张思锐（中电投远达环保工程有限公司，重庆 401122）

FF（Foundation Fieldbus）即基金会现场总线，它分为H1和H2两级。H1现场总线物理层符合 IEC 61158-2标准；H2物理层采用高速以太网。本文讨论的是FF的H1现场总线。

H1(FF)现场总线在一根屏蔽双绞线电缆上完成对多台现场仪表的供电和双向数字通讯。H1(FF)网卡负责与现场仪表的双向通讯。总线的供电则由专门的FF配电器完成。FF可将PID、信号处理等30多种控制功能块下放到现场的总线仪表执行，减少和分散中央主控制系统的负荷。

H1（FF）现场总线物理层的主要电气特征如下：传输波特率31.25kbit/s；驱动电压9～32VDC；信号电流±9mA；电缆为屏蔽双绞线；网络拓扑结构为线形、树形、星形及其复合形；总线电缆长度小于等于1900m（A类电缆，无中继器，包括分支电缆长度）；单个分支总线电缆的长度可为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）；加现场总线本安中继器或隔离栅后，可用于本质安全型防爆场合。[1]

FF总线的配电由专门的FF电源实现，如果FF配电器失效，所有仪表均无法工作。为了提高可靠性，采用冗余电源并接。FF电源有过流保护功能。根据FF协议的有关可互操作性的规定，任何总线基金会注册的现场仪表均可挂接在FF总线上。

FF总线网络以“段（Segment）”为单位组成。每段总线需配1台FF配电器。每段总线的两端需各配一个网端（又称终端电阻），以消除高频信号的回声。FF配电器中的总线适配电路通常已含有一个网端，所以还需在每个总线网络的末端配备一个网端。

1 设计原则

金陵电厂二期2×1030MW燃煤机组工程烟气脱硫工程（2008年～2010年）的增压风机导叶调节回路最初采用的是PROFIBUSPA总线压力变送器和PROFIBUS-DP总线电动执行器，在调试中发现这两个设备的通讯时好时坏，而该控制回路对机组的安全有重要的影响。对重要设备（如大风机）的导叶闭环调节回路，出于信号可靠和设备安全的考虑，优先采用常规的硬接线方式控制，即过程参数的测量信号和调节输出信号均采用硬接线方式。对于这些总线设备应在FAT时做好工厂试验和调试，以验证通讯的可靠性。

在确定设计原则时应考虑具体工艺控制对象和过程对时间的要求，如现场总线的扫描时间较长不能满足特定工艺对象的要求时，仍应考虑采用常规的硬接线方式或专用的控制器。

下面以山东海阳某电厂废料处理装置的FF总线控制系统为例进行说明，该项目已经完成了施工图设计，预计在2013年可完成施工，在调试中可验证和获取进一步的数据。

1.1 总线的网络结构

FF总线的网络拓扑结构可为线形、树形、星形及其复合形。从经济和便于维护的角度考虑，采用chickenfoot 结构(鸡爪树形)为最优。基于安全的考虑，不采用菊花链拓扑结构。FF总线网络结构图如图1所示。

1.1.1 点对点拓扑

仅由两个设备组成的网络。这种网络结构不经济，通常不推荐采用。

1.1.2 树型拓扑

也称鸡爪型拓扑结构。在FF主干线的末端，采用现场的FF接线盒，将布置在接线盒附近的FF总线仪表和设备接入。实施该方案时需要考虑每个分支的最大长度，通常应在30m内，最大可到200m。这种拓扑结构是首选的网络结构。FF接线盒应有限流和短路保护功能。山东海阳某电厂废料处理装置的FF总线控制系统采用了该网络拓扑结构。

1.1.3 菊花链拓扑

在这种网络结构下，总线接入依次从一台仪表接入后再接入下一台仪表。在运行状态下，如果不中断其它设备的服务，就不能从网络/网段上添加或删除设备，不便于维护。建议不采用该网络拓扑结构。

1.1.4 混合拓扑

多种拓朴结构的混合使用。必须遵循现场总线网络（网段）最大长度的规则。

图1 FF总线拓扑结构图

1.2 总线回路的分段

根据仪表位置、仪表的关联性来划分FF的网段。

同一个闭环控制回路的测量仪表和调节执行回路应设计在同一个FF总线网段，以减少通讯负荷量和执行时间。

FF总线网段受网段总的电流负载、电缆型号、干线长度、支线长度、电压降和挂接的现场设备数量等条件的限制，在设计FF总线的网段时应全面考虑设计满足上述要求。不加中继器时，每个FF网段可最多挂接32台FF设备。每个网段可加4个中继，理论上最多可挂接160台设备。增加中继后需要增加对应的FF电源。按《FF总线系统工程指南》（AG-181）3.1版本的要求，每个网段建议挂接10台FF设备，应预留20%以上的备用量。

山东海阳某电厂废料处理装置的FF总线控制系统在施工设计中遵循了上述要求，系统实际运行后的通讯负荷量和执行时间等参数有待在调试中测试和获取。

1.3 电流计算

以山东海阳某电厂废料处理装置的FF总线控制系统为例：

FF配电器（FB-PS-25/0.36A）输出电源：25VDC/360mA；

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类电缆分布电阻：44Ω/km；

变送器：360÷17.5 = 20.5（台），定位器：360÷26 = 13.8（台），理论上每根总线可挂接20.5台变送器或13.8台阀位定位器。

1.4 总线电缆及长度计算

1.4.1 FF总线电缆的特点

在物理层上，Profibus PA 遵循与Foundation Fieldbus 相同的电气要求。两者电缆是可互换的。总线电缆的导体绝缘层颜色和外皮颜色应做区分。FF总线的传输速率为31.25kb/s。

FF总线电缆为屏蔽双绞线，可选择单对或多对绞线。标准的屏蔽方式为薄膜加编织。可以选择采用钢带铠装电缆护套。FF总线电缆护套可选择无卤、低烟的阻燃材料。

FF总线电缆满足IEC61158-2的要求，主要内容如下：

按绞缆和屏蔽结构分为以下A、B、C、D四种类型[2]

A类：绞对屏蔽电缆，18AWG(截面0.8mm2)[2]，最大长度1900m[5]；为首选电缆；

B类，带有总屏蔽的对绞对电缆，22AWG(截面0.32mm2)[2]，最大长度1200m[5];

C类，不带任何屏蔽的单对或多对绞对电缆，26AWG(截面0.13mm2)[2]，最大长度400m[5];

D类，多芯带总屏蔽的非绞对电缆，16AWG(截面1.25mm2)[2]，最大长度200m[5]。

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

电阻(Ω/km) ：22（A类电缆），56（B类电缆），132（C类电缆），20（D类电缆）[2]；

衰减(db/km)： 3（A类电缆）, 5（B类电缆），8（C类电缆），8（D类电缆）[2]；

屏蔽覆盖率：90%[2]。

1.4.2 电缆长度计算

FF总线的电缆长度包括全部的主干电缆和分支电缆的长度。假设FF总线上挂接12台总线变送器加3台总线阀门定位器，则:FF总线电缆上的电压降为： 25-9=16（V）；

FF总线电缆的允许总电阻为：16V÷（17.5×12+26×3）mA=55.5Ω；

FF总线电缆的允许总电缆（A类）长度为：55.5÷44 = 1.26（km）。按协议的要求，不加中继时，FF总线电缆长度可达其最大值1900m；在设计FF总线拓扑时，其长度（所有的分支加干线长度）应受到这个规定的限制。加中继器后（最多4个），FF总线长度可达到9.5km。

如上所述，总线设备的电流最大允许值为17.5×12+26×3=288mA，FF配电器（FB-PS-25/0.36A）输出电源：25VDC/360mA，考虑一个分支FF短路故障的附加电源消耗≈10mA，则电流余量：（360-10-288）/360≈17%。

FF总线长度= 干线长度 + 所有分支长度

假定干线长度为300m，分支长度为16×30m =480m，则总线长度为300m + 480m = 780m。

对多数工程应用，1900m的总线长度是够用的，通常不需要采用中继器来扩展和延长FF总线。增加中继器后需要增加FF总线的电源适配器，新的网段两端需要安装终端器。采用中继器后可以增加FF总线网络的设备数量和延长总线的长度。对有本安要求的工艺对象，通常采用FF中继器加FF安全栅的方式来实现。

1.5 电压降计算

设单台FF总线仪表的工作电流为17.5mA，该仪表到接线盒的总线长度为30m，FF总线干线上的工作电流为300mA，FF总线的干线长度为300m，采用A类FF总线，则：

FF总线单个分支的电压降为：0.0175A×0.03km×44Ω/km=0.023V;

FF总线干线的电压降为：0.3A×0.3km×44Ω/km=3.96V。

1.6 扫描周期计算

在FF总线上，LAS（链路调度器）负责周期性和非周期链路的数据通讯调度，至少约 50% 的总线调度时间作为非周期性数据传输。宏周期时间由功能块的执行速度、功能块数量及功能块之间的通讯时间决定。H1（FF）与功能块通信时间40ms(max)，取30ms。

功能块的执行时间[4]：

AI功能块100ms(max) ，通常取30ms；

AO功能块130ms(max)，通常取60ms；

PID功能块160ms(max) ，通常取120ms。

假设FF总线上挂接12台总线变送器加3台总线阀门定位器，则估算通讯时间：

一个PID闭环控制回路的执行宏周期为：30+120+60+30=240ms；

三个PID闭环控制回路的执行宏周期为：250+30+30=310ms；

1 2个变送器A I输入模块的执行宏周期为：1 2×30+30=390ms；

本网段的执行宏周期为：310+（390-240）=460ms，则该网段的宏周期可选定为≈1s。FF扫描周期图如图2所示。

图2 FF扫描周期图

2 总线电缆的敷设

FF总线电缆在敷设中需注意避免以下问题的发生：

FF总线电缆外皮在接线盒密封接头处被破坏，造成总线电缆屏蔽线在现场接地，网段数字信号受干扰引起通信不正常；

FF现场设备发生供电断路（或短路）、端子松动、调换现场设备没有重新调试，造成现场设备在网段上丢失；

FF现场设备或接线箱进水受潮等，FF总线对地绝缘不好或短路，造成该台现场设备在H1网段上丢失，还影响本H1网段上其他现场设备丢失。

3 屏蔽层的接地设计

FF总线的双绞线外的屏蔽用于避免信号干扰(噪声)，现场总线电缆的屏蔽层必须接地。

本部分的相关要求详见《FF系统工程指南》(AG-181)，目前最新的版本为3.1，只有英文版。中文版的最新文件为2.0版本。

《FF系统工程指南》(AG-181，3.1版)规定，FF总线的屏蔽接地分为A、B、C、D四种方式。具体采用哪种方式取决于当地的规范、标准和实际的需要。对多数项目，推荐采用A类接地方式。

FF现场总线系统中仪表信号导线不得用于接地，仪表安全接地必须通过信号电缆之外的独立导线；在网络中的任何一处现场总线设备不得将双绞线对中的任一根导线与地连接，现场总线导线中的任一根导线接地将导致该总线网络/网段上的所有设备通信中断。

3.1 A型屏蔽接地

FF总线每个网段采用单点接地。即将各支线与干线的屏蔽连接起来，然后集中一起进行接地整个网段中所有电缆的屏蔽层连接在一起，只在网段的一端接地，通常是在控制室端接地，如图3所示。整个网段的电缆屏蔽层不得与现场仪表和接线盒的机壳连接，因为这些机壳通常总是接地的。

这种接地方式的优点是能抗超过50MHz的电磁波、谐波、雷击的干扰。

由于大型发电厂存在变压器、电动机、大功率可控硅整流设备等干扰源，并且目前国内设计、施工以及等电位联结的配件不配套使得在现场难以寻找等电位地，因此采用系统单点接地较为合理[3]。山东海阳某电厂废料处理装置的FF总线控制系统采用的是A类接地方式。

3.2 B型屏蔽接地

仪表在现场和控制室多点接地，能提供最大限度的抗电磁干扰。在欧洲等地区，喜欢采用这种方式，前提是项目有等电位的接地系统，否则会带来干扰。

3.3 C型屏蔽接地

仪表在现场为多点接地，在总线接线盒有隔离偶合器，总线在接线盒后为单点接地。常用于安全系统。

3.4 D型屏蔽接地

这种接地方式不推荐采用。该方式在现场为多点接地，在控制室侧为单点接地（加了电容隔离）。FF接地系统图如图3所示。

图3 FF接地系统图

4 单点接地方式的总线电缆敷设

采用单点接地时，总线电缆敷设的注意事项 ：

（1）敷设的电缆两端必须印有电缆标识，主干和分支电缆的接线遵循橙色线接正极、浅兰色线接负极。

（2）电缆/管缆尽量通过专用桥架敷设，最小弯曲半径应大于FF 电缆外径的12倍，敷设的距离应尽量的短，尽量避免高温和高粉尘场所及大功率电器设备；若不能避开，则电缆应当穿保护管敷设。所敷设的FF 电缆不允许有破损以免造成多点屏蔽接地。

（3）主干电缆屏蔽的接地要求

电缆最外层的铠装钢丝接电气保护地；

将主干线和分支电缆的屏蔽层连通后在控制盘（主站）一侧单点接入仪表和控制系统的接地。主干线的屏蔽层与现场FF接线盒该S端子连接。FF电缆的其它任何地方对地要求绝缘良好。

（4）分支电缆屏蔽的接地要求

在现场FF接线盒，将各个分支电缆的屏蔽层汇总在接线盒的S端子，FF总线的屏蔽层不得在现场接地，整个FF网段应在FF主站一侧单点接地。接到现场设备上的支线电缆的屏蔽线必须剪断，并用热缩套管封装好，不得与机壳和仪表地连接。主干和分支FF电缆接线两端必须套热缩套管，以免屏蔽线接触外壳形成多点接地。

（5）室外设备的接线端必须要有防水措施，以确保电缆信号线之间以及对地的绝缘良好。

（6）现场总线的信号是有极性的。总线的供电设备也是有极性的，必须将相同的极性连接在一起。

5 网络故障和检测

FF总线的各个设备是采用并联方式挂接在总线上的。

检查FF总线布线的仪表有：万用表、示波器、电缆电容测量仪、H1总线测量仪表（如MTL的FBT-6）等。

5.1 FF现场总线仪表在制造厂的测试（FAT）[6]

（1）H1接口和链接设备的运行；

（2）冗余设备的切换试验；

（3）总线仪表的运行试验；

（4）数据的一致性试验；

（5）控制策略和数据监视的验证。

5.2 FF总线的现场测试和检查项目（SAT）[6]

（1）上电前的网段检查，测量信号线、地、屏蔽层相互间的电阻；

（2）上电后测量屏蔽层对地电阻，要求小于1Ω；

（3）接入FBT-6或P+F测试仪，获取网段诊断文件；

（4）用示波器显示总线网络的波形。

5.3 网段的检查程序[6]

（1）确认主站和总线设备是同一品牌或相同的软件版本；

（2）确认主站中所有的H1卡是同一品牌或相同的软件版本；

（3）确认电源调节器工作正常，如有故障应能向主站报警；

（4）确认网络可从短路状态恢复；

（5）测量全部的电耗；

（6）后备LAS（如有）工作正常；

（7）在稳定状态下测试运行至少12小时。

6 提高可靠性的措施

解决短路保护问题，最直接有效的办法是采用具有总线各分支短路保护功能的现场接线盒。这种短路保护接线盒可以使得任何一台仪表的短路都不影响本总线段其它仪表的工作，而且使得仪表维护人员在控制室内便可对短路故障点一目了然。[7]

同一个控制回路的FF变送器和FF阀门定位器应与仪表分配在同一个FF网段。

对于多点冗余温度、多点冗余压力测量的设备（如反应器），应将仪表分配在不同的FF网段。

FF现场总线接线箱的支线长度尽可能短。

FF总线在施工敷设时，尽量避免与大功率的电缆并行。

多线对现场总线网段的主干电缆，至少应预留10%的备用线对，最低限度要有一根备用线对。

FF电源应做冗余设置。

7 结语

FF总线控制系统的设计应从仪表选型，工艺系统PI和管道设备布置，电缆的选型和敷设，接线盒的布置和分配等方面综合考虑系统的适用性和合理性。FF总线控制系统与常规的DCS加硬接线方式相比，在技术上有丰富的信息和控制手段，能提高设备的管理水平，分散过于集中的控制结构；在经济性方面，可减少电缆的工程和材料量，由于目前FF仪表价格较贵，总体造价上仍和常规项目相当或略贵（粗略估计在10%内）。FF 控制系统具有显著的节省占地，使装置布置紧凑的最大特点[8]。出于安全可靠性和控制执行时间的要求，对某些特殊的工艺对象，还是建议采用传统的硬接线方式。此外，我们也应该认识到FF现场总线控制系统在设计、安装、调试方面的经验还不多，需要做更多的总结和分析，目前还没有国内的相关标准。本文以山东海阳某电厂废料处理装置的FF总线控制系统的施工图设计为依托，结合《FF总线系统工程指南》(AG-181）开展了分析和讨论，文中的部分数据有待项目实施和调试中的检验和验证。

[1]浅谈FF现场总线的配电与短路保护及其防爆[EB/OL].http://www.dqjsw.com.cn/dianqi/xianchangzongxian/93445.html,2011-09-02.

[2]郭士尧.现场总线电缆技术介绍[J].石油化工自动化，2004(2).

[3]刘宇惠，陈勇，李军.现场总线控制系统的屏蔽、接地分析[J]、热力发电.2009(6).

[4]黄步余.FF现场总线系统工程设计应用[EB/OL].http://www.bjfeic.com/Admin/ProImg/File/2010-9-14.27.43.372_118366.pdf

[5]FF总线系统工程指南(AG-181）[Z],版本2.0，Field bus Foundation，2003-2004.

[6]FF总线系统工程指南(AG-181)[Z],版本3.1，Field bus Foundation，2003-2010.

[7]FF现场总线在SECCO项目上的应用[EB/OL].http://www.autooo.net/papers/paper/2011-06-08/72680_2.html.

[8]冯晓东,李晨.FF现场总线技术在PTA项目中的应用[J].石油化工自动化,2007(4).