护
现场总线H1段落的短路保护是非常重要的。因为一根H1总线电缆上经常连接着8-16台现场仪表。如果某个分支发生短路，则整个段落都短路，该段落上的所有仪表都停止工作。而且，检查和排除这个故障将十分困难。因为工程师无法立即判断出短路发生在哪个分支。他必须逐一检查所有分支。
P+F公司推出的段落保护接线盒（Segment Protector）是解决上述短路问题的有效手段。这种带有4、6或8个分支的接线盒，对每个分支实施短路保护。任何一个分支的短路，都不会影响主干线和其他分支的正常工作。此外，如果某分支发生短路，在主机上可立即确认故障仪表位号，因为未发生故障的仪表都在正常工作。段落保护接线盒在现场还设置有故障指示灯，方便故障检查。
需要注意的是，短路保护需要额外耗电。当某分支短路时，该分支的短路保护电路将耗电45mA。这通常是仪表耗电的两倍多。所以在根据配电器容量计算每个段落挂接仪表数量的时候，必须将这个因素考虑在内。如果采用上述P+F公司的高可靠性配电方案，FF总线的配电可达1A，为应用段落保护接线盒提供了充足的配电保证。
现场总线的防爆方案
从防爆原理的普遍意义上讲，所有现行的防爆方法都可以应用于现场总线的防爆。实践中，针对现场总线所呈现的特殊应用条件，比较常见的现场总线防爆方案有以下三种：
一、增安型防爆的主干线，本安型防爆的现场仪表
这是目前较为先进的防爆方案，应用前景最好。其应用特点为：
·总线配电可采用高可靠配电方案，与非防爆场合应用的配电方案一致。
·兼备隔离栅和接线盒功能的现场安全栅（Fieldbarrier）本身通常为增安型和浇封型防爆，可安装在危险区Zone 1。内含隔离栅为EEx ia IIC。兼容FISCO和ENTITY。
·现场总线的主干线采用增安型防爆。从而允许为现场总线提供足够的配电。
·现场仪表为本质安全型防爆，FISCO和ENTITY均可。在一个总线段落中可混合应用。可安装在任何危险区。
·每路本安分支均有独立的短路保护。任何一路仪表短路，都不会影响其他仪表和主干线的工作。
·所有现场仪表的维护、拆装可带电操作。
·主干线电缆的长度和分支电缆的长度只受现场总线协议的约束（电缆总长1900米，分支见表1），不受FISCO规定的电缆长度总和不超过1000米和每分支不超过30米的限制。
二、本质安全型的主干线和分支
这是现场总线初始应用阶段最常用的防爆方法。在几年前是唯一被现场总线允许采用的防爆方法。其应用特点为：
·主干线和分支均为本安防爆。所以主干线和分支均可带电维护操作。
·现场仪表本安防爆分FISCO和ENTITY认证两种。每个现场总线段落建议只采用其中一种，不推荐混合。其中以FISCO认证仪表在应用时较为方便。
·含安全栅的配电设备通常安装在控制室。这类设备包括总线隔离栅、本安中继器、本安配电器等，分FISCO和ENTITY认证。以FISCO认证在应用中比较方便。
·由于安全栅不能冗余，所以这一方案中没有如前所述的高可靠性的配电。
·由于本质安全防爆限制去现场的能量，使得本安主干线的供电能力有限。每根总线挂接现场仪表的数量较少。
·主干线电缆长度和分支电缆长度都受到很大限制。在FISCO认证下，电缆总长1000米，分支30米。同时，配电能力也对主干线的长度形成限制。
·实践中有通过降低本安配电设备的防爆等级以求获得较大配电能力的做法。比如将本安配电器的防爆等级从EEx ia IIC降为EEx ib IIB，以获得12.8VDC/250mA的配电能力。但是，应用时必须注意，这种配电器的安全认证参数是否与现场仪表的安全认证参数相匹配。
·由于本安防爆的能量限制，而短路保护又需额外能量，此时应用短路保护比较困难。
三、无火花型防爆或增安型防爆的主干线，隔爆型防爆的现场仪表
由于在传统的模拟量仪表应用中很多用户和工程公司已经习惯了应用隔爆型防爆，所以这种防爆方案在现场总线的应用中仍然比较常见。其应用特点为：
·总线配电可采用高可靠配电方案，与非防爆场合应用的配电方案一致。
·对总线的配电能力不受防爆方法的限制，可向现场提供足够的能量。
·可应用如前所述的短路保护技术。
·无火花型防爆的接线盒可安装在危险区Zone 2。增安型防爆的接线盒可安装在危险区Zone 1。
·隔爆型防爆的现场仪表都可安装在危险区Zone 1。
·接线盒和现场仪表都不能带电维护操作。为实现在主干线不断电的情况下维护分支上的现场仪表，必须在每一分支电缆上额外安装隔爆型电缆断路器。
其他经常被提及的防爆方法还有无火花型防爆EEx nA、nL、正压型防爆EEx P等，但因在实际应用中所遇到的问题比较多，所以被作为主体防爆方案的情况很少见。
现场总线的本质安全防爆
现场总线现场仪表的防爆只允许采用本质安全型防爆方法。这是因为，只有本安防爆才能充分满足现场总线仪表在不停电的条件下进行安装和维护的要求。
与传统的模拟量仪表的一样，现场总线仪表采用本安防爆法，其现场仪表必须取得本安防爆认证，并与同样取得本安防爆认证的现场总线本安配电设备，如现场总线隔离栅、或现场总线本安中继器、或现场总线安全网桥、或现场总线本安配电器，等等，配合构成本安防爆现场总线网络。
本安型现场总线仪表的主要安全参数包括：
Ui 允许输入的最大故障电压
Ii 允许输入的最大故障电流
Pi 允许输入的最大功率
Ci 仪表自身的等效电容
Li 仪表自身的等效电感
现场总线本安配电设备的主要安全参数包括：
Uo 可能输出的最大电压，即安全限压值
Io 可能输出的最大电流，即安全限流值
Po 可能输出的最大功率
Co 允许总线网络的最大电容总和
Lo 允许总线网络的最大电感总和
由于现场总线上将挂接多个现场仪表，且总线网络除主干电缆外，可能有多个分支电缆，所以还必须考虑总线网络中的集合参数：
∑Ci 现场仪表自身电容之和
∑Li 现场仪表自身电感之和
∑Cc 总线电缆的电容总和
∑Lc 总线电缆的电感总和
工程设计人员和最终用户可依据下列公式确认本安现场总线网络的本质安全性：
Uo ≤ Ui
Io ≤ Ii
Po ≤ Pi
Co ≥ ∑Ci + ∑ Cc
Lo ≥ ∑Li + ∑Lc
现场总线本安防爆的 FISCO 应用模型
很显然，用上述公式进行本安型现场总线的设计，会给应用带来较大困难。因为现场仪表和电缆的电容和电感参数的总和通常比较难以核算，且当在总线上变更仪表配置、或变更电缆布置时， 重新进行核算将遇到更大的困 难。
在实践中，人们采用 FISCO 模型来简 化现场总线本安防爆的设计和应用。FISCO 为 "现场总线本安防爆概念"( Fieldbus Intrinsically Safe Concept ) 的简称。FISCO 并 不是一个新的本安防爆标准。它是一个既符合本安防爆标准，又便于实际应用的现场总线本安防爆应用模型和认证规范。依照FISCO模型设计现场总线网络，工程设计人员和最终用户可以避免繁琐的电容和电感参数的核算，现场仪表和电缆布置变更时也无需重新进行参数核算。
FISCO 应用规范的要点如下：
· 每根本安现场总线上只允许设置一台有源设备，其他必须是无源设备。这台有源设备为取得本安防爆认证的现场总线本安配电设备，如现场总线隔离栅、或现场总线本安中继器、或现场总线安全网桥、或现场总线本安配电器，等等。所谓无源设备，通常为现场仪表、电缆、接线盒、网端，等等。
· 每根本安现场总线上最多挂接10台现场仪表。
· 每台现场仪表的耗电不小于10mA。
· 现场仪表和现场总线本安驱动设备必须满足下列本安参数匹配条件：
Uo ≤ Ui
Io ≤ Ii
Po ≤ Pi
· 各个现场仪表的自身电容Ci必须小于5nF。各个现场仪表的自身电感Li必须小于10mH。即，可忽略不计。
· 本安配电设备的本安限能参数( Ex ia IIC ):
Uo 应选择在14VDC到20 VDC之间。
Io 应在Uo确定后根据本安防爆标准中的引 爆曲线，并考虑至少1.5倍保险系数确定。
如：Uo = 15VDC；Io = 207.2mA。
· 总线电缆必须符合下列参数：
电缆分布电阻：15 ~ 150Ω/km。
电缆分布电感：0.4 ~ 1mH/km。
电缆分布电容：80 ~ 200nF/km。
· 对于Ex ia IIC防爆，总线电缆长度最长为 1000米。
· 每根分支电缆长度最长为30米。
· 网端的参数：
电阻为90~100欧姆。
电容为0~2.2mF。
在实际应用中，按照上述应用规范进行设备配置，便很容易得到安全、高效、合理的现场总线本安防爆解决方案。
FF现场总线（H1）防爆的实施案例
案例一、高可靠性的配电、增安型防爆的主干线、本质安全型防爆的分支及现场仪表、各分支具有独立的短路保护。
图9所示为本案例的示意图。图中H1段口为DCS的FF（H1）通讯口。一对冗余的配电模块（KFD2-EB.R4A.B-Y44151）将来自一对冗余稳压电源的直流电可靠地传递到电源轨道（PR-05）上。FF总线电源适配器FPC（）将电源轨道上的电配给H1总线。高可靠性的FPC，5年内发生故障的可能性为0.1%。FPC可为H1主干线提供1A的驱动电流和可高达32V的驱动电压。实践中，经常将驱动电压设在24-28V。
H1主干线电缆为增安型防爆。现场安全栅（Fieldbarrier ）可安装在危险区Zone 1。连接主干线一侧为增安型防爆，连接现场仪表的分支一侧为本质安全型防爆。每台现场安全栅内含4路带隔离栅的分支。每个分支的驱动能力为10V/40mA，可以驱动目前市场上的所有现场仪表。每个本安分支同时具有ENTITY和FISCO认证，既可以接ENTITY认证的现场仪表，也可以接FISCO认证的现场仪表。在每个分支只接一台仪表时，ENTITY认证的仪表和FISCO认证的仪表可以挂接在同一个H1段落之中。
分支电缆的允许长度参见表1。在本案例中，共有16台现场仪表，所以分支电缆的允许长度为60米。
主干线电缆的长度的计算如下：
设16台现场仪表的平均耗电为9V/20mA。依据现场安全栅的技术参数，此时每台现场安全栅的耗电为16V/121mA。4台现场安全栅的总耗电为16V/484mA。考虑允许同时发生4个分支的短路，额外耗电120mA。于是，主干线末端的总耗电为16V/604mA。
设主干线采用现场总线A型电缆，每公里电阻值为44欧姆。则主干线电缆的允许长度见表2所示。
案例二、高可靠性的配电、无火花型防爆的主干线、隔爆或增安型防爆的分支及现场仪表、各分支具有独立的短路保护。
与上一案例比较，本案例在控制室内的高可靠性配电方面是相同的。
H1主干线电缆可采用无火花防爆或增安型防爆的规范。鸡爪式接线箱安装在危险区Zone 2。两台8个分支的段落保护接线盒（Segment Protector R-JBSC-8）为无火花型防爆，可安装在危险区Zone 2。现场仪表采用隔爆型防爆，可安装在危险区Zone 1。因为隔爆型和无火花型防爆不允许带电维护，所以为了在主干线不断电的情况下可以维护现场仪表，需要在分支上安装隔爆型电缆断路器。
分支电缆的允许长度参见表1。在本案例中，共有16台现场仪表，所以分支电缆的允许长度为60米。
主干线电缆的长度的计算如下：
设16台现场仪表的平均耗电为9V/20mA。考虑允许同时发生4个分支的短路，额外耗电120mA。于是，主干线末端的总耗电为9V/440mA。
设主干线采用现场总线A型电缆，每公里电阻值为44欧姆。则主干线电缆的允许长度见表3所示。
京公网安备 11011202001138号
