FF現場總線系統工程設計原則和分析

張思銳（中電投遠達環保工程有限公司，重慶 401122）

FF（Foundation Fieldbus）即基金會現場總線，它分為H1和H2兩級。H1現場總線物理層符合 IEC 61158-2標準；H2物理層采用高速以太網。本文討論的是FF的H1現場總線。

H1(FF)現場總線在一根屏蔽雙絞線電纜上完成對多臺現場儀表的供電和雙向數字通訊。H1(FF)網卡負責與現場儀表的雙向通訊。總線的供電則由專門的FF配電器完成。FF可將PID、信號處理等30多種控制功能塊下放到現場的總線儀表執行，減少和分散中央主控制系統的負荷。

H1（FF）現場總線物理層的主要電氣特征如下：傳輸波特率31.25kbit/s；驅動電壓9～32VDC；信號電流±9mA；電纜為屏蔽雙絞線；網絡拓撲結構為線形、樹形、星形及其復合形；總線電纜長度小于等于1900m（A類電纜，無中繼器，包括分支電纜長度）；單個分支總線電纜的長度可為30～120m；掛接設備數量小于等于32臺（無中繼器時）；可用中繼器數（小于等于4臺）；加現場總線本安中繼器或隔離柵后，可用于本質安全型防爆場合。[1]

FF總線的配電由專門的FF電源實現，如果FF配電器失效，所有儀表均無法工作。為了提高可靠性，采用冗余電源并接。FF電源有過流保護功能。根據FF協議的有關可互操作性的規定，任何總線基金會注冊的現場儀表均可掛接在FF總線上。

FF總線網絡以“段（Segment）”為單位組成。每段總線需配1臺FF配電器。每段總線的兩端需各配一個網端（又稱終端電阻），以消除高頻信號的回聲。FF配電器中的總線適配電路通常已含有一個網端，所以還需在每個總線網絡的末端配備一個網端。

1 設計原則

金陵電廠二期2×1030MW燃煤機組工程煙氣脫硫工程（2008年～2010年）的增壓風機導葉調節回路最初采用的是PROFIBUSPA總線壓力變送器和PROFIBUS-DP總線電動執行器，在調試中發現這兩個設備的通訊時好時壞，而該控制回路對機組的安全有重要的影響。對重要設備（如大風機）的導葉閉環調節回路，出于信號可靠和設備安全的考慮，優先采用常規的硬接線方式控制，即過程參數的測量信號和調節輸出信號均采用硬接線方式。對于這些總線設備應在FAT時做好工廠試驗和調試，以驗證通訊的可靠性。

在確定設計原則時應考慮具體工藝控制對象和過程對時間的要求，如現場總線的掃描時間較長不能滿足特定工藝對象的要求時，仍應考慮采用常規的硬接線方式或專用的控制器。

下面以山東海陽某電廠廢料處理裝置的FF總線控制系統為例進行說明，該項目已經完成了施工圖設計，預計在2013年可完成施工，在調試中可驗證和獲取進一步的數據。

1.1 總線的網絡結構

FF總線的網絡拓撲結構可為線形、樹形、星形及其復合形。從經濟和便于維護的角度考慮，采用chickenfoot 結構(雞爪樹形)為最優。基于安全的考慮，不采用菊花鏈拓撲結構。FF總線網絡結構圖如圖1所示。

1.1.1 點對點拓撲

僅由兩個設備組成的網絡。這種網絡結構不經濟，通常不推薦采用。

1.1.2 樹型拓撲

也稱雞爪型拓撲結構。在FF主干線的末端，采用現場的FF接線盒，將布置在接線盒附近的FF總線儀表和設備接入。實施該方案時需要考慮每個分支的最大長度，通常應在30m內，最大可到200m。這種拓撲結構是首選的網絡結構。FF接線盒應有限流和短路保護功能。山東海陽某電廠廢料處理裝置的FF總線控制系統采用了該網絡拓撲結構。

1.1.3 菊花鏈拓撲

在這種網絡結構下，總線接入依次從一臺儀表接入后再接入下一臺儀表。在運行狀態下，如果不中斷其它設備的服務，就不能從網絡/網段上添加或刪除設備，不便于維護。建議不采用該網絡拓撲結構。

1.1.4 混合拓撲

多種拓樸結構的混合使用。必須遵循現場總線網絡（網段）最大長度的規則。

圖1 FF總線拓撲結構圖

1.2 總線回路的分段

根據儀表位置、儀表的關聯性來劃分FF的網段。

同一個閉環控制回路的測量儀表和調節執行回路應設計在同一個FF總線網段，以減少通訊負荷量和執行時間。

FF總線網段受網段總的電流負載、電纜型號、干線長度、支線長度、電壓降和掛接的現場設備數量等條件的限制，在設計FF總線的網段時應全面考慮設計滿足上述要求。不加中繼器時，每個FF網段可最多掛接32臺FF設備。每個網段可加4個中繼，理論上最多可掛接160臺設備。增加中繼后需要增加對應的FF電源。按《FF總線系統工程指南》（AG-181）3.1版本的要求，每個網段建議掛接10臺FF設備，應預留20%以上的備用量。

山東海陽某電廠廢料處理裝置的FF總線控制系統在施工設計中遵循了上述要求，系統實際運行后的通訊負荷量和執行時間等參數有待在調試中測試和獲取。

1.3 電流計算

以山東海陽某電廠廢料處理裝置的FF總線控制系統為例：

FF配電器（FB-PS-25/0.36A）輸出電源：25VDC/360mA；

FF總線變送器耗電：9V/17.5mA； FF總線閥門定位器耗電：9V/26mA；FF現場總線A類電纜分布電阻：44Ω/km；

變送器：360÷17.5 = 20.5（臺），定位器：360÷26 = 13.8（臺），理論上每根總線可掛接20.5臺變送器或13.8臺閥位定位器。

1.4 總線電纜及長度計算

1.4.1 FF總線電纜的特點

在物理層上，Profibus PA 遵循與Foundation Fieldbus 相同的電氣要求。兩者電纜是可互換的。總線電纜的導體絕緣層顏色和外皮顏色應做區分。FF總線的傳輸速率為31.25kb/s。

FF總線電纜為屏蔽雙絞線，可選擇單對或多對絞線。標準的屏蔽方式為薄膜加編織。可以選擇采用鋼帶鎧裝電纜護套。FF總線電纜護套可選擇無鹵、低煙的阻燃材料。

FF總線電纜滿足IEC61158-2的要求，主要內容如下：

按絞纜和屏蔽結構分為以下A、B、C、D四種類型[2]

A類：絞對屏蔽電纜，18AWG(截面0.8mm2)[2]，最大長度1900m[5]；為首選電纜；

B類，帶有總屏蔽的對絞對電纜，22AWG(截面0.32mm2)[2]，最大長度1200m[5];

C類，不帶任何屏蔽的單對或多對絞對電纜，26AWG(截面0.13mm2)[2]，最大長度400m[5];

D類，多芯帶總屏蔽的非絞對電纜，16AWG(截面1.25mm2)[2]，最大長度200m[5]。

特性阻抗（at 31.25 kHz）：100Ω±20%（A類電纜），100Ω±30%（B類電纜）[2]；

電阻(Ω/km) ：22（A類電纜），56（B類電纜），132（C類電纜），20（D類電纜）[2]；

衰減(db/km)： 3（A類電纜）, 5（B類電纜），8（C類電纜），8（D類電纜）[2]；

屏蔽覆蓋率：90%[2]。

1.4.2 電纜長度計算

FF總線的電纜長度包括全部的主干電纜和分支電纜的長度。假設FF總線上掛接12臺總線變送器加3臺總線閥門定位器，則:FF總線電纜上的電壓降為： 25-9=16（V）；

FF總線電纜的允許總電阻為：16V÷（17.5×12+26×3）mA=55.5Ω；

FF總線電纜的允許總電纜（A類）長度為：55.5÷44 = 1.26（km）。按協議的要求，不加中繼時，FF總線電纜長度可達其最大值1900m；在設計FF總線拓撲時，其長度（所有的分支加干線長度）應受到這個規定的限制。加中繼器后（最多4個），FF總線長度可達到9.5km。

如上所述，總線設備的電流最大允許值為17.5×12+26×3=288mA，FF配電器（FB-PS-25/0.36A）輸出電源：25VDC/360mA，考慮一個分支FF短路故障的附加電源消耗≈10mA，則電流余量：（360-10-288）/360≈17%。

FF總線長度= 干線長度 + 所有分支長度

假定干線長度為300m，分支長度為16×30m =480m，則總線長度為300m + 480m = 780m。

對多數工程應用，1900m的總線長度是夠用的，通常不需要采用中繼器來擴展和延長FF總線。增加中繼器后需要增加FF總線的電源適配器，新的網段兩端需要安裝終端器。采用中繼器后可以增加FF總線網絡的設備數量和延長總線的長度。對有本安要求的工藝對象，通常采用FF中繼器加FF安全柵的方式來實現。

1.5 電壓降計算

設單臺FF總線儀表的工作電流為17.5mA，該儀表到接線盒的總線長度為30m，FF總線干線上的工作電流為300mA，FF總線的干線長度為300m，采用A類FF總線，則：

FF總線單個分支的電壓降為：0.0175A×0.03km×44Ω/km=0.023V;

FF總線干線的電壓降為：0.3A×0.3km×44Ω/km=3.96V。

1.6 掃描周期計算

在FF總線上，LAS（鏈路調度器）負責周期性和非周期鏈路的數據通訊調度，至少約 50% 的總線調度時間作為非周期性數據傳輸。宏周期時間由功能塊的執行速度、功能塊數量及功能塊之間的通訊時間決定。H1（FF）與功能塊通信時間40ms(max)，取30ms。

功能塊的執行時間[4]：

AI功能塊100ms(max) ，通常取30ms；

AO功能塊130ms(max)，通常取60ms；

PID功能塊160ms(max) ，通常取120ms。

假設FF總線上掛接12臺總線變送器加3臺總線閥門定位器，則估算通訊時間：

一個PID閉環控制回路的執行宏周期為：30+120+60+30=240ms；

三個PID閉環控制回路的執行宏周期為：250+30+30=310ms；

1 2個變送器A I輸入模塊的執行宏周期為：1 2×30+30=390ms；

本網段的執行宏周期為：310+（390-240）=460ms，則該網段的宏周期可選定為≈1s。FF掃描周期圖如圖2所示。

圖2 FF掃描周期圖

2 總線電纜的敷設

FF總線電纜在敷設中需注意避免以下問題的發生：

FF總線電纜外皮在接線盒密封接頭處被破壞，造成總線電纜屏蔽線在現場接地，網段數字信號受干擾引起通信不正常；

FF現場設備發生供電斷路（或短路）、端子松動、調換現場設備沒有重新調試，造成現場設備在網段上丟失；

FF現場設備或接線箱進水受潮等，FF總線對地絕緣不好或短路，造成該臺現場設備在H1網段上丟失，還影響本H1網段上其他現場設備丟失。

3 屏蔽層的接地設計

FF總線的雙絞線外的屏蔽用于避免信號干擾(噪聲)，現場總線電纜的屏蔽層必須接地。

本部分的相關要求詳見《FF系統工程指南》(AG-181)，目前最新的版本為3.1，只有英文版。中文版的最新文件為2.0版本。

《FF系統工程指南》(AG-181，3.1版)規定，FF總線的屏蔽接地分為A、B、C、D四種方式。具體采用哪種方式取決于當地的規范、標準和實際的需要。對多數項目，推薦采用A類接地方式。

FF現場總線系統中儀表信號導線不得用于接地，儀表安全接地必須通過信號電纜之外的獨立導線；在網絡中的任何一處現場總線設備不得將雙絞線對中的任一根導線與地連接，現場總線導線中的任一根導線接地將導致該總線網絡/網段上的所有設備通信中斷。

3.1 A型屏蔽接地

FF總線每個網段采用單點接地。即將各支線與干線的屏蔽連接起來，然后集中一起進行接地整個網段中所有電纜的屏蔽層連接在一起，只在網段的一端接地，通常是在控制室端接地，如圖3所示。整個網段的電纜屏蔽層不得與現場儀表和接線盒的機殼連接，因為這些機殼通常總是接地的。

這種接地方式的優點是能抗超過50MHz的電磁波、諧波、雷擊的干擾。

由于大型發電廠存在變壓器、電動機、大功率可控硅整流設備等干擾源，并且目前國內設計、施工以及等電位聯結的配件不配套使得在現場難以尋找等電位地，因此采用系統單點接地較為合理[3]。山東海陽某電廠廢料處理裝置的FF總線控制系統采用的是A類接地方式。

3.2 B型屏蔽接地

儀表在現場和控制室多點接地，能提供最大限度的抗電磁干擾。在歐洲等地區，喜歡采用這種方式，前提是項目有等電位的接地系統，否則會帶來干擾。

3.3 C型屏蔽接地

儀表在現場為多點接地，在總線接線盒有隔離偶合器，總線在接線盒后為單點接地。常用于安全系統。

3.4 D型屏蔽接地

這種接地方式不推薦采用。該方式在現場為多點接地，在控制室側為單點接地（加了電容隔離）。FF接地系統圖如圖3所示。

圖3 FF接地系統圖

4 單點接地方式的總線電纜敷設

采用單點接地時，總線電纜敷設的注意事項 ：

（1）敷設的電纜兩端必須印有電纜標識，主干和分支電纜的接線遵循橙色線接正極、淺蘭色線接負極。

（2）電纜/管纜盡量通過專用橋架敷設，最小彎曲半徑應大于FF 電纜外徑的12倍，敷設的距離應盡量的短，盡量避免高溫和高粉塵場所及大功率電器設備；若不能避開，則電纜應當穿保護管敷設。所敷設的FF 電纜不允許有破損以免造成多點屏蔽接地。

（3）主干電纜屏蔽的接地要求

電纜最外層的鎧裝鋼絲接電氣保護地；

將主干線和分支電纜的屏蔽層連通后在控制盤（主站）一側單點接入儀表和控制系統的接地。主干線的屏蔽層與現場FF接線盒該S端子連接。FF電纜的其它任何地方對地要求絕緣良好。

（4）分支電纜屏蔽的接地要求

在現場FF接線盒，將各個分支電纜的屏蔽層匯總在接線盒的S端子，FF總線的屏蔽層不得在現場接地，整個FF網段應在FF主站一側單點接地。接到現場設備上的支線電纜的屏蔽線必須剪斷，并用熱縮套管封裝好，不得與機殼和儀表地連接。主干和分支FF電纜接線兩端必須套熱縮套管，以免屏蔽線接觸外殼形成多點接地。

（5）室外設備的接線端必須要有防水措施，以確保電纜信號線之間以及對地的絕緣良好。

（6）現場總線的信號是有極性的。總線的供電設備也是有極性的，必須將相同的極性連接在一起。

5 網絡故障和檢測

FF總線的各個設備是采用并聯方式掛接在總線上的。

檢查FF總線布線的儀表有：萬用表、示波器、電纜電容測量儀、H1總線測量儀表（如MTL的FBT-6）等。

5.1 FF現場總線儀表在制造廠的測試（FAT）[6]

（1）H1接口和鏈接設備的運行；

（2）冗余設備的切換試驗；

（3）總線儀表的運行試驗；

（4）數據的一致性試驗；

（5）控制策略和數據監視的驗證。

5.2 FF總線的現場測試和檢查項目（SAT）[6]

（1）上電前的網段檢查，測量信號線、地、屏蔽層相互間的電阻；

（2）上電后測量屏蔽層對地電阻，要求小于1Ω；

（3）接入FBT-6或P+F測試儀，獲取網段診斷文件；

（4）用示波器顯示總線網絡的波形。

5.3 網段的檢查程序[6]

（1）確認主站和總線設備是同一品牌或相同的軟件版本；

（2）確認主站中所有的H1卡是同一品牌或相同的軟件版本；

（3）確認電源調節器工作正常，如有故障應能向主站報警；

（4）確認網絡可從短路狀態恢復；

（5）測量全部的電耗；

（6）后備LAS（如有）工作正常；

（7）在穩定狀態下測試運行至少12小時。

6 提高可靠性的措施

解決短路保護問題，最直接有效的辦法是采用具有總線各分支短路保護功能的現場接線盒。這種短路保護接線盒可以使得任何一臺儀表的短路都不影響本總線段其它儀表的工作，而且使得儀表維護人員在控制室內便可對短路故障點一目了然。[7]

同一個控制回路的FF變送器和FF閥門定位器應與儀表分配在同一個FF網段。

對于多點冗余溫度、多點冗余壓力測量的設備（如反應器），應將儀表分配在不同的FF網段。

FF現場總線接線箱的支線長度盡可能短。

FF總線在施工敷設時，盡量避免與大功率的電纜并行。

多線對現場總線網段的主干電纜，至少應預留10%的備用線對，最低限度要有一根備用線對。

FF電源應做冗余設置。

7 結語

FF總線控制系統的設計應從儀表選型，工藝系統PI和管道設備布置，電纜的選型和敷設，接線盒的布置和分配等方面綜合考慮系統的適用性和合理性。FF總線控制系統與常規的DCS加硬接線方式相比，在技術上有豐富的信息和控制手段，能提高設備的管理水平，分散過于集中的控制結構；在經濟性方面，可減少電纜的工程和材料量，由于目前FF儀表價格較貴，總體造價上仍和常規項目相當或略貴（粗略估計在10%內）。FF 控制系統具有顯著的節省占地，使裝置布置緊湊的最大特點[8]。出于安全可靠性和控制執行時間的要求，對某些特殊的工藝對象，還是建議采用傳統的硬接線方式。此外，我們也應該認識到FF現場總線控制系統在設計、安裝、調試方面的經驗還不多，需要做更多的總結和分析，目前還沒有國內的相關標準。本文以山東海陽某電廠廢料處理裝置的FF總線控制系統的施工圖設計為依托，結合《FF總線系統工程指南》(AG-181）開展了分析和討論，文中的部分數據有待項目實施和調試中的檢驗和驗證。

[1]淺談FF現場總線的配電與短路保護及其防爆[EB/OL].http://www.dqjsw.com.cn/dianqi/xianchangzongxian/93445.html,2011-09-02.

[2]郭士堯.現場總線電纜技術介紹[J].石油化工自動化，2004(2).

[3]劉宇惠，陳勇，李軍.現場總線控制系統的屏蔽、接地分析[J]、熱力發電.2009(6).

[4]黃步余.FF現場總線系統工程設計應用[EB/OL].http://www.bjfeic.com/Admin/ProImg/File/2010-9-14.27.43.372_118366.pdf

[5]FF總線系統工程指南(AG-181）[Z],版本2.0，Field bus Foundation，2003-2004.

[6]FF總線系統工程指南(AG-181)[Z],版本3.1，Field bus Foundation，2003-2010.

[7]FF現場總線在SECCO項目上的應用[EB/OL].http://www.autooo.net/papers/paper/2011-06-08/72680_2.html.

[8]馮曉東,李晨.FF現場總線技術在PTA項目中的應用[J].石油化工自動化,2007(4).