FF现场总线的配电与短路保护及其防爆

ffff 现场总线的配电与短路保护及其现场总线的配电与短路保护及其 防爆防爆 1ff 现场总线物理层 现场总线物理层 iec61158 2 简介 简介 基金会现场总线 foundationfieldbus 通常简称为 ff 现场 总线 它分为 h1 和 h2 两级总线 h1 采用符合 iec61158 2 标 准的现场总线物理层 h2 则采用高速以太网为物理层 本文只 讨论 ff 之 h1 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征如下 数据传输方式 数字化 位同步 传输波特率 31 25kbit 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 1900m 无中继器时 分支电缆的 长度 30 120m 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 2ff 现场总线的配电现场总线的配电 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 供电和双向数字通讯 控制系统所配备的 h1 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 配电承担 如图 1 所示 h1 总线以 段 segment 为单位组成总线网络 每台 h1 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 因此用户还需在每仙总线的末端配备一个网端 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 任何总线基金会注册的现场仪表均应该可以挂接在 h1 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 h1 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 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 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 台阀位定位器 实践中 每段 h1 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 348mav 43 1 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 3ff 现场总线配电的冗余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 市场上的产品有两种 一是每 ff 适配器模块均配备冗余的 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 4ff 现场总线的短路保护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免电缆头触碰仪表机壳 从而造成短路 即使这种短路是短暂的 也会危害整段总线的正常工作 其二 由于一段总线上任何一点的短路 都造成整段的短路 使得查 找和排除短路故障比较困难 比如 某段总线挂接了 8 台现场 仪表 末尾还有一台网端 这 8 台表的安装位置可能相距 30m 或 3 层平台 当该段总线发生短路时 仪表维护人员无法直观 地判断是哪台表发生短路 也无法判断是只有一个短路点 还 是不止一个 必须做好检查所有 8 台仪表的准备 也许要花一 个小时 来回跑几百米 上下爬几层平台 才能找到问题所在 解决短路保护问题 最直接有效的办法是采用具有总线各 分支短路保护功能的现场接线盒 这种短路保护接线盒可以使 得任何一台仪表的短路都不影响本总线段其他仪表的工作 而 且使得仪表维护人员在控制室内便可对短路故障点一目了然 5ff 现场总线在非防爆场合下的的典型应用现场总线在非防爆场合下的的典型应用 图 4 所示为目前最受欢迎的非防爆场合的 ff 总线应用框图 图中没有标出网端 因为在这种实际应用中 冗余的配电组合 中含有一台网端 短路保护型接线盒中也含有一台网端 所以 应用时无需另配网端 6ff 现场总线的防爆现场总线的防爆 自从 ff 现场总线开始在易燃易爆的危险场合应用以来 ff 现场总线的防爆技术一直在发展变化当中 在早期 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 其他防爆方法如隔爆型 增安型或无火花 型防爆方法都必须断电维护 后来 随着应用规模越来越大 出于对应用成本的考虑 防爆方法的准用逐渐扩大 下面根据 这种防爆应用的发展过程 讨论各种已经被实际应用过的防爆 应用方案 a 现场总线隔离栅 在 h1 网卡与现场仪表之间 设置一台现场总线隔离栅 既 给无源的 h1 网卡配电 又给本安防爆的现场总线配电 如图 5 所示 图 5 所示方案在现场总线应用初期比较受用户欢迎 主要 是因为这种方法比较简单 直观 与传统模拟量回路的隔离栅 应用也比较类似 容易被用户接受 这一方案在 ff 现场总线总应用的推广过程中 反映出两个 先天不足 1 总线隔离栅大幅度限制了 h1 网卡挂接现场仪表的能力 因为每段 h1 总线只能配置 1 台总线隔离栅 而每台隔离栅只能 挂接 3 至 4 台现场仪表 也就是说 由于使用了总线隔离栅 使得原本能挂接 16 台现场仪表的 h1 网卡 只能挂接 3 到 4 台 现场仪表了 于是 现场总线的优势被大打折扣 2 由于这种总线隔离栅对现场总线的配电含有内阻 使现 场总线电缆的长度最长只能是 220m 大大限制了其应用范围 不过 当时 ff 总线的应用规模很小 基本是实验性的 因 此此方案的弊病并不突出 b 现场总线本安中继器 随着应用规模的扩大 为了克服总线隔离栅的不足 现在 越来越多的用户倾向于采用现场总线本安中继器的方案 如图 6 所示 每段 h1 网卡最多配置 4 台安中继器 既给无源的 h1 网卡配电 又分别给本安防爆的现场总线配电 现通过举例来 说明现场总线本安中继器应用中 现场总线挂接现场仪表数量 和电缆长度的估算 设本安中继器配电能力 不小于 12 8vdc 100ma 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 km 则 1 现场仪表挂接数量 变送器 100 17 5 5 7 台 定位器 100 26 3 8 台 因此 每根本安总线可挂接 5 台变送器 或 4 台变送器加 1 台阀门定位器 或 2 台变送器加 2 台定位器 或 1 台变送器 加 3 台定位器 2 电缆长度 假设总线上挂接 4 台变送器和 1 台阀门定位器 则现场仪 表耗电总额为 4 17 5 1 26 96 ma 允许总线电缆的压降为 12 8 9 3 8v 允许电缆总电阻为 3 8 96ma 39 5 电缆长度为 39 5 44 0 898 km 因此 当总线上挂接 4 台变送器加 1 台定位器时 电缆长 度可达 898m 可见 采用本安中继器 每段 h1 网卡可挂接 16 台现场仪 表 本安总线电缆可长达近 900m 于是 h1 网卡的工作能力得 到充分利用 并能够满足更多应用场合的要求 这种方案仍存在两个不足 第一 每段总线需要放多根电 缆到现场 本安中继器和现场附件的数量仍较多 所占应用成 本的比重较大 第二 冗余配电和短路保护的要求还没有得到 满足 c 无火花型和隔爆型防爆 当 ff 总线的应用规模达到一个项目成千上万点以后 应用 成本和系统的可运行性问题就非常突出了 一方面要求 ff 总线 的网络结构尽可能简化 附件精简 另一方面要求 ff 总线实现 冗余配电和短路保护 图 7 所示为基于上述考虑采用的防爆方案 其中 ff 配电 采用冗余配电组合 h1 总线的主干线按照无火花防爆的要求敷 设到危险区 2 区 短路保护型接线盒采用无火花型防爆 exna 安装在危险区 2 区 现场仪表如果需要安装在危险 区 1 区 就采用隔爆型防爆方法 如果安装在危险区 2 区 则 不管隔爆型还是无火花型防爆方法都可采用 这一方案虽然简化了 ff 总线配置 降低了成本 而且提高 了可靠性 但是也带来了新的问题 其一 降低了系统的防爆 安全性级别 无火花型防爆是所有防爆方法中安全性最低的 所以只被允许应用在危险区 2 区 而隔爆型防爆方法也比不上 本安型防爆来得更安全 其二 无火花型防爆和隔爆型防爆方 法 均不允许对仪表进行带电在线维护 由于每段总线上挂接 许多仪表 如果某台仪表故障 必须对整段总线停电检修 不 仅将对工厂的正常生产造成影响 还将提高工厂的管理风险和 管理成本 对工厂的长期安全运行带来潜在的危害 d ff 现场安全栅模盒的应用 这是德国 p f 公司最新推出的 ff 总线防爆应用方案 其核 心产品为集本安防爆 中继器 短路保护接线盒 网端等诸多 功能于一身的 ff 现场安全栅模盒 应用方案如图 8 所示 首先 ff 的配电采用冗余配电组合 然后 h1 主干总线电 缆采用增安型防爆方法可敷设到现场的危险区 1 区 ff 现场安 全栅模盒本身采用胶封型防爆主体 增安型防爆主干线端子 4 路本安型防爆的输出 可安装在危险区 1 区 相互隔离的 4 路输出为本安防爆 exia 并具有短路保护功能 现场仪表 采用本安型防爆 可安装在危险区 0 区 与前一个方案相比