現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網-基金會現(xiàn)場總線

1、第2章 基金會現(xiàn)場總線2.1 概述2.2 基金會現(xiàn)場總線網絡設備與安裝2.3 基金會現(xiàn)場總線組態(tài)基礎2.4 基金會現(xiàn)場總線儀表及應用第2章 基金會現(xiàn)場總線 基金會現(xiàn)場總線（FF） 從自控系統(tǒng)的設計、安裝、開車運行和維護的整個過程中都體現(xiàn)了優(yōu)越性。FF系統(tǒng)結構簡化，節(jié)省了控制設備。FF高度分散性與現(xiàn)場設備的自治性，使系統(tǒng)運行性能提高，對現(xiàn)場設備的診斷可隨時進行，使系統(tǒng)可靠性大大改善。FF系統(tǒng)的開放性與互操作性 ，把從多個廠商處購買部件而集成系統(tǒng)的權利交給用戶。 FF是儀表和過程控制向數(shù)字化通訊方向發(fā)展而形成的技術。它不同于其他通訊協(xié)議，僅僅實現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字化傳輸，而是用來完成整個過程控制系統(tǒng)的設計

2、。本書介紹現(xiàn)場總線技術，使您了解它的優(yōu)勢和長處，并進而將這種杰出而可靠的技術應用到您的控制系統(tǒng)中去。 FF目前已經應用在石化、煉油、化工、石油天然氣、熱電廠、冶金礦山、水處理、造紙、公用（含電站）、食品飲料、制藥、電力、鋼鐵和水泥等領域，F(xiàn)F技術已經運用得非常成熟。 據(jù)報道，目前已經在使用的FF總線系統(tǒng)的最大規(guī)模已經達到12000臺儀表。我國廣西惠州新建的大型石化裝置約采用數(shù)千臺FF總線儀表，自動化的總投資達到5000萬美元。上海SECCO新建的石化裝置也全部采用FF總線技術和儀表，合同金額達到3000萬美元。 2.1 概述2.1.1 基金會現(xiàn)場總線發(fā)展背景、特點及應用情況2.1.2 一個典型

3、的工程實例2.1.3 技術分析2.1 概述 基金會現(xiàn)場總線FF（Foudation Fieldbus）在過程自動化領域得到廣泛支持和應用，并具有良好發(fā)展前景。 FF總線由低速(FF-H1)和高速(FF-HSE)兩部分組成，其中FF-H1網絡以ISO/OSI模型為基礎，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，并在應用層之上增加了用戶層，構成了四層結構的通信模型。FF-H1傳輸速率為31.25Kbps，通信距離可達1 900m（與傳輸介質有關，可加中繼器延長），可支持總線供電，支持本質安全防爆環(huán)境。 FF-H1主要用于過程工業(yè)（連續(xù)控制）的自動化。FF-HSE則采用基于Ethernet (IEEE802.

4、3) +TCP/IP的六層結構，其通信距離為750m和500m。物理傳輸介質可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC61158-2標準。FF-HSE主要用于制造業(yè)(離散控制)自動化以及邏輯控制、批處理和高級控制等場合。2.1.1 基金會現(xiàn)場總線發(fā)展背景、特點及應用情況 1FF總線的前身是ISP和WordFIP標準，ISP協(xié)議是以美國Fisher-Rousemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制訂的；WordFIP協(xié)議是以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地的150家公司制訂的。迫于用戶壓力和市場需求，1994年9月兩大集團合并，成立了現(xiàn)場總線基金會。

5、現(xiàn)場總線基金會致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。它以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。 2FF的最大特色在于它不僅是一種總線，而是一個系統(tǒng)。它既是網絡系統(tǒng)也是自動化系統(tǒng)。作為新型自動化系統(tǒng)，區(qū)別于以前各種自動化系統(tǒng)的特征在于它所具有的開放型數(shù)字通信能力，使自動化系統(tǒng)具備了網絡化特征；而作為一種通訊網絡，有別于其它網絡系統(tǒng)的特征則在于它位于工業(yè)現(xiàn)場，其網絡通信是圍繞完成各種自動化任務進行的。 FF總線的低速部分FF-H1是參考了ISO/OSI參考模型,并在此基礎上根據(jù)過程自動化系統(tǒng)的特點進行演變而得到的。除

6、了實現(xiàn)現(xiàn)場總線信號的數(shù)字通信外，F(xiàn)F-H1具有適用于過程自動化的一些特點：支持總線供電、支持本質安全、采用令牌總線訪問機制等。 基于以太網的高速部分HSE充分利用低成本和商業(yè)可用的以太網技術，并以100Mbit/s到1Gbit/s或更高的速度運行。HSE支持所有的FF總線低速部分31.25kbit/s的功能，并支持H1設備與基于以太網的設備通過鏈接設備接口。 HSE現(xiàn)場總線技術的另一個關鍵特點是，HSE現(xiàn)場設備支持標準的FOUNDATION功能模塊，例如AI、AO和PID，也包括新的、具體應用于離散控制和I/O子系統(tǒng)集成的“柔性功能模塊”(flexible function block,FFB

7、)等。鏈接設備和HSE現(xiàn)場設備可以結合進一個單一的、節(jié)約成本的和強大的物理設備，用于批處理、邏輯PLC和連續(xù)控制。所有或部分的HSE網絡和設備可實現(xiàn)冗余，以適應應用中容錯的需要。 3基金會現(xiàn)場總線這一開放、可互操作的技術已經成為全球范圍內領先的數(shù)字化控制系統(tǒng)解決方案。近年來，越來越多的最終用戶采納了基金會現(xiàn)場總線技術。該技術已廣泛應用在石油、天然氣、石油化工、化工食品、制藥、電力、水處理、鋼鐵礦山、造紙、水泥等行業(yè)有著廣泛應用，其中石化領域目前是FF總線最主要的應用領域。 基金會現(xiàn)場總線在大、中、小系統(tǒng)中都有應用，但大部分的應用在中、小系統(tǒng)中。在過程控制領域，F(xiàn)F已成為公認的第一流技術。從全球

8、范圍內看，F(xiàn)F現(xiàn)場總線技術的應用量一直在增長，亞太地區(qū)的應用也日趨活躍，尤其是中國，已成為主要FF總線技術應用項目的關鍵市場?，F(xiàn)場總線具有很強的性能優(yōu)勢，它能節(jié)約支出并改善運行條件等。為此國內一些舊的系統(tǒng)被先進的基于現(xiàn)場總線控制平臺的自動化系統(tǒng)所取代。目前中國已有上百個FF總線應用項目，廣泛應用在石油、冶金、油氣、食品和飲料以及生物制藥等諸多行業(yè)。 2.1.2一個典型的工程實例FF總線在拜耳漕涇工廠的應用 上海拜耳漕涇園區(qū)(Bayer Material Science)下屬工廠的涂料廠、公用工程廠和聚酯廠已于2006年建成投產，該項目選用了FF基金會現(xiàn)場總線，在儀表選型和安裝調試方面有自己的特

9、色，特別是聚酯廠，使用的FF現(xiàn)場總線儀表較多，系統(tǒng)設置明朗、可靠、經濟、實用。在2006年上海FF年會上，該項目工程設計人員提供了專題報告，反映很熱烈。 1.設備的選用和總量 該項目已使用了6套艾默生的DeltaV系統(tǒng)，其中涂料廠、公用工程廠、聚脂廠近期使用了DeltaV74版本和大量的FF設備；涂料廠為600臺(全部模擬量設備)；公用工程廠為300臺(另外有HART設備在單元包中)；聚脂廠為2200臺。2.網段設計塑料廠網段布局中，在1個H1例段上接兩個子網段，聚酯廠網段布局為FF設備最大安裝數(shù)量為8臺，每個網段的最大閥門安裝數(shù)為2臺(閥門定位器為2個)，每個網段的備用的分支數(shù)為2個，每個分

10、支上的FF設備為1臺，也就是8：2：2：1模式。具體見圖2.1所示，采用了兩個網段保護器，圖2.2僅采用一個網段保護器。3.輔助設備及電纜（1）接線箱：涂料廠：接線箱使用刀式開關終端公用工程廠：Relcom的Mega-block接線箱聚脂廠：帶有P+F網段保護和現(xiàn)場隔離的接線箱（2）現(xiàn)場總線輔助部件，包括電源模塊和診斷模塊、網段保護器和保護現(xiàn)場設備短路的現(xiàn)場安全柵由P+F Powerhubs提供。 在某些場合，浪涌保護也可以用在保護網段非閃電直接擊中的浪涌破壞. （3）每個網段主干電纜：單根雙絞線電纜4.現(xiàn)場儀表選型（1）流量儀表： 科里奧利流量計：E+H Promass；艾默生Micromo

11、tion； 渦街流量計：艾默生8800系列，E+H Prowirl； 電磁流量計：E+H Promag； 超聲波流量計：E+H Prosonic Flow；（2）壓力儀表： E+H CerabarDeltabar；艾默生3051；Siemens Sitrans P；（3）溫度儀表： 艾默生3244系列、848系列；Wika 5350；（4）料位儀表： 雷達： E+H FMR240、E+H FMR230；超聲波 E+H Prosonic Level；圖2.1 FF網段布局圖(聚酯廠，2個接線箱)（5）分析儀表： PH計：艾默生TR200；電導計艾默生400VP（6）控制閥門： Samson378

12、7定位器；圖2.2 FF網段布局圖(聚酯廠，1個接線箱) 2.1.3技術分析1基金會現(xiàn)場總線的主要技術 基金會現(xiàn)場總線圍繞工廠底層網絡和全分布自動化系統(tǒng)這兩個方面形成了它的技術特色。其主要技術內容有： (1)基金會現(xiàn)場總線的通信技術。 它包括基金會現(xiàn)場總線的通信模型、通信協(xié)議、通信控制器芯片、通信網絡與系統(tǒng)管理等內容。它涉及一系列與網絡相關的硬、軟件，如通信棧軟件，被稱之為圓卡的儀表用通信接口卡，F(xiàn)F與計算機的接口卡，各種網關、網橋、中繼器等。它是現(xiàn)場總線的核心基礎技術之一；無論對于現(xiàn)場總線設備的開發(fā)制造單位，還是系統(tǒng)設計單位、系統(tǒng)集成商以至用戶，都具有重要作用。 (2)標準化功能塊(FB，F(xiàn)

13、unction Block)與功能塊應用進程(FBAP，F(xiàn)unction Block Application Process)。 它提供一個通用結構，把實現(xiàn)控制系統(tǒng)所需的各種功能劃分為功能模塊，使其公共特性標準化，規(guī)定它們各自的輸入、輸出、算法、事件、參數(shù)與塊控制圖，并把它們組成為可在某個現(xiàn)場設備中執(zhí)行的應用進程。便于實現(xiàn)不同制造商產品的混合組態(tài)與調用。功能塊的通用結構是實現(xiàn)開放系統(tǒng)構架的基礎，也是實現(xiàn)各種網絡功能與自動化功能的基礎。(3)設備描述(DD，Device Description)與設備描述語言(DDL，Device Description Language)。 為實現(xiàn)現(xiàn)場總線設備

14、的互操作性，支持標準的功能塊操作，基金會現(xiàn)場總線采用了設備描述技術。設備描述為控制系統(tǒng)理解來自現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)意義提供必需的信息，因而也可以看作控制系統(tǒng)或主機對某個設備的驅動程序，即設備描述是設備驅動的基礎。設備描述語言是一種用以進行設備描述的標準編程語言。 采用設備描述器，把DDL編寫的設備描述的源程序轉化為機器可讀的輸出文件?？刂葡到y(tǒng)正是憑借這些機器可讀的輸出文件來理解各制造商的設備的數(shù)據(jù)意義?，F(xiàn)場總線基金會把基金會的標準DD和經基金會注冊過的制造商附加DD寫成CD-ROM，提供給用戶。 (4)現(xiàn)場總線通信控制器與智能儀表或工業(yè)控制計算機之間的接口技術。 在現(xiàn)場總線的產品開發(fā)中，常采用OEM

15、集成方法構成新產品。已有多家供應商向市場提供FF集成通信控制芯片、通信棧軟件、圓卡等。把這些部件與其他供應商開發(fā)的、或自行開發(fā)的、完成測量控制功能的部件集成起來，組成現(xiàn)場智能設備的新產品。 要將總線通信圓卡與實現(xiàn)變送、執(zhí)行功能的部件構成一個有機的整體，要通過FF的PC接口卡將總線上的數(shù)據(jù)信息與上位的各種MMI(即人機接口)軟件、高級控制算法融為一體，尚有許多智能儀表本身及其與通信軟硬件接口的開發(fā)要做。 如與MMI軟件連接中的OPC技術。OPC技術是指用于過程控制的對象鏈接嵌入(OLE，Object Linking and Embedding)技術，即OLE in Process Control

16、技術。OLE是Microsoft公司在PC機中采用的PC組件(PC Component)技術，把這一技術引入到過程控制系統(tǒng)，使現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)較容易地與現(xiàn)有的計算機平臺結合起來，使工廠網絡的各個層次可以在網絡上共享數(shù)據(jù)與信息?？梢哉J為，OPC技術是實現(xiàn)數(shù)據(jù)開放式傳輸?shù)幕A。 (5)系統(tǒng)集成技術。 它包括通信系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的集成，如網絡通信系統(tǒng)組態(tài)、網絡拓撲、配線、網絡系統(tǒng)管理、控制系統(tǒng)組態(tài)、人機接口、系統(tǒng)管理維護等。這是一項集控制、通信、計算機、網絡等多方面的知識，集軟硬件于一體的綜合性技術。它在現(xiàn)場總線技術開發(fā)初期，在技術規(guī)范、通信軟硬件尚不十分成熟之時，具有其特殊的意義。對系統(tǒng)設計單位、用

17、戶、系統(tǒng)集成商更是具有重要作用。 (6)系統(tǒng)測試技術。 它包括通信系統(tǒng)的一致性與互可操作性測試技術、總線監(jiān)聽分析技術、系統(tǒng)的功能和性能測試技術。一致性與互可操作性測試是為保證系統(tǒng)的開放性而采取的重要措施。一般要經授權過的第三方認證機構作專門測試，驗證符合統(tǒng)一的技術規(guī)范后，將測試結果交基金會登記注冊，授予FF標志。只有具備了FF標志的現(xiàn)場總線產品，才是真正的FF產品，其通信的一致性與系統(tǒng)的開放性才有相應保障。有時，對由具有FF標志的現(xiàn)場設備所組成的實際系統(tǒng)，還需進一步進行互可操作性測試和功能性能測試，以保證系統(tǒng)的正常運轉，并達到所要求的性能指標。總線監(jiān)聽分析用于測試判斷總線上通信信號的流通狀態(tài)，

18、以便于通信系統(tǒng)的調試、診斷與評價。 對由現(xiàn)場總線設備構成的自動化系統(tǒng)，功能、性能測試技術還包括對其實現(xiàn)的各種控制系統(tǒng)功能的能力、指標參數(shù)的測試。并可在測試基礎上進一步開展對通信系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)綜合指標的評價。2通信系統(tǒng)的主要組成部分及其相互關系 基金會現(xiàn)場總線的核心部分之一是實現(xiàn)現(xiàn)場總線信號的數(shù)字通信。為了實現(xiàn)通信系統(tǒng)的開放性，其通信模型參考了ISOOSI參考模型，并在此基礎上根據(jù)自動化系統(tǒng)的特點進行演變后得到的?；饡F(xiàn)場總線的參考模型只具備ISOOSI參考模型七層中的三層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，并按照現(xiàn)場總線的實際要求，把應用層劃分為兩個子層-總線訪問子層與總線報文規(guī)范子層。省去了

19、中間的36層，即不具備網絡層、傳輸層、會話層與表示層。 另外，F(xiàn)F在原有ISOOSI參考模型第七層應用層之上增加了新的一層-用戶層。這樣可以將通信模型共有四層，圖2.3為基金會現(xiàn)場總線（FF）通信模型和OSI參考模型。其中，物理層規(guī)定了信號如何發(fā)送；數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定如何在設備間共享網絡和調度通信；應用層則規(guī)定了在設備間交換數(shù)據(jù)、命令、事件信息以及請求應答中的信息格式。用戶層則用于組成用戶所需要的應用程序，如規(guī)定標準的功能塊、設備管理，實現(xiàn)網絡管理、系統(tǒng)管理等。 實際上，在相應軟硬件開發(fā)的過程中，往往把除去最下端的物理層和最上端的用戶層之后的中間部分作為一個整體，統(tǒng)稱為通信棧。這時，現(xiàn)場總線的通信

20、參考模型可看作三層。OSI參考模型 FF通信模型應用層 7表示層 6會話層 5傳輸層 4網絡層 3數(shù)據(jù)鏈路層 2物理層 1現(xiàn)場總線報文規(guī)范子層（FMS）現(xiàn)場總線訪問子層 （FAS）省略36層數(shù)據(jù)鏈路層 （DLL）物理層 （PHY）用戶層圖2.3 基金會現(xiàn)場總線（FF）通信模型和OSI參考模型 變送器、執(zhí)行器等都屬于現(xiàn)場總線物理設備。每個具有通信能力的現(xiàn)場總線物理設備都應具有通信模型。圖2.4從物理設備構成的角度表明了通信模型的主要組成部分及其相互關系。它在分層模型的基礎上更詳細地表明了通信的主要組成部分。從圖中可以看到，通信參考模型所對應的四個分層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層、用戶層，并按各

21、部分在物理設備中要完成的功能，被分為三大部分：通信實體、系統(tǒng)管理內核和功能塊應用進程。 各部分之間通過虛擬通信關系VCR，virtual communication relationship)來溝通信息。VCR表明了兩個或多個應用進程之間的關聯(lián)，或者說，虛擬通信關系是各應用之間的邏輯通信通道，它是總線訪問子層所提供的服務。圖2.4 通信模型的主要組成部分及其相互關系 通信實體貫穿從物理層到用戶層的所有各層。由各層協(xié)議與網絡管理代理共同組成。通信實體的任務是生成報文與提供報文傳送服務，是實現(xiàn)現(xiàn)場總線信號數(shù)字通信的核心部分。層協(xié)議的基本目標是要構成虛擬通信關系。網絡管理代理則是要借助各層及其層管理

22、實體，支持組態(tài)管理、運行管理、出錯管理的功能。 各種組態(tài)、運行、故障信息保持在網絡管理信息庫(NMIB，network management information base)中，并由對象字典（DD，Object Dictionary)來描述。對象字典為設備的網絡可視對象提供定義與描述。 為了明確定義、理解對象，把有如數(shù)據(jù)類型、長度一類的描述信息保留在對象字典中?？梢酝ㄟ^網絡得到這些保留在OD中的網絡可視對象的描述信息。系統(tǒng)管理內核(SMK，system management kernel)在模型分層結構中只占有應用層和用戶層的位置。 系統(tǒng)內核主要負責與網絡系統(tǒng)相關的管理任務，如確立本設備在網

23、段中的位置，協(xié)調與網絡上其他設備的動作和功能塊執(zhí)行時間。 用來控制系統(tǒng)管理操作的信息被組織成對象，存儲在系統(tǒng)管理信息庫(SMIB，system management information base)中。系統(tǒng)管理內核包含有現(xiàn)場總線系統(tǒng)的關鍵結構和可操作參數(shù)，它的任務是在設備運行之前將基本的系統(tǒng)信息置入SMIB，然后根據(jù)系統(tǒng)專用名，分配給該設備一個永久(固定)的數(shù)據(jù)鏈接地址，并在不影響網絡上其他設備運行的前提下，把該設備帶入到運行狀態(tài)。系統(tǒng)管理內核采用系統(tǒng)管理內核協(xié)議與遠程SMK通信。 當設備加入到網絡之后，可以按需要設置遠程設備和功能塊。由SMK提供對象字典服務。如在網絡上對所有設備廣播對象名

24、，等待包含這一對象的設備的響應，而后獲取網絡中有關對象的信息。 為協(xié)調與網絡上其他設備的動作和功能塊同步，系統(tǒng)管理還為應用時鐘同步提供一個通用的應用時鐘參考，使每個設備能共享共同的時間基準，并可通過調度來控制功能塊執(zhí)行時間。 功能塊應用進程(FBAP，function block application process)在模型分層結構中位于應用層和用戶層。功能塊應用進程主要用于實現(xiàn)用戶所需要的各種功能。 每種功能塊被單獨定義，并可為其他塊所調用。由多個功能塊及其相互連接，集成為功能塊應用。在功能塊應用進程這部分，除了功能塊對象之外，還包括對象字典OD和設備描述DD。采用OD和DD來簡化設備的互

25、操作，因而也可以把OD和DD看作支持功能塊應用的標準化工具。3協(xié)議數(shù)據(jù)的構成與層次 圖2.5表明了現(xiàn)場總線協(xié)議數(shù)據(jù)的生成過程，而且動態(tài)表明了現(xiàn)場總線協(xié)議數(shù)據(jù)內容和模型中每層所附加的信息。它也從一個角度反映了現(xiàn)場總線報文信息的形成過程。 如某個用戶要將數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線發(fā)往其他設備，首先在用戶層形成用戶數(shù)據(jù)，并把它們送往總線報文規(guī)范層（FMS）處理，每幀最多可發(fā)送251個8位字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)信息；然后依次送往現(xiàn)場總線訪問子層（FAS）和數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）；用戶數(shù)據(jù)信息在FAS，F(xiàn)MS，DLL各層分別加上各層的協(xié)議控制信息，在數(shù)據(jù)鏈路層還加上幀校驗信息（一般為CRC校驗碼）后，送往物理層將數(shù)據(jù)打包，

26、即加上幀前、幀后定界碼，也就是開頭碼、幀結束碼，并在開頭碼之前再加上用于時鐘同步的前導碼(或稱之為同步碼)。 該圖還標明了各層所附的協(xié)議信息的字節(jié)數(shù)。信息幀形成之后，還要通過物理層轉換為符合規(guī)范的物理信號，在網絡系統(tǒng)的管理控制下，發(fā)送到現(xiàn)場總線網段上。2.2 基金會現(xiàn)場總線網絡設備與安裝2.2.1 網絡拓撲結構2.2.2 主要連接件和接口設備2.2.3 電纜、布線和電源（安裝調試）2.2.4 基金會現(xiàn)場總線設備的本質安全2.2 基金會現(xiàn)場總線網絡設備與安裝 一個現(xiàn)場總線網絡是由一個或者多個網段組成，每個網段一般包含幾個運行儀表、連接件、接口設備、電纜、安全柵，另外還需要一個電源和設在每個網段末

27、端的終端器?，F(xiàn)場總線的安裝與布線規(guī)則自然不同于傳統(tǒng)的4mA20mA布線。要遵循一定的拓撲結構進行布線。2.2.1網絡拓撲結構 FF現(xiàn)場總線的拓撲結構較靈活，如圖2.6所示，通常包括點到點型、帶分支的總線型、菊花鏈型和樹型。同時，這幾種結構還可組合在一起構成混合性結構。其中，帶分支的總線型和樹型在工程中使用較多。圖2.5 現(xiàn)場總線協(xié)議數(shù)據(jù)的生成 FF總線網絡可以包含1個或多個互連的H1鏈路。1條H1鏈路可連接1個或幾個H1設備，2個或多個H1設備之間可通過H1網橋實現(xiàn)互連。H1總線網段的主要特性參數(shù)見表2.1。不包含H1網橋的鏈接設備也可以實現(xiàn)H1報文的重發(fā)功能。圖2.6 FF總線拓撲結構2.2

28、.2 主要連接件和接口設備 FF總線系統(tǒng)中，主站可以通過一個接口直接和現(xiàn)場級網絡相連，也可以通過一個鏈路設備經過主站級網絡后再和現(xiàn)場級網絡連接。像筆記本電腦那樣的手持設備則是通過接口和現(xiàn)場級網絡連接。不管是接口還是鏈路設備都是通過端口和現(xiàn)場級網絡相連的。一塊接口卡或者一臺鏈路設備往往有不止一個端口，因此可以接幾個現(xiàn)場級網絡。若干臺鏈路設備又可以通過主站級網絡連成一個大系統(tǒng)。同樣，接口也可以設計成可插入一個計算機或IO子系統(tǒng)的若干塊卡或模板 。 接口的每一個端口能支持的設備數(shù)量是有限的。由于線路電阻和設備的功耗等帶來的電氣限制，大部分的裝置只支持約16臺設備，所以市場上的接口通常也就支持這么多設

29、備。表2.1 H1總線網段的主要特性參數(shù) 傳輸速率31.25Kbps31.25Kbps31.25Kbps信號類型電壓電壓電壓拓撲結構總線/菊花鏈/樹型總線/菊花鏈/樹型總線/菊花鏈/樹型通信距離1900m1900m1900m分支長度120m120m120m供電方式非總線供電總線供電總線供電本質安全不支持不支持支持設備數(shù)段232112261接口卡 基金會現(xiàn)場總線接口卡是FF現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的關鍵設備之一，用于連接計算機和FF現(xiàn)場儀表等設備，是計算機與FF現(xiàn)場設備間的信息通道和通信指揮調度中心。 接口可以是一個通信模板，插在傳統(tǒng)系統(tǒng)中常規(guī)I/O子系統(tǒng)的背板上。接口也可以是插在計算機里的一塊卡。計算

30、機接口有許多不同的形式，有插在計算機背板的插槽里的內置式的，也有與計算機USB端口連接的，或者像PCMCIA(PC卡)一樣插入的。PC-H1接口卡就是插于PC機內的接口卡，它符合PC標準和FF規(guī)范，用來將PC機和H1網段連接起來，使PC機成為H1網絡的操作監(jiān)控設備。 圖2.7為PCI302現(xiàn)場總線接口卡，PCI卡可以直接插在計算機內置的16位ISA總線上，從而使監(jiān)控系統(tǒng)很容易獲得現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)。圖2.7 PCI302現(xiàn)場總線接口卡 功能強大的結構設計，PCI卡大小為PC機AT卡的3/4，在安裝到工業(yè)用計算機上時，可以進行熱插/拔。它攜帶4個smar的調制解調器芯片，1個雙通道存儲器的32MIPS

31、 RISC指令CPU，所有這些特點都保證了它的強大功能及獲得數(shù)據(jù)的完整性。 PCI卡與現(xiàn)場總線的接口全部通過卡后端的DB37 公頭接口來完成，它是用SC71電纜制成的，連接與斷開非常方便。圖2.8為SC71 電纜圖。圖2.8 SC71 電纜圖2鏈路設備 鏈路設備通過高速主站級網絡把現(xiàn)場級網絡直接和主站連接起來，或者通過遠程I/O網絡的方式連接場級網絡直接和主站，這樣就不需要I/O子系統(tǒng)的接口模板了，圖2.9為DFI302現(xiàn)場總線(FF)/以太網(Ethernet)通用網橋。鏈路設備作為信息的緩沖器以照顧兩個級別網絡之間傳輸速度的差別。鏈路設備連接現(xiàn)場級和主站級的結構圖見圖2.10。圖2.9 D

32、FI302現(xiàn)場總線(FF)/以太網(Ethernet)通用網橋 把FF-H1和HSE網絡連接起來時都要使用鏈路設備。鏈路設備、現(xiàn)場總線設備電源、阻抗和終端器可以集成為一臺設備。一臺鏈路設備可以具有多個端口，也可以執(zhí)行輔助功能，例如起傳統(tǒng)的調節(jié)器的作用。圖2.10 鏈路設備連接現(xiàn)場級和主站級 在有效性要求較高的情況，可以采用冗余的鏈路設備，即有一個備用的鏈路設備。圖2.11就是采用兩個獨立的鏈路設備同時連接到現(xiàn)場級網絡上。使得兩個全程獨立的數(shù)據(jù)通道與主站相連。當有一個接口發(fā)生故障時，作為備用的鏈路設備立刻起作用，這就保證了仍能有一個過程窗口，確?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)送達操作員。圖2.11 冗余的鏈路設備3終

33、端器 終端器是安裝在傳輸電纜的首端和末端的阻抗匹配器，圖2.12為終端器BT302。每段總線必須有2個，而且只能有2個終端器。H1網段終端器的連接見圖2.13。終端器可以避免總線信號在長線傳輸時于電纜兩端產生信號波反射和信號失真。終端器有外置式和內置式兩類，其中外置式是獨立產品，供用戶選購并安裝于總線首、末端；內置式已安裝在現(xiàn)場設備、電源、本質安全柵、PC-H1接口卡、端子排內。在安裝前要了解清楚某臺設備或附件是否有內置終端器，避免重復使用，影響總線的數(shù)據(jù)傳輸。 圖2.12 終端器BT302 Smar公司現(xiàn)場總線終端器BT302如圖2-11，用來防止現(xiàn)場總線網絡中的信號反射和噪聲。尺寸小，特殊

34、的形狀，使用兩個螺釘就可以方便的直接安裝在接線盒中。BT302采用工業(yè)級包裝，內部電路層層密封，消除潮濕和環(huán)境其他因素的影響。BT302 取得本安認證。圖2.13 H1網段的基本構成4中繼器 中繼器用來擴展H1網段。由于信號沿著信號線逐步衰減，所以網段的長度是有限制的。中繼器包含一個芯片，芯片能對從一端接收到的信號進行同步刷新并放大其電平，中繼器恢復了原信號的對稱性和振幅，克服了衰減。中繼器是雙向電隔離的，它被用來把若干網段接在一起形成一個較大的網絡，最多可以把32個同樣的網段接在一起。但是，網絡上的兩個設備之間最多不能超過4個中繼器，也就是說，兩個設備之間最多只能有5個網段(圖2.14)。4

35、個中繼器串聯(lián)時，如果采用A型電纜，其總長度可達到1.9km的5倍，即9.5km。中繼器不能向網段提供電源，所以接有總線供電設備的網段必須另外提供電源。必須在中繼器的另外兩個端子上加電源。 另外，還可以使用中繼器向新網段上添加新設備。當一條網段上的設備多于32臺時，就要使用中繼器。一個新網段中，除了中繼器這臺設備外還可再增加31臺現(xiàn)場設備。 所以使用4臺中繼器時，5條網段中總設備數(shù)為160臺，除去4臺中繼器，實際可擴展到156臺現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表。圖2.14 任兩個設備之間最多可有4個中繼器 圖2.15 smar中繼器DF48 另外，還可以使用中繼器向新網段上添加新設備。當一條網段上的設備多于3

36、2臺時，就要使用中繼器。一個新網段中，除了中繼器這臺設備外還可再增加31臺現(xiàn)場設備。所以使用4臺中繼器時，5條網段中總設備數(shù)為160臺，除去4臺中繼器，實際可擴展到156臺現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表。5網橋 網橋把數(shù)據(jù)從一個網絡傳送到另一個網絡，使得處于兩個不同網絡的設備可以互相通話(圖2.16)。在一個網絡上的所有設備都有不同的節(jié)點地址。即使它們處在同一網絡的不同網段，也不會有地址重復。但是，在不同網絡上的兩個設備就有可能有同樣的節(jié)點地址。網橋可以保證設備不會被混淆。網橋具有極強的軟件功能。在實際使用中并不是把網橋本身作為一個設備，而是把它作為多端口鏈路設備或接口卡的一個組成部分。圖2.9為DFI3

37、02現(xiàn)場總線(FF)/以太網(Ethernet)通用網橋。 圖2.16 網橋使兩個不同網絡的設備可以互相通話 2.2.3 電纜、布線和電源（安裝調試） FF并沒有規(guī)定在現(xiàn)場總線儀表中使用的電纜的型號或性能指標，但還是推薦使用那些經過一致性測試的電纜。為了簡化現(xiàn)有儀表向現(xiàn)場總線儀表的過度，標準的制定專門考慮了可以和儀表中常用的電纜型號兼容。 電纜的型號和性能是決定總線長度和總線上可掛儀表數(shù)量的主要因素。布線的原則和電源的選取同樣重要。 2.2.3.1基金會現(xiàn)場總線（FF）電纜類型1多種類型的電纜可用于現(xiàn)場總線。 表2.2所列是IEC/ISA物理層標準中指定的電纜類型，可供選用。其中A型電纜是符合

38、IEC/ISA物理層一致性測試的首選電纜，為新安裝系統(tǒng)中推薦使用的電纜。替代A型電纜的是B型電纜，它通常用于工廠的新建和改造項目中，在那里，多條現(xiàn)場總線在同一個區(qū)域中運行。C、D兩種電纜主要應用于改造，一般不推薦采用。 另一種推薦使用的電纜是未加屏蔽的單對或多雙絞線的電纜，即C型電纜。最后一種是沒有雙絞的，但外層全屏蔽的多芯電纜，即D型電纜。 表2.2 現(xiàn)場總線電纜類型和最大長度2傳輸介質 基金會現(xiàn)場總線支持多種傳輸介質：雙絞線、電纜、光纜、無線介質。目前應用較為廣泛的是前兩種。H1標準采用的電纜類型可分為無屏蔽雙絞線、屏蔽雙絞線、屏蔽多對雙絞線、多芯屏蔽電纜幾種類型。 顯然，在不同傳輸速率下

39、，信號的幅度、波形與傳輸介質的種類、導線屏蔽、傳輸距離等密切相關。由于要使掛接在總線上的所有設備都滿足在工作電源、信號幅度、波形等方面的要求，必須對在不同工作環(huán)境下作為傳輸介質的導線橫截面、允許的最大傳輸距離等做出規(guī)定。線纜種類、線徑粗細不同，對傳輸信號的影響各異。現(xiàn)場總線基金會對采用不同纜線時所規(guī)定的最大傳輸距離見表2.3。 表2.3 導線媒體的允許傳輸距離 根據(jù)IECll58-2的規(guī)范，以導線為媒體的現(xiàn)場設備，不管是否為總線供電，當在總線主干電纜屏蔽層與現(xiàn)場設備之間進行測試時，對低于63Hz的低頻場合，測量到的絕緣阻抗應該大于250k。一般通過在設備與地之間增加絕緣，或在主干電纜與設備間采

40、用變壓器、光耦合器等隔離部件，以增強設備的電氣絕緣性能。 2.2.3.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的網絡布線與安裝 由于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的數(shù)字化通信特征，使得現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的布線與安裝與傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)有很大區(qū)別。一條雙絞線上掛接著多個現(xiàn)場設備，傳送著溫度、壓力、流量等多種類、多測點的過程變量、控制信息以及其他信息，因而對布線和安裝有許多新的要求與特點。1現(xiàn)場總線網段的基本構成部件 圖2.17為一個典型的基金會現(xiàn)場總線網段。在這個網段中，有作為鏈路主管、組態(tài)器和人機界面的PC機；符合FF通信規(guī)范要求的PC接口卡；網段上掛接的現(xiàn)場設備；總線供電電源；連接在網段兩端的終端器；電纜或雙絞線以及連接端子。

41、 圖2.17 基金會現(xiàn)場總線網段的基本構成 如果現(xiàn)場設備間距離較長，超出規(guī)范要求的1900米時，可采用中繼器延長網段長度；也可使用中繼器增加網段上的連接設備數(shù)。還可采用網橋或網關與不同速度、不同協(xié)議的網段連接；在有本質安全防爆要求的危險場所，現(xiàn)場總線網段還應該配有本質安全防爆柵。 網段上連接的現(xiàn)場設備有兩種：一種是總線供電式現(xiàn)場設備，它需要從總線上獲取工作電源?？偩€供電電源就是為這種設備準備的。另一種是單獨供電的現(xiàn)場設備，它不需要從總線上獲取其工作電源。 終端器是連接在總線末端或末端附近的阻抗匹配元件。每個總線段上需要兩個，而且只能有兩個終端器。終端器采用反射波原理使信號變形最小，它所起到的作

42、用是保護信號，使它少受衰減與畸變。有封裝好的終端器商品供選購、安裝。有時，也將終端器電路內置在電源、安全柵、PC接口卡、端子排內。在安裝前要了解清楚是否某個設備已有終端器，避免重復使用，影響總線的數(shù)據(jù)傳輸。 2FF總線網絡的擴充（1）擴充設備 工程中，相對A、B而言，C、D在使用長度上要短。在某些特定場合中，要避免使用C、D兩種電纜。其他類型的電纜也可在現(xiàn)場總線系統(tǒng)中使用。 中繼器是總線供電或非總線供電的設備，用來擴展現(xiàn)場總線網絡。在現(xiàn)場總線網絡任何兩個設備之間最多可以使用4個中繼器。使用4個中繼器時，網絡中兩個設備間的最大距離可達9500m。 網橋是總線供電的或非總線供電的設備，用于連接不同

43、速度或不同物理層，如金屬線、光導纖維等的現(xiàn)場總線網段，而組成一個大網絡。 網關是總線供電的或非總線供電的設備，用于將現(xiàn)場總線的網段連向其他通信協(xié)議的網段，如以太網，LonWorks網段，RS485等。（2）擴充方案 現(xiàn)場總線的網段由主干及其分支構成。主干是指總線段上掛接設備的最長電纜路徑，其他與之相連的線纜通道都叫做分支線。網絡擴充是在主干的任何一點分接或者延伸，并添加網絡設備而實現(xiàn)的。表2.4 每個分支上最大長度的建議值(m) （3）網絡擴充中分支線長度的取值 分支線應該越短越好。分支線的總長度要根據(jù)分支的數(shù)目和每個分支上的設備個數(shù)加以限制。 網絡擴充應遵循一定的規(guī)則，或者說應受到某些限制。

44、如網段上的主干長度和分支線長度的總線是受到限制的。不同類型的電纜對應不同的最大長度，長度應包括主干線纜和分支線的總和，其最大長度的米數(shù)參見表2.4。 表中指出的最大長度是推薦值。它包括一些安全因素，以確保在這個長度之內不會引起通信問題。段長度要根據(jù)電纜類型、規(guī)格；網絡的拓撲結構、現(xiàn)場設備的種類和個數(shù)而有所區(qū)別。例如，一個分支可被延長至120m，這是在分支數(shù)較少時。如果有32個分支線，那么每個分支線應短于1m。分支線表并不是絕對的。如有25個分支，每支上有一個設備，嚴格按照表中規(guī)定，會選擇1 m的長度。如果能去掉一個設備，表中顯示每段可有30m長。若仍用25個設備，可以使其中某一個少于30m。

45、若已有14個設備，每個分支線都是準確的90m，但第15個設備的分支線為lO m，分支線的密度乘以它的長度為1270m。當有14個設備時，表格允許的密度為1260 m，即14個設備乘以90m，已經超出了表格中要求數(shù)值的8，也能認可。（4）網絡擴充中使用中繼器 如果需要使用長于1900m的電纜，可以使用中繼器。 中繼器取代一個現(xiàn)場總線設備的位置，但這意味著要開始一個新的起點，新增加了一條1 900 m的電纜，即創(chuàng)建了新的主干線。這樣便可以添加更多的現(xiàn)場設備。第一條主干有i個設備，其中之一也為中繼器；第二條主干有J個設備，其中之一也為中繼器。 可以在任何兩個設備之間使用4個中繼器，這樣就得到了950

46、0 m的總長。 除了增加網絡的長度以外，中繼器還可以向網絡上添加設備數(shù)，當一個網段上的設備多于32個時，可使用中繼器。使用4個中繼器時網段中各種設備的個數(shù)可以達到156個。 （5）網絡擴充中使用混合電纜 有時需要幾種電纜的混合使用，由以下公式可以決定兩種電纜的最大混合長度：LX/MAXX+LY/MAXY1，表明不能這么做。按公式所表明的，有475m的A型和150m的D型電纜結果恰好為1，所以可以混和使用。 另外，網絡中兩種類型的電纜具體位置并不重要。推而廣之到四種類型電纜的混合，公式為：LV/MAXV+LM/MAXM+LX/MAXX+LY/MAXY1 對于電纜的組合，還有其它的影響因素。例如，

47、在總線供電設備組成的系統(tǒng)中，要根據(jù)歐姆定理和電纜阻抗，用設備所需要的工作電壓和電流來決定總線長度，使電源能滿足總線上遠端設備的供電要求。 當公式條件成立時，使用190 m的A型和360 m的C型電纜提供24V的輸出，那么總線回路的阻抗為2(0.1924)+(0.36132)=104。若在遠端提供最小9V電壓，總線可提供給總線耗能設備的最大電流為1000(24-9)/104=144(mA)。假設每個設備消耗14mA，那么此段中可以有10個設備。有許多方法可使這種狀況得到改善，例如，用一個32V輸出的現(xiàn)場總線電源，或使用一個中繼器。（6）關于現(xiàn)場總線的接地、屏蔽與極性 接地 不能在網絡中任何一點把

48、信號傳輸導體即雙絞線接地。現(xiàn)場總線信號在全網絡中都要被特殊保護，將任何信號傳輸導體接地會引起這條總線上的所有設備失去通信能力。任何一根導線接地或兩線接在一起，會導致通信中斷. 屏蔽 現(xiàn)場總線電纜最好還是被屏蔽。 通常使用多芯“儀器”電纜，其中有一條或多條雙絞線，有一個金屬屏蔽和一根屏蔽線。也可以使用有單一屏蔽雙絞線的電纜。對于新的安裝，可購買“現(xiàn)場總線電纜”。 現(xiàn)場總線網絡可以使用C型未加屏蔽的雙絞線，如果它們被鋪設在管道內，也可得到屏蔽。 現(xiàn)場總線電纜的屏蔽沿著電纜的整個長度僅在一點接地，而且屏蔽線絕對不可用做電源的導線。某些工廠的標準中,電纜鋪設路徑中屏蔽線多點接地，這種操作方法在420m

49、A直流控制回路中可以接受，但會在現(xiàn)場總線系統(tǒng)中引起干擾。當使用屏蔽電纜時,要把所有分支的屏蔽線與主干的屏蔽線連接起來,最后在同一點接地. 對于大多數(shù)網絡來說，接地點的位置是任意的。對于要達到本質安全性要求的安裝，接地點還需要按特殊規(guī)定選擇 . 極性 現(xiàn)場總線所使用的Manchester信號是一個每位改為一次或兩次極性的交變電壓信號。在非供電網絡中，僅有這種交變電壓存在。在供電網絡中交變電壓被加載到為設備供電的直流電壓上?，F(xiàn)場總線的信號是有極性的?，F(xiàn)場設備必須接線正確，才能按正確的極性得到正確的信號。如果現(xiàn)場設備被反向接線，那么會得到“反置”的信號，就不能進行通信了。 但有一種無極性的現(xiàn)場設備，

50、可在網絡上按任何方向連接。無極性設備往往是網絡供電的，它們對網絡的直流電壓很敏感，因此知道哪端是正端。設備可以自動檢測和修正極性，因此它可以正確地接收任何極性的信息。 如果建立了現(xiàn)場總線網絡，必須考慮信號的極性，所有的“+”端必須相互連接，同樣，所有的“-”端也必須相互連接。有極性的設備應標識出極性或者帶有專用連接器。無極性的設備不必標識。為總線供電的現(xiàn)場設備也要標明極性。 2.2.3.3 FF電源類型 1電源設計類型 按照FF物理層行規(guī)規(guī)范，電源將被設計成以下3種類型： (1)131型。非本安電源，是為本安防爆柵供電而設計的，其輸出電壓取決于防爆柵功率(額定值)。 (2)132型。非本安電源

51、，不用于本安防爆柵供電。輸出電壓最大值為32 V。 (3)133型。本安電源，符合推薦的本安參數(shù)。 為了保證現(xiàn)場總線的正常運行，電源的阻抗必須與網絡匹配。無論把現(xiàn)場總線電源內置或外置，這個網絡都是電阻電感網絡。 電源的選取和H1現(xiàn)場設備的分類與編號密切相關的，如表2.5。表2.5 H1現(xiàn)場設備的分類與編號 *H2規(guī)范現(xiàn)場設備的編號為2xx，3xx。 從設備類型的分類表可以看到，它是按照設備是否為總線供電、是否可用于易燃易爆環(huán)境以及功耗類別而區(qū)分的。2FF總線供電與網絡配置 在網絡上如果有兩線制的總線供電現(xiàn)場設備，應該確保有足夠的電壓可以驅動它。每個設備至少需要9V，為了確保這一點，在配置現(xiàn)場總

52、線網段時需要知道以下情況： (1)當前每個設備的功耗情況； (2)設備在網絡中的位置；(3)電源在網絡的位置； (4)每段電纜的阻抗； (5)電源電壓。 對總線供電類的設備，由于掛接在總線不同位置上的設備從總線所得到的電壓會有所不同，任何一個制造商所提供的現(xiàn)場總線設備應該可掛接在總線的任何位置上能正常工作，因而必須對滿足設備正常工作的電壓、電流范圍等參數(shù)做出明確規(guī)定。表2.6為總線供電的本安型標準設備列出了現(xiàn)場總線基金會的推薦參數(shù)。 能夠看出，對不同類別的設備，其參數(shù)的要求應有所區(qū)別，如本安型與非本安型設備在功率消耗方面的指標應該不同。其他類現(xiàn)場設備的推薦參數(shù)可查閱基金會現(xiàn)場總線物理層的相應規(guī)

53、范。表2.6 111類現(xiàn)場設備的推薦參數(shù) 按照IEC1158-2的規(guī)范要求，現(xiàn)場總線基金會對設備電路開路時最大輸出電壓的推薦值為35V。 每個現(xiàn)場設備的電壓由直流回路的分析得到，現(xiàn)以圖2.18所示網絡做個示例。 假設在接口板處設置一個12V的電源，而且在網絡中全部使用B型電纜。在10m的分支線處，有一個現(xiàn)場設備FD5采用單獨供電方式(實質上是一個4線制設備)。 在10m分支線處，有一個現(xiàn)場設備FD3的消耗電流為20mA。其他的設備各自耗能為10mA。網橋為單獨供電方式，并不消耗任何網絡電流。 忽略溫度影響，每米導線電阻為0.1。表2.7顯示了每段電纜的電阻、流經此段的電流以及壓降。 因而，總線

54、供電設備從網段上得到的電壓如下：FD1處可得到lO.95V，F(xiàn)D3處可得到9.73V，F(xiàn)D4處可得到9.74V，閥門處可得到9.72V。因此所有的現(xiàn)場設備都得到了大于9V的電壓，這個結果令人滿意。如果網絡上有更多的現(xiàn)場設備或網絡電纜直徑較小的話，就不會是這種情形了，或許需要提高供電電源的電壓，或許需要調整電源的安放位置. 圖2.18 電源與網段配線示例 圖2.18 電源與網段配線示例 上面的計算過程很繁瑣，如果想添加一個或更多的網絡耗能現(xiàn)場設備就不得不這樣做。不過現(xiàn)場總線銷售商會提供計算機軟件，使計算過程變得簡單。只要輸入網絡現(xiàn)狀，則所有的直流電壓都將立即顯示出來。如果改變了網絡，電壓要被重新

55、計算。 某些情況下，網絡可能負荷過重，以至于不得不考慮重新擺放電源的位置，使每個設備的供電電壓得到滿足。當做這些計算時，還要考慮到高溫狀態(tài)下電纜的電阻會增加這個因素。 現(xiàn)場總線基金會規(guī)定了幾種型號的總線供電電源。其中131型為給安全柵供電的非本安電源；133型為推薦使用的本安型電源；132型為普通非本安電源，輸出電壓最大值為直流32V。按照規(guī)范要求，現(xiàn)場設備從總線上得到的電源不能低于直流9V，以保證現(xiàn)場設備的正常工作。 現(xiàn)場總線上的供電電源，需要有一個電阻/電感式阻抗匹配網絡。阻抗匹配可在網絡一側實現(xiàn)，也可將它嵌入到總線電源中。 可以按照IECISA物理層標準要求，組成電源的冗余式結構，但僅僅

56、是將兩個電源并聯(lián)在一起是不符合要求的。不能把會導致數(shù)字信號短路的自關閉(off-the-shelf)電源用于現(xiàn)場總線網段上。2.2.4 基金會現(xiàn)場總線設備的本質安全 本質安全技術是指保證電氣設備在易燃、易爆環(huán)境下安全使用的一種技術。它的基本思路是限制在上述危險場所中工作的電氣設備中的能量，使得在任何故障的狀態(tài)下所產生的電火花都不足以引爆危險場所中的易燃、易爆物質。因此，對于本質安全系統(tǒng)中的設備、電纜、電源及導線都提出了一些苛刻的要求，特別是對以下幾個參數(shù)的限定： 電壓 電流 功率 電容 電感 例如，在工業(yè)領域中常用的現(xiàn)場總線網絡中，每一條現(xiàn)場總線上所連接的設備數(shù)量和電纜的長度都有十分嚴格的限制

57、。 在有本質安全防爆要求的危險場所，現(xiàn)場總線網段應該配有本質安全防爆柵。圖2.19為基金會現(xiàn)場總線的本安網段示例。這種齊納安全柵將向危險區(qū)送入的電壓限制在一定的范圍之內，例如11V。另外，還有一種單獨供電式隔離型安全柵。圖2.19 基金會現(xiàn)場總線的本安網段 基金會現(xiàn)場總線(FF)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的概念是一樣的(圖2.20)。按照IEC 61158-2的規(guī)定，所有的設備都在932V直流電源下工作。 因為，不管是輸入還是輸出設備，是模擬量還是離散量設備，在電氣上它們幾乎都是等價的，所以只需要一種安全柵?，F(xiàn)場設備之間最主要的區(qū)別在于功耗。因為用于本質安全的總線，其功率是受到限制的，所以重要的是選擇低功耗的

58、設備，使每一個安全柵上可連接盡可能多的設備。 功耗是本質安全網段上可掛接設備數(shù)量的主要限制因素。高功耗把限制數(shù)量降低到遠低于32臺設備。盡管安全柵是可以多點結構的，但是仍導致每一個接口端只能接16臺設備。安全柵可以是齊納柵，也可以是本質安全的電隔離器。本質安全現(xiàn)場總線設備是一臺電流吸收器，它不會為網絡提供功率。即使該設備是單獨供電的，它仍然要從總線吸取電流以供它進行通信。通過使用功耗盡可能低的設備可以大大減少所需要的安全柵的數(shù)量。圖2.20 安全柵將安全區(qū)和危險區(qū)隔開 終端器中含有電容，所以當用于本質安全系統(tǒng)時，它們必須經過本質安全認證。在功率未達到額定值時，終端器處于全通狀態(tài)，不消耗電流，因

59、此也不會減少電纜的長度或者設備的數(shù)量。 由于每一種網絡對應不同的安全柵，所以，特別重要的是要使用按照IEC 61158-2規(guī)定的特性設計的安全柵，而不是按其他類型的總線要求設計的。 本質安全系統(tǒng)的設計和安裝必須遵守當?shù)氐姆ㄒ?guī)，并保證閱讀有關的用戶手冊。只能將經過本質安全認證的設備接到危險區(qū)去。 注意，每一個危險區(qū)的網段只能接一個安全柵，不能冗余。通常安全柵裝在安全區(qū)。如果要裝在危險區(qū)，則一定要安裝在帶有防火密封的防火型外殼里。當使用非隔離型安全柵時，一定要特別注意遵守產品手冊中關于接地的指示條文。向本質安全系統(tǒng)供電有兩種方案，一種采用傳統(tǒng)的實體概念，另一種是使用比較新的FISCO模型。FISC

60、O模型允許提供更大的功率，這意味著可以掛更多的設備或使用更長的電纜。 1實體概念(Entity Concept) 在對本質安全設備和安全柵進行認證時，要對電壓、電流、功率、電容和電感這些實體參數(shù)作出說明。利用這些參數(shù)很容易選擇設備和安全柵之間的匹配。 當多臺設備以多點結構方式掛接在一臺安全柵上時，必須對所有設備的實體參數(shù)進行匯總，再與安全柵的實體參數(shù)進行匹配。按照傳統(tǒng)的實體概念，電纜的電容和電感也應集中考慮，因此計算網絡在危險區(qū)網段的電容和電感時，也要把電纜的計算進去。對于實體概念應使用線性輸出特性的安全柵(圖2.21)。對于ExiaC防爆等級，輸出功率大約只有1.2W，或者在11V直流電壓下