基金會現場總線網段設計和輔助設備

基金會現場總線網段設計和輔助設備第一頁，共69頁。主機系統(tǒng)EEx-i現場總線隔柵和調節(jié)器危險區(qū)機柜總線連接器電纜接線盒連接器和附件預制線浪涌保護器儀表插座第二頁，共69頁。網段設計時要考慮的問題儀表的功能性儀表的位置過程控制的要求可靠性要求第三頁，共69頁。配線設計網段的拓撲結構電纜類型端子設備和連接件模塊化連線第四頁，共69頁。FF網絡/網段拓撲點對點分支樹型混合型菊花鏈型第五頁，共69頁。主干和分支

ISAS50.02的定義

Trunk主干：是指兩個終端器之間的接線

Spur分支：分支是一種與主干線相連的H1支線，是一個終結的電路環(huán)，長度1m～120m

接頭是一種從主干網延伸出去的長度小于1m的連接方式現場總線允許接頭或分支第六頁，共69頁。FF網絡/網段拓撲

20-35VDC20-35VDC點對點

該拓撲只包含兩個設備此種方案不經濟，不要采用第七頁，共69頁。20-35VDC20-35VDC樹型拓撲(雞爪型)FF網絡/網段拓撲

第八頁，共69頁。FF網絡/網段拓撲

樹型拓撲由一個與公共接線盒相連的現場總線段組成?？捎糜谥鞲删€電纜的末端采用樹型拓樸應注意分支的電纜長度限制樹型拓樸特別適合現場儀表密集安裝區(qū)域對現有電纜再利用時，首選樹型拓撲結構第九頁，共69頁。20-35VDC20-35VDC分支拓撲

多站型分支拓樸在技術上可行但未必經濟比較適合儀表安裝分散的場合所有分支應有短路保護和限流FF網絡/網段拓撲

第十頁，共69頁。20-35VDC20-35VDC

組合型拓樸是樹型和多站型拓樸的組合。這種拓樸可以較好地發(fā)揮前兩種拓樸的優(yōu)勢，而克服它們各自的局限性混合型拓撲FF網絡/網段拓撲

第十一頁，共69頁。

該拓撲的網段由設備連接到下一個設備，連接位于設備的端部運行時，如果不中斷其它設備的服務，就不能添加或刪除設備20-35VDC20-35VDC菊花鏈拓撲FF網絡/網段拓撲

第十二頁，共69頁。菊花鏈型分支型點對點控制網絡JunctionBox雞爪型或樹型

現場總線的安裝應采用樹型、分支型或組合型拓樸。避免采用菊花鏈拓樸FF網絡/網段拓撲

第十三頁，共69頁。FF電纜

線號18GA(0.8mm2)屏蔽90%覆蓋度衰減值39kHz時3db/km最大電容150pF/m特性阻抗31.25kHz時100Ohms+/-20%IEC物理層標準的典型FF電纜特性現場總線電纜的技術規(guī)格第十四頁，共69頁。FF電纜A型為推薦優(yōu)先選用的電纜，特別適于在新安裝系統(tǒng)中使用。其次推薦使用的是多雙絞線對、外層全屏蔽的B型電纜。當用戶工廠中同一地區(qū)有多條現場總線時，新的安裝工程和改造安裝工程中均可選用這種類型的電纜C、D兩種電纜主要應用于改造工程中。相對A，B而言，C，D在使用長度上有許多限制，因此在某些特定場合中，要避免使用C，D兩種電纜當接線盒采用電纜插座連接件時，分支可采用預制接插件的電纜第十五頁，共69頁。FF電纜FF電纜采用屏蔽雙絞線，可降低由線纜引入的信號噪聲。屏蔽可進一步降低噪聲靈敏度可采用多對的雙絞線電纜。各對雙絞線應單獨屏蔽。多對電纜還另須總屏蔽為增強電纜的防護，可采用鎧裝電纜實際應用經驗不足時，應采用符合IEC物理層標準之典型電纜特性的FF專用電纜采用其他電纜前應進行測試。測試電纜長度為實際應用長度的125％FF電纜可與4-20mA電纜有顏色區(qū)分。方法為在電纜末端采用熱收縮標記套與具有價格優(yōu)勢的標準托盤電纜相比，特殊設計的FF電纜的優(yōu)勢并不總是很突出第十六頁，共69頁。預制線（Cordset）已知各段總線長度對安裝時間要求非常緊需要經常插拔第十七頁，共69頁。儀表插座（Gland）作為儀表與網絡連接的接口導線與儀表內部接線端子相連通過螺紋與儀表相連針式或孔式第十八頁，共69頁。接插件用于部件之間快速、可靠的連接直線型和直角型可在現場進行接線針式和孔式第十九頁，共69頁?！癟”型插頭用于總線網絡的分支第二十頁，共69頁。

接線盒將若干分支集中連接到主干網上，有4分支、6分支和8分支等規(guī)格可選即插即用

快速、準確、方便第二十一頁，共69頁。

接線盒端子式接線盒高防護等級端子式接線盒低防護等級第二十二頁，共69頁。接線盒建議所有主干線和分支都在接線盒中連接。也可以用快速插頭接在帶插座的接線盒上接線盒的外殼材料如鋁合金、不銹鋼、玻璃纖維增強型塑料等。根據應用場合的防腐要求選擇第二十三頁，共69頁。接線盒接線盒必須防風雨。防護等級不應低于IP65主干線的進出和所有分支應設獨立的接線端子或接插件，主干線和分支接線端子可插拔分支端子應集成短路保護功能，并根據應用區(qū)域等級和網段允許的電流，限制分支的最大輸出電流短路保護功能是防止某一分支的短路導致整個網段崩潰LED顯示分支短路和主干線供電第二十四頁，共69頁。EExnA[L]IICT4Zone2EExme[ia]IICT4Zone1接線盒建危險區(qū)Zone2應用時，ExnIIC認證（在中國需NEPSI認證）危險區(qū)Zone1/0應用時，ExiaIIC或Exme[ia]IIC認證（在中國需NEPSI認證）第二十五頁，共69頁。終端器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。終端器能夠起到使信號少受衰減與畸變的作用通常將終端器內置在接線盒、電源、總線接口卡等設備內第二十六頁，共69頁。20-35VDC終端器集成在FFPS中的終端器終端器主干兩端各有一個終端電阻一個終端器包括一個100Ω電阻和一個1F電容終端器不允許集成在主機或現場設備中，但是可以集成在FFPS或接線盒中第二十七頁，共69頁。中繼器中繼器中繼器是總線供電或非總線供電的設備，主要用來擴展現場總線網絡。一個中繼器開啟一個新網段，從而增加連接到H1卡上的設備的數量在現場總線網絡的任何兩個設備之間最多允許使用4個中繼器。當使用4個中繼器時，網絡中兩個設備之間的最大距離可以達到9500米第二十八頁，共69頁。

主配電電源和電源調節(jié)器典型的現場總線結構

控制室現場T主干分支接線盒現場設備主供電電源主機控制系統(tǒng)電源調節(jié)器T終端器第二十九頁，共69頁。

主配電電源（BulkPowerSupply）

220/110VAC220/110VAC20-30VDC20-30VDC

主配電電源冗余配置，應采用兩路獨立的供電電路，可以由UPS或備用電池供電主配電電源負責將240/120VAC轉換為24VDC的供電電源，并提供過流保護由主配電電源提供的DC電源需要通過FPC調節(jié)后提供給H1網段第三十頁，共69頁。FF電源調節(jié)器（FFPS）根據基金會現場總線物理層的規(guī)范，現場總線基金會規(guī)定了如下幾種型號的總線供電電源：131型給安全柵供電的非本安電源，輸出電壓與安全柵的額定值有關132型不能給安全柵供電的普通非本安電源，輸出電壓最大值為直流32V133型符合推薦的本安參數的本安型電源

FFPS測試規(guī)范FF-831唯一權威認證不斷提高FFPS的互操作性FFPS/調節(jié)器通過測試后進行注冊并使用FF-831標志推薦使用隔離電源第三十一頁，共69頁。FF電源調節(jié)器（FFPS）第三十二頁，共69頁。冗余帶隔離的電源調節(jié)器25V,350mA輸出無需斷電更換電源組件冗余24Vdc電源輸入電源輸入或電源模塊故障報警多網段應用時的電源跨線FF電源調節(jié)器（FFPS）第三十三頁，共69頁。電源調節(jié)器FFPS包括低通濾波電路、阻抗匹配電路、限壓限流電路網段受限于總線電源的額定功率大部分設備使用總線電源，即使是四線制設備網段上只允許連接一個有源設備，也就是說每個網段上只允許有一個經調節(jié)的供電電源過多負載的長距離網段會導致在設備端的低電壓情況第三十四頁，共69頁。

提高電源可靠性的要求在滿足可靠性指標的前提下，采用單FFPS可以控制成本主供電和FFPS冗余，可以避免所有單點故障，在網段不斷電的情況下能夠更換電源組件本安和隔爆型FFPS不能實現冗余主配電、隔離組件、FFPS故障報警必須通知主系統(tǒng)主配電和電源調節(jié)器隔離第三十五頁，共69頁。電源調節(jié)器現場總線設備現場總線主機系統(tǒng)H1現場總線Singlepointsoffailure單點故障主供電電源-+單FFPS配置第三十六頁，共69頁。電源調節(jié)器主供電電源A現場總線設備現場總線主站系統(tǒng)H1現場總線電源調節(jié)器主供電電源

B-+-+故障報警故障報警故障報警故障報警冗余FFPS配置第三十七頁，共69頁。

冗余的主配電電源和帶隔離的調節(jié)器主電源供電A現場總線設備現場總線主機系統(tǒng)H1現場總線250Vacrms主電源供電

B-+-+電源調節(jié)器電源調節(jié)器故障報警故障報警故障報警故障報警第三十八頁，共69頁。限制條件的檢查距離限制分支長度電源消耗電壓降通信處理第三十九頁，共69頁。

距離限制

如果沒有中繼器，A型電纜的最大允許總長度為1900m。電纜總長度為主干線電纜長度與分支電纜長度之和主干線采用單對的屏蔽雙絞線還是多對的屏蔽雙絞線，取決于目的接線箱內的網段數量主干線采用多對的屏蔽雙絞線時，可酌情設置備用量，如10％，至少一對利用舊設備原有電纜做FF總線電纜時，應測試其是否可以利用在同一網段中不同電纜類型可以混用第四十頁，共69頁。分支長度接頭是一種從主干網延伸出去的長度<1m的連接方式分支時一種從主干網延伸出去1m<120m長度的連接方式多個設備在同一分支上時其連接的電纜應小于1m單個分支上可以連接設備的數量取決于接線技術方案的采用第四十一頁，共69頁。電源消耗對于總線供電設備，需計算所有設備消耗的電流之和，并將其與特定系統(tǒng)配置中可獲得的電流相比較，應保證足夠對于外部供電設備，除計算各設備的靜止電流之和，還必須加上等于系統(tǒng)中任何設備接收與發(fā)送信號之間的最大電流差的附加電流電壓降電壓降的計算“15/15規(guī)則”

15個或更少的設備、1500英尺或更少、采用A類電纜，無需詳細的電壓降計算第四十二頁，共69頁。FF網段的防爆

FF現場儀表常用的防爆方法包括隔爆（增安）型、本質安全型、無火花限能型確定現場儀表的防爆方法，并依此設計網段中其他設備的防爆方案。

FF應用指南推薦采用本質安全型防爆（危險區(qū)Zone1/0；Division1）和無火花限能型防爆（危險區(qū)Zone2；Division2）。其理由是從防爆方法上保證在無需特別許可的情況下能夠對現場儀表進行帶電操作。第四十三頁，共69頁。

本質安全模型-ENTITY和FISCO

防爆方法本質安全原理

FF遵循現行的儀器儀表防爆標準。由現行的防爆認證機構認證第四十四頁，共69頁。

本質安全現場設備本安總線Entity規(guī)范的安全要求：Ui UoIi IoPi PoCi+CL CoLi+LL Lo

本安總線電纜應遵循本安電纜的規(guī)范，如絕緣和護套顏色要求當整個網段采用本安設計，上述能量的限制將制約網段掛接儀表的能力。當要求分支短路保護時，短路保護的額外耗電使這種制約將更顯突出第四十五頁，共69頁。

本安總線FISCO規(guī)范的安全要求：Ui UoIi IoPi Po

最多連接儀表：10臺儀表電容Ci不大于5nF;電感Li不大于10HFISCO電纜安全參數(EExiaIIC)：R’ 15–150/kmL’ 0.4–1mHC’ 80–200nFFISCO網段電纜長度(EExiaIIC)：1000m；分支電纜不長于30mFISCO網段終端器參數：R 90–100C 0–2.2F

本質安全現場設備第四十六頁，共69頁。

采用本質安全主干線的得失主干線可以帶電維護

FISCO網段所受到的本安限能的制約較Entity網段寬松，但依然明顯存在通過降低安全柵本安防爆指標（如把EExiaIIC降級為EExibIIB）可進一步放寬制約。但應用時必須審查儀表和安全柵的參數是否滿足上述不等式從Exia降到Exib：現場儀表丟失1.5倍的安全系數從IIC降到IIB：限制了在煉油廠（氫氣環(huán)境）和氯堿廠（乙炔環(huán)境）的應用沒有冗余、高可靠型配電

FISCO認證的儀表與Entity認證的儀表不能混裝在一個網段中第四十七頁，共69頁。

安全柵

Fieldbarrier適用于Zone1/0應用場合主干線采用增安型防爆完全滿足Zone1防爆要求，對實際應用并無不便，因為主干線沒必要帶電服務操作增安主干線使網段可供足夠電能量。所用FF配電系統(tǒng)與非防爆時相同。掛接儀表數量和電纜長度的應用指南與非本安網段相同本安分支支持儀表的熱操作本安分支同時支持分支的短路保護F2D0-FB-EX4.CGRD0-FB-EX4第四十八頁，共69頁。危險區(qū)Zone1危險區(qū)Zone024-30VDC24-30VDC安全區(qū)DCS系統(tǒng)FF現場總線H1卡高可靠性FF配電FieldbarrierTM-IH1主干線EExeIICH1分支EExiaIIC8個熱電偶、熱電阻、mV、電阻信號DI/DO

安全柵的應用

第四十九頁，共69頁。

段保護器

段保護器適用于Zone2應用場合主干線采用無火花型EExnA防爆滿足Zone2防爆要求網段可供足夠電能量。所用FF配電系統(tǒng)與非防爆時相同。掛接儀表數量和電纜長度的應用指南與非本安網段相同分支輸出和儀表采用無火花限能型EExnL防爆滿足Zone2防爆要求在無故障時支持儀表的熱操作無火花分支同時支持短路保護每個分支只掛接一臺EExnL認證儀表，沒有EExnL認證時，接受FISCO或Entity認證F2-JBSC-6.CGBR-JBSC-8第五十頁，共69頁。

段保護器的應用安全區(qū)和危險區(qū)Zone224-32VDC24-32VDC安全區(qū)DCS系統(tǒng)FF現場總線H1卡高可靠性FF配電段保護器EExnA[L]IICT4第五十一頁，共69頁。FF現場總線本質安全概念FieldbusIntrinsicSafetyConcept(FISCO)本安FISCO總線應符合下列要求：

Ui≥UoIi≥IoPi≥Po

在保證能量級不會引起爆炸的同時,為現場總線提供額外的供電每個IS現場總線段只能有一個有源設備同“Entity”認證的系統(tǒng)相比，FISCO系統(tǒng)有以下優(yōu)點得到更多的電流，網段上可以連接更多的設備不需要對電纜參數進行計算簡化安全文件--只需一份設備清單無需檢查安全狀況即可增加新設備第五十二頁，共69頁。FF本安FISCO網段參數EExiaIIC(GroupsA-D)EExibIIB(GroupsC,D)電源裝置:

梯形輸出特性矩形輸出特性

Uo14–17.5VIo符合IEC60079-11但不大于380mAPo符合IEC60079-11但不大于5.32W電纜參數：

主干長度最大1000米最大1900米分支長度最大60米回路電阻R15-150Ω/km

回路電感L0.4-1mH/km

回路電容C45-200nF/km第五十三頁，共69頁?，F場設備

Ui

最小17.5VIi最小380mAPi最小5.32W

內部電容C最大5nF

內部電感L最大10uH終端器

90…102Ω0.8F…1.2μF（受FF技術條件所限制）供電電源、終端器、電纜和現場儀表必須滿足上述參數，當它們組合使用時，無需進行聯合取證

EExib認證的電源，當需要連接“Entity”認證的儀表或安裝在0區(qū)的儀表時，需使用連接器FF本安FISCO網段參數第五十四頁，共69頁。FISCO與Entity的比較FF-81624V250mA1.2W5nF20mHFISCO17.5V380mA5.32W5nF10mHUiIiPiCiLi現場儀表的安全描述FISCO17.5Vmax380mAmax5.32WmaxFF-81624Vmax250mAmax1.2WmaxUoIoPo安全柵的安全描述第五十五頁，共69頁。FISCO網段–

連接設備數量FISCO,IICGasGroupsFISCO,IIBGasGroups電源可以提供120mA電流,通常掛接6個設備電源可以提供265mA電流,通常掛接13個設備Zone1/Division1假設每臺設備20mA第五十六頁，共69頁。FF非易燃型FNICO網段現場總線非易燃型概念Fieldbus

Non-Incendive

Concept（FNICO）FNICO概念來源于FISCO，專門用于2類危險區(qū)現場總線系統(tǒng)與本質安全相比，其優(yōu)點是對于非易燃型（限能型）來說，設計要求不嚴格非易燃型現場接線的安裝準則比本質安全更簡單在2區(qū)應用FNICO系統(tǒng)，比其它方式可以節(jié)約更多的投資第五十七頁，共69頁。FNICO系統(tǒng)在簡化安全文檔和無需電纜參數計算方面與FISCO系統(tǒng)是一樣的，并保持在危險場所帶電和無需危險氣體清除的狀況下連接或斷開現場接線的能力，即可在線維護與FISCO系統(tǒng)相比還有以下優(yōu)點可以獲得更大的電流，因此網段上可以掛接更多的設備；可以更容易選擇現場設備：EExnL、non-incendive、IS(Entity)、IS(FISCO)FF非易燃型FNICO網段第五十八頁，共69頁。FNICO系統(tǒng)的電源、現場設備、電纜、終端器從本質上講與FISCO系統(tǒng)是一致的，除了以下方面：按照IEC60079-15或北美的非易燃型標準，現場接線被分類為EExnLIo最大允許值為570mA現場設備允許有最大20uH的電感，因此，允許“Entity”認證的設備應用到FNICO系統(tǒng)中FF非易燃型FNICO網段第五十九頁，共69頁。FNICO網段–

連接設備數量FNICO,IICGasGroupsFNICO,IIBGasGroups電源可以提供180mA電流,通常連接9個設備Zone2/Division2假設每臺設備20mA電源可以提供320mA電流，通常連接16個設備第六十頁，共69頁。FF網段電纜屏蔽層的接地

整個網段中，不得將雙絞線的任何一根導線接地網絡電纜屏蔽層首推單點接地，即網段電纜的屏蔽線應在網段主機處末端接地。其他屏蔽線接地方法參見應用指南AG-163Rev.2.0

采用多對屏蔽雙絞線電纜時，雙絞線的屏蔽線不得與其他網段連接第六十一頁，共69頁。FF網段的避雷

在雷電災害頻發(fā)地區(qū)，或網絡靠近大感性負載設備時，應考慮網段的浪涌保護要保證浪涌保護器不會明顯造成通訊信號的衰減在遵循上述屏蔽線接地規(guī)范的前提下，可預期的浪涌對屏蔽內的信號導線影響很小。對于8/20s的波形，1kA的額定浪涌放電應該足夠。但實踐中還是建議采用3kA以上的額定浪涌放電建議采用可插拔的浪涌保護器。當拔出進行測試和更換時，不會中斷網段的正常工作DP-LBF-1.34DB-LB第六十二頁，共69頁。

FF現場總線接地、防雷Fieldbus保護主機和接線器保護現場設備第六十三頁，共69頁。FF網段的負載審核

網段負載審核最終確定的目的網段掛接現場儀表的數量網段電纜的長度閥門/網段關鍵程度的評級影響網段掛接儀表數量

1級關鍵網段：只能掛接1級控制回路的儀表，例：2-3臺

2級關鍵網段：可掛接一個2級和一個3級控制回路的儀表，例：4－6臺

3級關鍵網段：可掛接4個3級控制回路的儀表，例：8－12臺

4級關鍵網段：可掛接檢測儀表，例：12－16臺第六十四頁，共69頁。

FF網段的負載審核網段運行周期時間影響網段掛接儀表數量

1秒：包含4個AO的12臺儀表