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现场总线

《现场总线基金会系统工程指南》网段设计及其辅助设备应用指南

2005-11-220:

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　　为方便用户和工程设计人员正确应用基金会现场总线技术，现场总线基金会出版了《现场总线基金会系统工程指南》。

该《指南》的中文版也已经由FF中国市场委员会（FFCMC）翻译完成。

　　为进一步方便读者实际运用《指南》，作者从对《指南》的理解出发，结合国内外实际工程的实施经验和市场上切实可行的解决方案，谨就FF总线的网段设计及其辅助设备的应用，提供指导意见。

　　FF网段的辅助设备

　　所谓网段的辅助设备，指的是除FF主机设备和现场仪表设备以外的、用以支持网段正常工作和可靠连接的设备。

这些设备包括主配电电源系统、H1网段的电源调节器、终端器（或称终端电阻）、中继器、支持整个H1网段本质安全防爆的FF隔离栅和本安中继器以及FISCO配电器、FNICO配电器、电缆、现场接线盒、避雷栅或浪涌保护器等。

　　■主配电电源系统

　　主配电电源指的是为所有FF网段提供电能量的电源系统，实际上就是标称24V的直流稳压电源系统。

这与非总线的传统控制系统所使用的电源并无区别。

所以，如果工厂已存在统一的24VDC供电系统，则可以用作FF的主配电电源。

如果工厂的统一供电是220VAC，就必须采用标称24VDC输出的稳压电源。

　　FF仪表设备所要求的H1网段供电电压为9~32VDC。

为保证H1网段的电压，主配电电源的稳压电压输出通常在20~35VDC范围内。

主配电电源的容量，应在保证对所有现实FF网段供电要求的前提下，留有充分的余量。

　　由于主配电电源牵涉所有的FF网段，主配电电源应该冗余配置。

当然，主配电电源所输入的220VAC也应该采用相互独立的冗余配置。

　　为得到不间断的供电，主配电电源所输入的220VAC应来自UPS。

否则，主配电电源应配备电池。

　　■FF电源调节器

　　FF电源调节器是FF现场总线所独有的、功能特殊的辅助设备。

　　上述主配电电源（24VDC稳压电源）并不能直接为H1网段配电。

这是因为稳压电源的输出电压负反馈功能将严重破坏FF总线通讯信号的波形。

所以，在主配电电源和H1网段之间必须设置FF电源调节器。

其基本功能是在允许主配电电源的直流电压传送到H1网段的同时，阻断H1总线上的通讯脉冲信号与稳压电源的联系。

　　FF电源调节器内最基本的电路是低通滤波和阻抗匹配。

FF总线的技术规范规定，一个FF的H1网段中，只允许有一个有源设备。

也就是说，每个H1网段只允许有一个经调节的供电。

考虑到任何滤波器或电路阻抗的并联，都不可避免地改变滤波参数和阻抗值，FF作此规定是很容易理解的。

　　实践中，为了提高H1网段的品质和可靠性，人们又在FF电源调节器中添加新的功能。

如为了避免网段之间的相互干扰（Crosstalking），在调节器中添加隔离电路；为了避免隔离电路降低电源调节器的配电效率和引起谐波共振，又发明了抑制网段间干扰和共振的Crest技术，用于FF电源调节器；为了避免主机H1网卡的短路故障导致整个网段崩溃，又在电源调节器中增加了主机短路保护电路等。

　　由于FF电源调节器牵涉到整个网段的运行，人们特别关注其可靠性指标。

当电源调节器的可靠性指标不能满足用户要求时，应采用冗余的电源调节器。

注意，不论冗余电源调节的两个调节器是同时工作，还是一个故障、一个工作，H1网段上必须始终只有一个经过调节的供电，如前所述。

也就是说，不管调节器模块是否冗余，电源调节器系统中始终会有与网段直接相连的一部分电路不可能冗余。

　　可见，冗余的电源调节器系统是比较复杂的和高成本的。

随着工艺技术的发展，高可靠性的单体FF电源调节器已经问世。

其可靠性指标MTBF可达1000年至5000年。

如果能够满足用户要求，采用高可靠性的单体电源调节器可以降低系统成本。

　　基金会已发布了FF电源调节器的测试规范FF-831，并对FF配电系统和电源调节器进行注册。

　　■FF总线的终端器

　　终端器，又称终端电阻，设置在网段的两端，用以消除高频信号在电缆末端可能产生的回声。

终端器由一个100降牡缱韬鸵桓1F的电容串联组成。

　　终端器不应该集成在主机或现场仪表中。

终端器可作为独立的设备，也可以和其他辅助设备合成在一体。

如主机一侧的终端器可集成在配电系统中；现场一侧的终端器可集成在接线盒中。

　　■ FF总线中继器

　　中继器开启一个新的网段。

该新网段的两端同样需要各安装一只终端器。

该终端器也可以集成在中继器之中。

　　中继器的应用可支持H1网络挂接更多的FF设备。

但是，实际应用中，主机的H1段口和网络调度将成为挂接设备数量的瓶颈。

　　每台中继器可将总线电缆长度扩展1900米。

然而在实践中，这种应用并不常见。

　　带有本安接口的中继器可在本质安全防爆的应用中扩展挂接设备的数量。

例如，Entity认证的本安网段只能挂接3~4台现场设备。

应用4台本安中继器，便可使整个网络挂接16台现场设备。

　　■FF总线电缆

　　新建装置，或期望达到最佳FF网络特性时，可采用专门为FF总线设计的屏蔽双绞线电缆。

遵照IEC的FF物理层标准，典型的FF总线电缆规范为：

　　电缆规格 　18AWG（0.8mm2）

　　屏蔽 　　　90％覆盖

　　衰减 　　　39kHz时3db/km

　　最大电容 　150pF/m

　　特性阻抗 　100 （1.25kbit/s时）

　　此规范的电缆又称现场总线A型电缆。

采用A型电缆，每个H1段落的电缆总长度允许达到1900米（包括主干线和分支电缆）。

电缆的分布电阻值为44/km。

　　FF总线电缆可采用独特的护套颜色，以便与其他信号线之间有明显区分。

　　FF总线电缆可采用每对双绞线单独屏蔽的多芯电缆，也可采用嵌装电缆。

　　■ FF总线接线盒

　　基金会建议，所有FF总线分支与主干线的连接都在接线盒中完成。

所有的电缆线头都应该独立地接在属于自己的端子上，即不应该将两个电缆线头并接在同一个端子上。

接线盒的端子可采用可插拔端子。

端子的接线规格应为12~24AWG。

　　接线盒应该防风雨，其防护等级不应低于IP65。

接线盒应考虑防腐问题。

根据用户的不同要求，接线盒的材料可为铝合金、不锈钢、玻璃纤维加强型塑料等。

　　接线盒的电缆接口可采用电缆格栏，或快速接插件。

　　接线盒的所有分支，应集成短路保护功能。

分支的短路保护是为了避免由于某个分支的短路，导致整个网段的崩溃。

这对于网段的安全运行是至关重要的。

　　用于防爆场合的接线盒，所采用的防爆方案应允许在不停电的条件下对分支上的现场仪表进行维护和拆装。

这是因为FF总线网段上挂接着众多的现场仪表，工厂的生产可能不允许为了对某台仪表进行维护操作而停掉整个网段的供电。

为了满足这项要求，对于危险区Zone1/0（或Division1）的应用，接线盒的分支应取得本质安全防爆认证，如EExiaIIC；对于危险区Zone2（或Division2）的应用，接线盒的分支应取得限能型无火花防爆认证，即EExnLIIC。

　　尽管隔爆型现场仪表不支持带电操作，仍然有部分用户出于传统习惯而坚持采用。

此时的接线盒的分支可采用增安型防爆认证，EExeIICT4，应用于危险区Zone1/2（或Division1/2）。

　　接线盒的内置模块应支持标准DIN导轨安装。

　　接线盒的分支数量可为4、6、8、10、12等，满足用户的选择要求。

　　FF的H1网段设计

　　网段设计要解决的问题，是确定网段的拓朴结构、主干线和分支的电缆长度、现场仪表挂接数量、防爆的解决方案、防雷和防浪涌的解决方案、接地的方案等。

网段设计不仅关系到网络运行的可靠性、工厂的安全性，而且还直接影响建设成本和今后维护的成本。

　　■网段的拓朴结构

　　基金会建议所有主干线和分支的连接都在接线盒中完成，所以直接从一台现场仪表连接到下一台现场仪表的所谓菊花链拓朴结构是不建议采用的。

　　利用三通接线盒（即所谓T型头）从主干线上引出分支的拓朴结构称为分支型拓朴结构。

这是现场总线应用初期被广泛采用的拓朴结构，并延用至今。

其优点是分支比较短，节省电缆。

缺点是主干线被反复截断，且附件设备数量众多，使施工和维护较困难，也不利于获得系统的高可靠性。

通常只用于现场仪表特别分散的场合。

　　在网段的终端设置一个接线箱用以连接所有的分支，这种结构称为树型拓朴结构，俗称鸡爪式结构。

这是目前非常受欢迎的拓朴结构。

其突出的优点是结构简单，附件数量最少，施工和维护容易，建设成本相对较低。

只是当现场仪表很分散的时候，采用这种结构将使分支电缆长度增加。

因此，比较适合现场仪表安装相对密集的场合。

　　组合型拓朴结构是在主干线上设置若干个接线箱，如2到4个，每个接线箱挂接4、6或8个分支。

这也是当前比较流行的拓朴结构。

其特点是接线箱的布置比较灵活，分支电缆的长度不会太长。

同时供应商可提供标准化、批量生产的成型产品，工程和施工管理相对容易，建设成本也比较低。

　　■主干线和分支的电缆长度

　　除本质安全防爆另有规定之外，采用现场总线A型电缆时，主干线和分支的电缆长度总和应不超过1900米。

而分支电缆的长度，建议用户遵循如下推荐：

　　网段上连接的通讯设备数量　 分支电缆的最大长度

　　25~32 　　　　　1米

　　19~24 　　　　　30米

　　15~18 　　　　　60米

　　13~14 　　　　　90米

　　1~12 　　　　　120米

 　　对于本质安全Entity认证的网段，分支和主干线电缆长度除了不应该超出上述建议值外，还必须依照本安认证参数对电缆的总电容和电感进行验算。

　　对于本质安全FISCO认证的网段，主干线和分支电缆的长度之和不得超过1000米，同时分支电缆长度不得超过30米。

　　■ 网段负载的验算

　　网段负载验算的目的是最终确认网段上实际可以挂接多少现场仪表，和网段的电缆到底能够放多长。

　　FF配电单元，即那些为H1网段配电的设备，如FF电源调节器、中继器、本安电源（Entity或FISCO）等，具备各自的配电能力，即输出电压和电流。

输出电流越大，能够支持的现场仪表就越多；而输出电压越高，能够支持的网段电缆就越长。

　　FF总线的行规只规定了现场仪表的耗电流必须大于10mA，并不规定耗电流的上限。

而市场上主流FF现场仪表的耗电流实际为10~30mA不等。

当某一个分支短路时，短路保护电路将额外消耗一定的电流，如40~60mA不等。

负载电流的验算就是确认FF配电单元的输出电流是否大于所有现场仪表的耗电流的总和加上至少一个分支的短路保护电流。

比如，某FISCO本安电源的电流输出为120mA，假设仪表平均耗电20mA，短路保护电流45mA，该网段的带负载能力就局限在5台现场仪表以内。

又比如，某FF配电单元的电流输出为500mA，在同样的假设条件下，该网段带16台现场仪表也绰绰有余。

　　依照FF总线的行规，现场仪表的工作电压为9~32VDC。

由于电缆存在分布电阻，如现场总线A型电缆的分布电阻为44/km，网段负载电流不可避免地会在电缆上产生电压降。

所以负载电压的验算就是确认FF配电单元的输出电压减去网段负载电流在电缆上的压降后不得小于9VDC。

比如，某FF配电单元的配电能力为13.1VDC/320mA，假设网段采用A型电缆、鸡爪式拓朴结构、且满负荷运行，则主干线的电缆长度将局限在290米。

又比如，某FF配电单元的输出为28VDC/500mA，在同样的假设条件下，主干线的电缆长度可达860米。

　　■接地

　　在整个网段上，不论是主干线还是分支，总线两根导线的任何一根均不得接地。

　　总线电缆的屏蔽层必须接地。

依据FF应用指南《AF-163Revision2.0》，根据不同工厂实际，原则上有3种可供选择的电缆屏蔽层接地方法。

　　其中最通行的方法是，整个网段中所有电缆的屏蔽层连接在一起，只在网段的一端接地，通常是在控制室这一端接地。

在此情况下，整个网段的电缆屏蔽层不得与现场仪表和接线盒的机壳连接。

因为这些机壳通常总是接地的。

在工厂没有等电位地的情况下，应该遵循这种屏蔽层单端接地原则。

　　在现场电磁干扰较强情况下，理想的抗干扰措施是将电缆屏蔽层与金属接线盒和仪表机壳以及控制室内的系统接地连接在一起。

这就不可避免地存在多点接地。

只有当工厂设有等电位地时，才可以采用电缆层与金属接线盒和仪表机壳连接实行多点接地的方法。

此时，所有的接地点的地必须等电位。

　　如果工厂没有完善的等电位地，但又要求获得很好的抗干扰效果，可以根据工厂实际实施如下的接地方法。

在多数工厂中，现场仪表的安装现场设有装置区域范围的等电位地，而控制室与装置现场的地没有等电位。

此时，可以将电缆屏蔽层与现场的接线盒和仪表机壳连接在一起，实施现场的等电位基础上的多点接地。

而电缆屏蔽层在控制室内经由一个隔离电容接地。

该电容的参数为10nF/1500V，可集成在FF配电单元之中。

在少数工厂中，现场装置区域的等电位地也不完善，情况就更为复杂。

建议实施的接地方法为：

第一，主干线电缆屏蔽层在控制室单点接地，且与现场接线盒机箱之间通过上述隔离电容连接。

该隔离电容可集成在接线盒内。

第二，将各分支的屏蔽层与接线盒机箱之间也通过上述隔离电容连接。

此时，分支的屏蔽层即可经仪表机壳接地。

　　■防雷

　　FFH1网段的防雷是针对雷电可能在网段导线上产生的浪涌电压而采取的防护措施。

实践中，很多人误认为采用避雷栅是防雷的万全之策。

而实际上，避雷栅只是雷电防护的辅助工具之一。

　　在工厂区域设置等电位地，可从根本上防止雷电通过地电阻耦合产生浪涌。

采用FF推荐的现场总线A型电缆（90％以上屏蔽覆盖），并将屏蔽层可靠接地本身就是防止雷电通过电容电感耦合和电磁耦合产生浪涌的有效措施。

如果采用嵌装电缆，并将嵌装金属层与接线盒金属机箱和仪表机壳连接并可靠接地，雷电产生灾害性浪涌的机会就更低了。

　　FFH1网段应采用宽频避雷栅，以避免因避雷栅而带来的信号衰减。

由于避雷栅通常需要定期测试，所以为了避免测试避雷栅而中断FF通讯，避雷栅最好具有不断线插拔的功能，即在拔下避雷栅模块的时候，网段通讯不中断。

　　■防爆

　　在爆炸危险性场所应用现场总线时，确定防爆方案是网段设计的重要内容。

理论上，传统非总线仪表的防爆方法都可以按照相同的标准应用到现场总线仪表上。

实践中，FF现场仪表经常采用的3种防爆方法：

隔爆型（Exd）防爆、本质安全型（Exi）防爆和无火花型（ExnL）防爆。

其中，现场总线基金会从容错安全性和带电拆装、维护作业的安全性考虑，更推荐本质安全型防爆方法。

　　1.现场仪表采用隔爆型防爆方法

　　隔爆型现场仪表的典型认证为EExdIICT4-T6或EExdeIICT4-T6。

　　此时，FF配电单元可采用高可靠性的FF电源调节器，或冗余的配电模块，满足用户对FF配电可靠性的要求。

　　应用于危险区Zone1（或Division1）时，主干线和分支应采用增安型防爆，接线盒采用EExmeIICT4认证。

应用于危险区Zone2（或Division2）时，主干线和分支可采用无火花型防爆，接线盒则采用EExnA[L]IICT4认证。

　　注意，当现场仪表采用隔爆型防爆时，仪表不可在未经特许的情况下带电拆装和维护作业。

　　2.现场仪表采用本质安全型防爆方法

　　本安型现场仪表的典型认证为EExiaIICT4-T6。

有Entity认证和FISCO认证之分。

此时，若主干线和分支同样采用本安防爆，则在控制室安全区内应配备本安认证的FF电源，Entity认证或FISCO认证。

接线盒也必须本安认证。

　　主干线本安防爆的好处是，主干线和分支及现场仪表一样都可以带电操作。

但同时也存在如下3个不足：

首先，本安防爆的FF电源可靠性不高（MTBF通常不到100年），且不支持冗余。

其次，Entity现场仪表挂在Entity电源上，FISCO现场仪表必须挂在FISCO电源上，给仪表的选型带来额外限制。

第三，由于本安主干线限制网段能量，挂接仪表的数量受限。

如Entity网段可挂接3~4台仪表，FISCO网段可挂接6台。

应用既不方便，成本又高。

　　为克服上述不足，现场总线基金会在应用指南《AG-163Revision2.0》中推荐了增安型防爆主干线，本安型防爆分支的解决方案。

该方案的核心是采用EExme[ia]IICT4认证的现场总线安全栅Fieldbarrier，可安装在危险区Zone1/2。

采用增安型防爆的主干线使得网段可以采用高可靠性的配电方案，并为网段提供足够的能量以挂接足够多的现场仪表。

独立的本安分支使得Entity和FISCO认证的现场仪表可以挂接在同一个主干线上。

　　3.现场仪表采用无火花型防爆方法

　　无火花型现场仪表的典型认证为EExnLIICT4-T6。

无火花型防爆只可应用在危险区Zone2（或Division2）。

实际应用时，主干线采用EExnA防爆，分支采用EExnL防爆。

接线盒认证为EExnA[L]IICT4。

由于这种防爆方案应用成本最低，而工厂中Zone2的范围远大于Zone1和Zone0，所以无火花防爆方案的应用受到用户的普遍欢迎。

　　■将简单仪表挂接在FFH1网段上

　　这些简单仪表如热电偶、热电阻、接近开关、电磁阀、指示灯等。

这些简单仪表往往不值得单独作为FF仪表挂接在H1网段上。

实践中，可将若干个简单仪表通过多变量FF现场仪表挂接到H1网段上。

比如，多变量的FF温变可将8个热电偶或热电阻合为一台FF现场仪表；多变量的DI/DO模盒可将8个接近开关和4台电磁阀合为一台FF现场仪表。

　　■主机系统设计因素对网段设计的影响

　　用户对主机系统设计的要求经常会直接或间接地影响到网段设计。

以网段挂接现场仪表的数量为例，以下诸多方面的主机系统设计问题都会影响到网段设计：

　　系统的风险管理设计会规定每个网段中控制回路的数量，甚至禁止其他回路的仪表挂接到某个控制回路所在的网段上。

这样，该网段最终可能只挂接2至3台现场仪表。

　　系统对每个网段调用功能块数量的限制，或者对每个网段VCR数量的限制，都有可能成为对挂接仪表数量的限制。

如系统限制每网段可调用64个功能块。

而有的仪表拥有8个功能块，甚至更多。

　　系统对网段执行时间的限制，可直接成为对挂接仪表数量的限制。

如，要求执行时间为1秒网段，最大挂接仪表数量为带4台阀门的12台仪表；要求执行时间为0.5秒的网段，最大仪表数量为带2台阀门的6台仪表；要求执行时间为0.2秒的网段，就只能挂接带1台阀门的3台仪表了。

FF现场总线控制技术的组态应用

　　摘要：

介绍了现场总线的特点，分析了基金会现场总线的几个关键技术。

并且结合作者的实践，介绍了基金会现场总线控制系统的组态方法，指出了基金会现场总线控制系统组态过程中要注意的问题。

　　关键词：

现场总线；基金会现场总线；设备描述语言；功能块；组态

　　现场总线是全数字化分布式底层控制网络，自他产生后，就引起控制领域的科研人员的广泛关注。

但是，长期以来由于各个大组织在大型跨国公司的支持下，为制定统一的国际标准造成了巨大的阻力，形成了各大总线共存的局面。

经过有关各方的共同努力和协商妥协,FF（FoundationFieldbus，基金会现场总线）等7种现场总线在1999年年底的投票表决中获得通过,FF现场总线也成为了一种极有发展前景的现场总线。

　　1FF现场总线的特点

　　FF是基于WorldFipNorthAmerican（FIP）和InterOperableSystemProject（ISP）的共同利益，在1994年合并而成的。

1995年，WorldFip欧洲部分国家也加入了FF。

FF总线由低速（H1）和高速（HSE，HighSpeedEthernet）2部分组成。

低速H1部分将ISO/OSI七层参考模型结构简化为物理层、数据链路层、应用层，再加上用户层，形成4层结构。

同时，为了适应以太网技术的发展，现场总线基金会放弃了其原来规划的Ｈ2高速总线标准，并于2000年3月29日公布了基于Ethernet的高速总线技术规范（HSE1.0版）。

　　在现场总线技术的发展过程中，Smar公司开发了一系列现场总线产品，成为了现场总线技术中的领先者，SYSTEM302是Smar公司总结系统工程方面的经验后开发的全数字化现场总线系统。

下面介绍一下在利用Smar公司SYSTEM302现场总线系统进行组态时遇到的2个重要概念：

（1）DD（DeviceDescription,设备描述）

　　DD是属于FF的报文规范层（FMS,FieldbusMessageSpeciafication）的一个内容。

设备描述DD是为虚拟现场设备VFD中的每个对象提供扩展描述，为控制系统或主机在理解VFD中数据的意义提供必要的信息，因此，DD可被看作是设备的一个驱动器。

在每次组态设备之间必须确认是否安装该设备的设备描述语言。

（2）FunctionBlock（功能模块，FB）

　　功能块应用进程位于FF总线通信模型的最高层用户层。

FF用户层协议将实现控制系统所需的各种功能封装为通用的模块结构，并定义他们的输入、输出、算法、事件及控制图等内容，从而形成了功能模块FB。

　　FF现场总线把功能块FB主要分成了3类：

资源块（ResourceBlock）、转换块（TransducerBlock）、功能块FB。

资源块描述了诸如设备名、生产厂家和序号等的现场总线设备特征。

一台设备只有一个资源块。

转换块把功能块从读传感器和命令输出硬件的本地输入/输出的功能分开，还包含标定日期和传感器类型等信息。

每个输入或输出功能块通常就是一个转换块。

功能块提供了控制系统行为。

功能块的输入和输出通过现场总线相连接。

每个功能块的执行被精确地调度。

在一个用户应用中可以有多个功能块。

　　功能块FB技术是FF现场总线实现分布式控制的一项重要手段。

在FF现场总线中，FCS废弃了DCS的输入/输出单元和工作站，把DCS的工作站的功能块分配给现场仪表，构成虚拟工作站。

FF的功能块可以供用户自由选择，可统一组态，构成所需的控制系统，实现了彻底的分散控制。

许多控制系统功能，诸如模拟输入输出、PID控制等功能都可以通过使用功能块由现场设备完成。

　　现场总线的技术特点包括很多方面，以上所述是在组态过程中遇到的2个重要概念及难点，在此做简单说明。

　　2组态基金会现场总线系统

　　现场总线的组态既与传统的DCS系统组态有共同之处，也有一定的差别。

本部分主要结合笔者的实践来介绍现场总线组态的内容。

　　2.1系统的结构

　　为了推动南京工业大学对现场总线技术的研究，我校曾于2001年8月从Smar公司引进了一套现场总线系统。

　　本系统由2个部分组成，其中：

2个LD302压力变送器和阀门定位器FY302构成压力控制系统。

LD302采集容器中的的压力信号，并将其转换为符合FF协议的标准信号发送到FF现场总线网络中，阀门定位器FY302根据系统的设定值和操作阈度，输出相应的模拟信号驱动控制阀，使系统的压力保持恒定；2个TT302温度变送器和现场总线（FF）到电流转换器FI302构成温度控制系统。

TT302采集温度信号，并将其转换为符合FF协议的标准信号发送到FF现场总线网络中，现场总线（FF）到电流转换器FI302根据设定值和操作阈度，输出适当电流驱动可控硅，可控硅控制温度对象的输入电压，从而使温度对象保持恒温。

这2个系统构成现场总线的H1网段。

H1系统通过DF51网关与上位机相连。

　　2.2控制系统组态