1 FF现场总线物理层（IEC61158-2）简介
现场总线是指以工厂内的丈量和操控机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也便是将传感器、各种操作终端和操控器间的通讯及操控器之间的通讯进行特化的网络。本来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模仿信号，经过通讯的数字化，使时刻切割、多重化、多点化成为或许，然后完结高功能化、高牢靠化、保养简练化、节约配线（配线的同享）。是衔接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通讯系统。首要处理工业现场的智能化仪器外表、操控器、执行机构等现场设备间的数字通讯以及这些现场操控设备和高档操控系统之间的信息传递问题。
基金会现场总线（Foundation Fieldbus）一般简称为FF现场总线，它分为H1和H2两级总线。H1选用契合 IEC 61158-2规范的现场总线物理层；H2则选用高速以太网为物理层。本文只评论FF之H1现场总线的配电、短路维护和防爆技能。
H1现场总线物理层的首要电气特征如下：
数据传输办法：数字化，位同步；传输波特率：31.25kbit/s；驱动电压：9～32VDC；信号电流：±9mA；电缆型式：屏蔽双绞线；接线拓扑结构：线形、树形、星形及其复合形；电缆长度：小于等于1900m（无中继器时）；分支电缆的长度：30～120m；挂接设备数量：小于等于32台（无中继器时）；可用中继器数；小于等于4台；适用防爆办法：实质安全型防爆办法等。
2 FF现场总线的配电
H1现场总线在一根屏蔽双绞线电缆上完结对多台现场外表供电和双向数字通讯。操控系统所装备的H1网卡一般只担任与现场外表的双向通讯。而总线的配电则需由专门的FF配电承当，如图1所示。
H1总线以“段（Segment）”为单位组成总线网络。每台H1网卡一般有两个或4个端口。每段总线需配1台FF配电器。每段总线的两头需各配一个网端（又称终端电阻），以消除高频信号的回声。
装备了H1网卡、FF配电器、网端之后，就能够在该段总线上挂接FF现场总线外表了。依据FF协议的有关可互操作性的规则，任何总线基金会注册的现场外表均应该能够挂接在H1总线上。
跟着科学技能的快速开展，进程操控范畴在曩昔的两个世纪里产生了巨大的革新。150多年前呈现的根据5－13psi的气动信号规范（PCS，Pneumatic Control System气动操控系统），标志着操控理论开端构成，但此刻没有有操控室的概念；20世纪50年代，跟着根据0－10mA或4－20mA的电流模仿信号的模仿进程操控系统被提出并得到广泛的运用，标志了电气自动操控年代的到来，三大操控论的建立奠定了现代操控的根底，建立操控室、操控功用别离的形式也一向沿袭至今；20世纪70年代，跟着数字计算机的介入，产生了“集中操控”的中心操控计算机系统，而信号传输系统大部分是仍然沿袭4－20mA的模仿信号，不久人们也发现了伴跟着“集中操控”，该系统存在着易失控、牢靠性低的缺陷，并很快将其开展为散布式操控系统（DCS，Distributed Control System散布式操控系统）；微处理器的遍及运用和计算机牢靠性的进步，使散布式操控系统得到了广泛的运用，由多台计算机和一些智能外表以及智能部件完结的散布式操控是其最首要的特征，而数字传输信号也在逐渐替代模仿传输信号。跟着微处理器的快速开展和广泛的运用，数字通讯网络延伸到工业进程现场成为或许，产生了以微处理器为中心，运用%&&&&&%替代惯例电子线路，施行信息收集、显现、处理、传输以及优化操控等功用的智能设备。设备之间互相通讯、操控，在精度、可操作性以及牢靠性、可维护性等都有更高的要求。由此，导致了现场总线的产生。
每段H1总线能够挂接多少台现场外表，而总线电缆又能设置多长呢？一般H1网卡的供给商会阐明每段所挂接外表的极限数量（如16台）和引荐数量。
设配电器配电才干：24VDC/400mA；
FF总线变送器耗电：9V/17.5mA；
FF总线阀门定位器耗电：9V/26mA；
FF现场总线A型电缆散布电阻：44Ω/km。
1） 现场外表挂接数量
变送器：400÷17.5 = 22.8（台）
定位器：400÷26 = 15.3（台）
因而，每根总线可挂接22台变送器或15台阀位定位器。实践中，每段H1总线一般挂接16台现场外表，其间阀门定位器为4到8台。
2） 电缆长度：假定总线上挂接8台变送器和8台阀门定位器。
则现场外表耗电总额为
（8×17.5）＋（8×26）= 348 （mA）
答应总线电缆的压降为
24－9 ﹦15（V）
答应电缆总电阻为
15V÷348mAv = 43.1Ω
电缆长度为
43.1÷44 = 0.980（km）
因而，当总线上挂接8台变送器加8台阀门定位器时，电缆长度可达980 m。
3 FF现场总线配电的冗余
因为每段现场总线将挂接多台现场外表，假如FF配电器失效，一切外表均无法作业，因而FF的冗余配电越来越受到注重。
那么，一段总线上可否直接装备两台FF配电器呢？不能够。因为FF配电器所含有FF总线适配电路，如专用的滤波电路和网端等，并不答应简略地并联运用。
如图2所示，FF配电器可被分解为配电电路和FF适配电路两部分。因为FF适配电路难以冗余，因而FF的冗余配电计划一般将配电和FF适配分红独立的模块，并选用配电模块的冗余，如图3所示。
商场上的产品有两种。一是每FF适配器模块均装备冗余的配电模块，组成单段的FF配电组合。二是选用一对冗余的配电模块，与多台FF适配模块组成多段（如4段）的FF配电组合。
4 FF现场总线的短路维护
实践标明，FF现场总线的实践运用中，配电毛病仍是比较罕见的。最常见的毛病是现场总线的短路。在FF总线的运用中有必要充沛注重FF总线的短路问题。这是因为：其一，FF总线是在一对屏蔽双绞线上挂接了多台现场外表，任何其间一台外表的短路，都会导致整段总线的短路。当在线维护外表时，拆装外表电缆的操作很难防止电缆头触碰外表机壳，然后形成短路。即便这种短路是时间短的，也会损害整段总线的正常作业；其二，因为一段总线上任何一点的短路，都形成整段的短路，使得查找和扫除短路毛病比较困难。比方，某段总线挂接了8台现场外表，结尾还有一台网端。这8台表的设备方位或许相距30 m或3层渠道。当该段总线产生短路时，外表维护人员无法直观地判别是哪台表产生短路，也无法判别是只要一个短路点，仍是不止一个。
处理短路维护问题，最直接有用的办法是选用具有总线各分支短路维护功用的现场接线盒。这种短路维护接线盒能够使得任何一台外表的短路都不影响本总线段其他外表的作业，并且使得外表维护人员在操控室内便可对短路毛病点一望而知。
5 FF现场总线在非防爆场合下的的典型运用
图4所示为现在最受欢迎的非防爆场合的FF总线运用框图。图中没有标出网端，因为在这种实践运用中，冗余的配电组合中含有一台网端，短路维护型接线盒中也含有一台网端，所以运用时无需另配网端。
6 FF现场总线的防爆
自从FF现场总线开端在易燃易爆的危险场合运用以来，FF现场总线的防爆技能一向在开展变化傍边。
在前期，只答应选用实质安全型防爆办法。这是因为，只要本安防爆才干充沛满意现场总线外表在不停电的条件下进行设备和维护的要求。其他防爆办法如隔爆型、增安型或无火花型防爆办法都有必要断电维护。
a） 现场总线阻隔栅
在H1网卡与现场外表之间，设置一台现场总线阻隔栅，既给无源的H1网卡配电，又给本安防爆的现场总线配电。如图5所示。
图5所示计划在现场总线运用初期比较受用户欢迎。首要是因为这种办法比较简略、直观，与传统模仿量回路的阻隔栅运用也比较相似，简单被用户承受。
这一计划在FF现场总线总运用的推行进程中，反映出两个先天缺乏。
1） 总线阻隔栅大幅度约束了H1网卡挂接现场外表的才干。因为每段H1总线只能装备1台总线阻隔栅，而每台阻隔栅只能挂接3至4台现场外表。
2） 因为这种总线阻隔栅对现场总线的配电含有内阻，使现场总线电缆的长度最长只能是220 m。大大约束了其运用规划。
不过，其时FF总线的运用规划很小，基本是实验性的，因而此计划的弊端并不杰出。
b） 现场总线本安中继器
跟着运用规划的扩展，为了战胜总线阻隔栅的缺乏，现在越来越多的用户倾向于选用现场总线本安中继器的计划。如图6所示。每段H1网卡最多装备4台安中继器，既给无源的H1网卡配电，又分别给本安防爆的现场总线配电。因为各个国家各个公司的利益之争，尽管早在1984年世界电工技能委员会/世界规范协会（IEC/ISA）就着手开端拟定现场总线的规范，至今一致的规范仍未完结。许多公司也推出其各自的现场总线技能，但互相的开放性和互操作性还难以一致。
设本安中继器配电才干：不小于12.8VDC/100mA；FF总线变送器耗电：9V/17.5mA；FF总线阀门定位器耗电：9V/26mA；FF现场总线A型电缆散布电阻：44Ω/km。则
1） 现场外表挂接数量
变送器：100÷17.5 = 5.7（台）
定位器：100÷26 = 3.8（台）
因而，每底子安总线可挂接5台变送器；或4台变送器加1台阀门定位器；或2台变送器加2台定位器；或1台变送器加3台定位器。
2） 电缆长度
假定总线上挂接4台变送器和1台阀门定位器，则现场外表耗电总额为（4×17.5）+（1×26） = 96（mA）
答应总线电缆的压降为 12.8-9 = 3.8 V
答应电缆总电阻为 3.8÷96 mA = 39.5Ω
电缆长度为39.5÷44 = 0.898（km）
因而，当总线上挂接4台变送器加1台定位器时，电缆长度可达898 m。
这种计划仍存在两个缺乏。榜首，每段总线需求放多根电缆到现场，本安中继器和现场附件的数量仍较多，所占运用本钱的比重较大；第二，冗余配电和短路维护的要求还没有得到满意。
c） 无火花型和隔爆型防爆
当FF总线的运用规划到达一个项目不计其数点今后，运用本钱和系统的可运转性问题就非常杰出了。一方面要求FF总线的网络结构尽或许简化，附件精简；另一方面要求FF总线完结冗余配电和短路维护。
图7所示为根据上述考虑选用的防爆计划。其间，FF配电选用冗余配电组合。H1总线的骨干线依照无火花防爆的要求敷设到危险区2区。短路维护型接线盒选用无火花型防爆（Ex nA），设备在危险区2区。
这一计划尽管简化了FF总线装备，降低了本钱，并且进步了牢靠性。可是也带来了新的问题。其一，降低了系统的防爆安全性等级。无火花型防爆是一切防爆办法中安全性最低的，所以只被答应运用在危险区2区。而隔爆型防爆办法也比不上本安型防爆来得更安全。其二，无火花型防爆和隔爆型防爆办法，均不答应对外表进行带电在线维护。因为每段总线上挂接许多外表，假如某台外表毛病，有必要对整段总线停电检修，不只将对工厂的正常出产形成影响，还将进步工厂的办理危险和办理本钱。
d） FF现场安全栅模盒的运用
这是德国P+F公司最新推出的FF总线防爆运用计划。其间心产品为集本安防爆、中继器、短路维护接线盒、网端等许多功用于一身的FF现场安全栅模盒。运用计划如图8所示。
首要，FF的配电选用冗余配电组合。然后H1骨干总线电缆选用增安型防爆办法可敷设到现场的危险区1区。FF现场安全栅模盒自身选用胶封型防爆主体、增安型防爆骨干线端子、4路本安型防爆的输出，可设备在危险区1区。彼此阻隔的4路输出为本安防爆（EX ia），并具有短路维护功用。现场外表选用本安型防爆，可设备在危险区0区。
与前一个计划比较，其一，本计划明显进步了系统的防爆安全等级，FF现场安全栅模盒可设备在1区，现场外表可设备在0区。现场外表选用本安防爆，然后答应进行带电的在线维护。其二，本计划的运用非常简练。每段总线只敷设一根骨干电缆去现场，尽或许接近设备的危险区1区。
7 结束语
总归，FF现场总线的配电，短路维护和防爆的运用现已找到了比较抱负的有用计划。现场总线技能是操控、计算机、通讯技能的穿插与集成，简直涵盖了一切接连、离散工业范畴，如进程自动化、制作加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等等。它的呈现和快速开展表现了操控范畴对降低本钱、进步牢靠性、增强可维护性和进步数据收集的智能化的要求。现场总线技能的开展表现为两个方面：一个是低速现场总线范畴的不断开展和完善；另一个是高速现场总线技能的开展。而现在现场总线产品首要是低速总线产品，运用于运转速率较低的范畴，对网络的功能要求不是很高。从实践运用情况看，大多数现场总线，都能较好地完结速率要求较低的进程操控。因而，在速率要求较低的操控范畴，谁都很难一致整个商场。就现在而言，因为FF基金会简直集中了世界上首要自动化外表制作商，其全球影响力日益添加，但其在我国商场营销力度好像缺乏，商场份额不是很高，LonWorks构成了全面的分工合作系统，在国内有一些实质性的发展，在楼宇自动化、家庭自动化、智能通讯产品等方面，LonWorks则具有共同的优势。
