基金会现场总线网段设计及辅助设备

1、基金会现场总线网段设计基金会现场总线网段设计和辅助设备和辅助设备主机系统EEx-i 现场总线隔栅和调节器危险区危险区机柜总线连接器 电缆接线盒连接器和附件预制线浪涌保护器仪表插座 网段设计时要考虑的问题- 仪表的功能性- 仪表的位置- 过程控制的要求- 可靠性要求 配线设计- 网段的拓扑结构- 电缆类型- 端子设备和连接件- 模块化连线 FF 网络/网段拓扑 点对点 分支 树型 混合型 菊花链型 主干和分支 ISA S50.02的定义 Trunk主干：是指两个终端器之间的接线 Spur分支：分支是一种与主干线相连的H1支线，是一个终结的电路环，长度1m120m 接头是一种从主干网延伸出去的长度

2、小于1m的连接方式 现场总线允许接头或分支 FF网络/网段拓扑 20-35VDC20-35VDC点对点- 该拓扑只包含两个设备- 此种方案不经济，不要采用20-35VDC20-35VDC树型拓扑 (鸡爪型) FF网络/网段拓扑 FF网络/网段拓扑 - 树型拓扑由一个与公共接线盒相连的现场总线段组成。可用于主干线电缆的末端 - 采用树型拓朴应注意分支的电缆长度限制- 树型拓朴特别适合现场仪表密集安装区域- 对现有电缆再利用时，首选树型拓扑结构20-35VDC20-35VDC分支拓扑- 多站型分支拓朴在技术上可行但未必经济- 比较适合仪表安装分散的场合所有分支应有短路保护和限流 FF网络/网段拓扑

3、 20-35VDC20-35VDC- 组合型拓朴是树型和多站型拓朴的组合。这种拓朴可以较好地发挥前两种拓朴的优势，而克服它们各自的局限性混合型拓扑 FF网络/网段拓扑 - 该拓扑的网段由设备连接到下一个设备，连接位于设备的端部- 运行时，如果不中断其它设备的服务，就不能添加或删除设备20-35VDC20-35VDC菊花链拓扑 FF网络/网段拓扑 菊花链型分支型点对点控制网络Junction Box鸡爪型或树型- 现场总线的安装应采用树型、分支型或组合型拓朴。避免采用菊花链拓朴 FF网络/网段拓扑 FF 电缆 线号18 GA (0.8 mm2)屏蔽90% 覆盖度衰减值39 kHz时3 db/km

4、 最大电容150 pF/m特性阻抗31.25 kHz时100 Ohms +/- 20%IEC物理层标准的典型FF电缆特性 现场总线电缆的技术规格 FF 电缆- A型为推荐优先选用的电缆，特别适于在新安装系统中使用。其次推荐使用的是多双绞线对、外层全屏蔽的B型电缆。当用户工厂中同一地区有多条现场总线时，新的安装工程和改造安装工程中均可选用这种类型的电缆- C、D两种电缆主要应用于改造工程中。相对A，B而言，C，D在使用长度上有许多限制，因此在某些特定场合中，要避免使用C，D两种电缆当接线盒采用电缆插座连接件时，分支可采用预制接插件的电缆 FF 电缆FF电缆采用屏蔽双绞线，可降低由线缆引入的信号噪

5、声。屏蔽可进一步降低噪声灵敏度可采用多对的双绞线电缆。各对双绞线应单独屏蔽。多对电缆还另须总屏蔽为增强电缆的防护，可采用铠装电缆实际应用经验不足时，应采用符合IEC物理层标准之典型电缆特性的FF专用电缆采用其他电缆前应进行测试。测试电缆长度为实际应用长度的125FF电缆可与4-20mA电缆有颜色区分。方法为在电缆末端采用热收缩标记套与具有价格优势的标准托盘电缆相比，特殊设计的FF电缆的优势并不总是很突出 预制线（Cordset） 已知各段总线长度 对安装时间要求非常紧 需要经常插拔 仪表插座（Gland） 作为仪表与网络连接的接口 导线与仪表内部接线端子相连 通过螺纹与仪表相连 针式或孔式 接

6、插件用于部件之间快速、可靠的连接直线型和直角型可在现场进行接线针式和孔式 “T”型插头用于总线网络的分支 接线盒 将若干分支集中连接到主干网上，有4分支、6分支和8分支等规格可选即插即用快速、准确、方便 接线盒端子式接线盒端子式接线盒高防护等级高防护等级端子式接线盒端子式接线盒低防护等级低防护等级 接线盒建议所有主干线和分支都在接线盒中连接。也可以用快速插头接在带插座的接线盒上接线盒的外壳材料如铝合金、不锈钢、玻璃纤维增强型塑料等。根据应用场合的防腐要求选择 接线盒接线盒必须防风雨。防护等级不应低于IP65主干线的进出和所有分支应设独立的接线端子或接插件，主干线和分支接线端子可插拔分支端子应集

7、成短路保护功能，并根据应用区域等级和网段允许的电流，限制分支的最大输出电流 短路保护功能是防止某一分支的短路导致整个网段崩溃LED显示分支短路和主干线供电EEx nAL IIC T4Zone 2EEx meia IIC T4Zone 1 接线盒建危险区Zone 2应用时，Ex n IIC 认证（在中国需NEPSI认证）危险区Zone 1/0应用时，Ex ia IIC或Ex me ia IIC认证（在中国需NEPSI认证） 终端器终端器是连接在总线末端或末端附近的阻抗匹配元件。每个总线段上需要两个。终端器能够起到使信号少受衰减与畸变的作用通常将终端器内置在接线盒、电源、总线接口卡等设备内20-3

8、5VDC终端器集成在FFPS中的终端器 终端器 主干两端各有一个终端电阻 一个终端器包括一个100电阻和一个1F电容 终端器不允许集成在主机或现场设备中，但是可以集成在 FFPS或接线盒中中继器 中继器 中继器是总线供电或非总线供电的设备，主要用来扩展现场总线网络。一个中继器开启一个新网段，从而增加连接到H1卡上的设备的数量 在现场总线网络的任何两个设备之间最多允许使用4个中继器。当使用4个中继器时，网络中两个设备之间的最大距离可以达到9500米 主配电电源和电源调节器典型的现场总线结构 控制室控制室现场现场T主干分支接线盒现场设备主供电电源主机控制系统电源调节器T终端器 主配电电源（Bulk

9、 Power Supply） 220/110VAC220/110VAC20-30VDC20-30VDC- 主配电电源冗余配置，应采用两路独立的供电电路，可以由UPS或备用电池供电- 主配电电源负责将240/120VAC转换为24VDC的供电电源，并提供过流保护- 由主配电电源提供的DC电源需要通过FPC调节后提供给H1网段 FF电源调节器（FFPS） 根据基金会现场总线物理层的规范，现场总线基金会规定了如下几种型号的总线供电电源：-131型 给安全栅供电的非本安电源，输出电压与安全栅的额定值有关-132型 不能给安全栅供电的普通非本安电源，输出电压最大值为直流32V-133型 符合推荐的本安参

10、数的本安型电源 FFPS 测试规范 FF - 831-唯一权威认证 -不断提高FFPS的互操作性 -FFPS/调节器通过测试后进行注册并使用 FF-831标志-推荐使用隔离电源 FF电源调节器（FFPS）冗余带隔离的电源调节器25V, 350mA输出无需断电更换电源组件冗余 24Vdc电源输入电源输入或电源模块故障报警多网段应用时的电源跨线 FF电源调节器（FFPS） 电源调节器- FFPS包括低通滤波电路、阻抗匹配电路、限压限流电路- 网段受限于总线电源的额定功率- 大部分设备使用总线电源，即使是四线制设备- 网段上只允许连接一个有源设备，也就是说每个网段上只允许有一个经调节的供电电源- 过

11、多负载的长距离网段会导致在设备端的低电压情况 提高电源可靠性的要求- 在满足可靠性指标的前提下，采用单FFPS可以控制成本- 主供电和FFPS冗余，可以避免所有单点故障，在网段不断电的情况下能够更换电源组件- 本安和隔爆型FFPS不能实现冗余- 主配电、隔离组件、FFPS故障报警必须通知主系统-主配电和电源调节器隔离电源调节器电源调节器现场总线设备现场总线设备现场总线主机系统现场总线主机系统H1 现场总线现场总线Single points of failure单点故障单点故障主供电电源主供电电源- +单FFPS配置电源调节器电源调节器主供电电源主供电电源 A现场总线设备现场总线设备现场总线主站

12、系统现场总线主站系统H1 现场总线现场总线电源调节器电源调节器主供电电源主供电电源 B- +- +故障报警故障报警故障报警故障报警故障报警故障报警故障报警故障报警冗余FFPS配置主电源供电主电源供电 A现场总线设备现场总线设备现场总线主机系统现场总线主机系统H1 现场总线现场总线250Vac rms主电源供电主电源供电 B- +- +电源调节器电源调节器电源调节器电源调节器故障报警故障报警故障报警故障报警故障报警故障报警故障报警故障报警 限制条件的检查- 距离限制- 分支长度- 电源消耗- 电压降- 通信处理 距离限制 - 如果没有中继器，A型电缆的最大允许总长度为1900m。电缆总长度为主干

13、线电缆长度与分支电缆长度之和- 主干线采用单对的屏蔽双绞线还是多对的屏蔽双绞线，取决于目的接线箱内的网段数量- 主干线采用多对的屏蔽双绞线时，可酌情设置备用量，如10，至少一对- 利用旧设备原有电缆做FF总线电缆时，应测试其是否可以利用- 在同一网段中不同电缆类型可以混用 分支长度- 接头是一种从主干网延伸出去的长度1m的连接方式- 分支时一种从主干网延伸出去1m120m长度的连接方式- 多个设备在同一分支上时其连接的电缆应小于1m- 单个分支上可以连接设备的数量取决于接线技术方案的采用 电源消耗- 对于总线供电设备，需计算所有设备消耗的电流之和，并将其与特定系统配置中可获得的电流相比较，应保

14、证足够- 对于外部供电设备，除计算各设备的静止电流之和，还必须加上等于系统中任何设备接收与发送信号之间的最大电流差的附加电流 电压降- 电压降的计算- “15/15规则” - 15个或更少的设备、1500英尺或更少、采用A类电缆，无需详细的电压降计算 FF网段的防爆- FF现场仪表常用的防爆方法包括隔爆（增安）型、本质安全型、无火花限能型- 确定现场仪表的防爆方法，并依此设计网段中其他设备的防爆方案。- FF应用指南推荐采用本质安全型防爆（危险区Zone 1/0；Division 1）和无火花限能型防爆（危险区Zone2；Division 2）。其理由是从防爆方法上保证在无需特别许可的情况下能

15、够对现场仪表进行带电操作。 本质安全模型 - ENTITY和FISCO- 防爆方法- 本质安全原理- FF遵循现行的仪器仪表防爆标准。由现行的防爆认证机构认证 本质安全现场设备-本安总线Entity规范的安全要求：UiUoIiIoPiPoCi+CLCoLi+LL Lo- 本安总线电缆应遵循本安电缆的规范，如绝缘和护套颜色要求- 当整个网段采用本安设计，上述能量的限制将制约网段挂接仪表的能力。当要求分支短路保护时，短路保护的额外耗电使这种制约将更显突出- 本安总线FISCO规范的安全要求：UiUoIiIoPiPo- 最多连接仪表：10台- 仪表电容Ci不大于5nF; 电感Li不大于10H- FI

16、SCO电缆安全参数( EEx ia IIC )：R 15 150 / kmL0.4 1 mHC80 200 nF- FISCO网段电缆长度( EEx ia IIC )：1000m；分支电缆不长于30m- FISCO网段终端器参数：R90 100 C0 2.2F 本质安全现场设备 采用本质安全主干线的得失-主干线可以带电维护- FISCO网段所受到的本安限能的制约较Entity网段宽松，但依然明显存在- 通过降低安全栅本安防爆指标（如把EEx ia IIC降级为EEx ib IIB）可进一步放宽制约。但应用时必须审查仪表和安全栅的参数是否满足上述不等式- 从Ex ia降到Ex ib：现场仪表丢失

17、1.5倍的安全系数- 从IIC降到IIB：限制了在炼油厂（氢气环境）和氯碱厂（乙炔环境）的应用- 没有冗余、高可靠型配电- FISCO认证的仪表与Entity认证的仪表不能混装在一个网段中 安全栅 -Fieldbarrier适用于Zone 1/0应用场合- 主干线采用增安型防爆完全满足Zone 1防爆要求，对实际应用并无不便，因为主干线没必要带电服务操作- 增安主干线使网段可供足够电能量。所用FF配电系统与非防爆时相同。挂接仪表数量和电缆长度的应用指南与非本安网段相同- 本安分支支持仪表的热操作- 本安分支同时支持分支的短路保护F2D0-FB-EX4.CGRD0-FB-EX4危险区Zone 1

18、危险区Zone 024-30VDC24-30VDC安全区DCS系统FF现场总线H1卡高可靠性FF配电FieldbarrierTM-IH1主干线EEx e IICH1分支EEx ia IIC8个热电偶、热电阻、mV、电阻信号DI/DO 安全栅的应用 段保护器 -段保护器适用于Zone 2应用场合-主干线采用无火花型EEx nA防爆满足Zone 2防爆要求-网段可供足够电能量。所用FF配电系统与非防爆时相同。挂接仪表数量和电缆长度的应用指南与非本安网段相同-分支输出和仪表采用无火花限能型EEx nL防爆满足Zone 2防爆要求-在无故障时支持仪表的热操作-无火花分支同时支持短路保护-每个分支只挂接

19、一台EEx nL认证仪表，没有EEx nL认证时，接受FISCO或Entity认证F2-JBSC-6.CGBR-JBSC-8 段保护器的应用安全区和危险区Zone 224-32VDC24-32VDC安全区DCS系统FF现场总线H1卡高可靠性FF配电段保护器EEx nAL IIC T4 FF现场总线本质安全概念现场总线本质安全概念- F Fieldbus ieldbus I Intrinsic ntrinsic S Safety afety CoConcept (FISCO)ncept (FISCO)- 本安FISCO总线应符合下列要求： Ui Uo Ii Io Pi Po - 在保证能量级不会

20、引起爆炸的同时,为现场总线提供额外的供电- 每个IS现场总线段只能有一个有源设备- 同“Entity”认证的系统相比，FISCO系统有以下优点 得到更多的电流，网段上可以连接更多的设备 不需要对电缆参数进行计算 简化安全文件 - 只需一份设备清单 无需检查安全状况即可增加新设备 FF 本安FISCO网段参数 EE x ia IIC(Groups A-D) EEx ib IIB(Groups C,D)电源装置电源装置: 梯形输出特性 矩形输出特性 Uo 14 17.5V Io 符合IEC 60079-11但不大于380 mA Po 符合IEC 60079-11但不大于5.32 W 电缆参数：电缆

21、参数： 主干长度 最大1000米 最大1900米 分支长度 最大60米 回路电阻R 15 - 150 /km 回路电感L 0.4 - 1 mH/km 回路电容C 45 - 200 nF/km现场设备现场设备 Ui 最小 17.5V Ii 最小380 mA Pi 最小5.32 W 内部电容C 最大5 nF 内部电感L 最大10 uH终端器终端器 90102 0.8 F1.2F（受FF技术条件所限制 ） 供电电源、终端器、电缆和现场仪表必须满足上述参数，当它们组合使用时，无需进行联合取证 EE x ib认证的电源，当需要连接“Entity”认证的仪表或安装在0区的仪表时，需使用连接器 FF 本安F

22、ISCO网段参数 FISCO与Entity的比较FF-81624V250mA1.2W5nF20HFISCO17.5V380mA5.32W5nF10HUiIiPiCiLi现场仪表的安全描述FISCO17.5V max380mA max5.32W maxFF-81624V max250mA max1.2W maxUoIoPo安全栅的安全描述 FISCO FISCO网段网段 连接设备数量连接设备数量FISCO, IIC Gas GroupsFISCO, IIB Gas Groups电源可以提供120mA电流 ,通常挂接6个设备电源可以提供265mA电流,通常挂接13个设备Zone 1/Divisio

23、n 1假设每台设备20mA FF FF 非易燃型非易燃型FNICOFNICO网段网段现场总线非易燃型概念F Fieldbus N Non-I Incendive CoConcept（FNICO） FNICO概念来源于FISCO，专门用于2类危险区现场总线系统与本质安全相比，其优点是对于非易燃型（限能型）来说，设计要求不严格非易燃型现场接线的安装准则比本质安全更简单在2区应用FNICO系统，比其它方式可以节约更多的投资FNICO系统在简化安全文档和无需电缆参数计算方面与FISCO系统是一样的，并保持在危险场所带电和无需危险气体清除的状况下连接或断开现场接线的能力，即可在线维护与FISCO系统相比

24、还有以下优点 可以获得更大的电流，因此网段上可以挂接更多的设备； 可以更容易选择现场设备：EE x nL、non-incendive、IS(Entity)、IS(FISCO) FF FF 非易燃型非易燃型FNICOFNICO网段网段 FNICO系统的电源、现场设备、电缆、终端器从本质上讲与FISCO系统是一致的，除了以下方面：- 按照IEC60079-15或北美的非易燃型标准，现场接线被分类为EE x nL- Io最大允许值为570 mA- 现场设备允许有最大20 uH的电感，因此，允许“Entity”认证的设备应用到FNICO系统中 FF FF 非易燃型非易燃型FNICOFNICO网段网段

25、FNICO网段 连接设备数量FNICO, IIC Gas GroupsFNICO, IIB Gas Groups电源可以提供180mA电流, 通常连接9个设备Zone 2/Division 2假设每台设备20mA电源可以提供320mA电流，通常连接16个设备 FF网段电缆屏蔽层的接地- 整个网段中，不得将双绞线的任何一根导线接地- 网络电缆屏蔽层首推单点接地，即网段电缆的屏蔽线应在网段主机处末端接地。其他屏蔽线接地方法参见应用指南AG-163 Rev.2.0- 采用多对屏蔽双绞线电缆时，双绞线的屏蔽线不得与其他网段连接 FF网段的避雷- 在雷电灾害频发地区，或网络靠近大感性负载设备时，应考虑网

26、段的浪涌保护- 要保证浪涌保护器不会明显造成通讯信号的衰减- 在遵循上述屏蔽线接地规范的前提下，可预期的浪涌对屏蔽内的信号导线影响很小。对于8/20s的波形，1kA的额定浪涌放电应该足够。但实践中还是建议采用3kA以上的额定浪涌放电- 建议采用可插拔的浪涌保护器。当拔出进行测试和更换时，不会中断网段的正常工作DP-LBF-1.34DB-LB FF 现场总线接地、防雷保护主机和接线器保护现场设备 FF网段的负载审核- 网段负载审核最终确定的目的 网段挂接现场仪表的数量 网段电缆的长度- 阀门/网段关键程度的评级影响网段挂接仪表数量 1级关键网段：只能挂接1级控制回路的仪表，例：2-3台 2级关键网段：可挂接一个2级和一个3级控制回路的仪表，例：46台 3级关键网段：可挂接4个3级控制回路的仪表，例：812台 4级关键网段：可挂接检测仪表，例：1216台 FF网段的负载审核- 网段运行周期时间影响网段挂接仪表数量 1秒：包含4个AO的12台仪表 0.5秒：包含2个AO的6台仪表 0.2秒：包含1个AO的3台仪表- DCS的H1卡调用功