FF-H1网络设计及布线安装应考虑的问题

现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，它适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，导致传统控制系统结构的重大变革，形成了新型网络集成式全分布控制系统，即现场总线控制系统FCS。基金会现场总线FF系统作为低宽带通信网络，把具有通信、控制、测量等功能的现场自控设备作为网络节点，由现场总线把它们互连为网络。
一、H1网络拓扑结构及实例
基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。其中H1的传输速率为31.25kb/s，通信距离可达1900m，可支持总线供电，并提供本质安全。而高速现场总线H2只可采用总线型拓扑结构。H1网络拓扑结构如图1所示。
株洲治炼集团有限公司6#沸腾炉电气、仪表测控采用了Emerson公司Delta V控制系统。它包括5个网络节点，1个工程师站，2个操作员站，1个调度监视站，1个控制器。控制器下挂有1个AI卡（8通道，4～20mA），3个H1卡（2口），1个Serial卡（2口）。3个H1卡下挂4条现场总线，每条H1总线上挂有11台现场总线型仪表。现场总线型仪表有Rosemount公司3051压力、差压变送器和横河川仪EJA差压变送器；Fisher公司DVC5010F、DVC5030F阀门定位器和Smar公司FY-302阀门定位器；Rosemount公司3244和848T温度变送器。最长一条H1总线有600多米。FCS网络硬件配置实例如图2所示。
二、网段的基本构成部件
H1总线在过程自动化领域已得到广泛支持和应用。FCS的现场设备与控制系统的连接完全不同于传统DCS，它是在一条H1网段上挂接多个现场总线设备，完成现场的智能化仪表、控制器、执行机构、分散I/O等设备间的数字通信以及与控制系统间的信息传递。H1网络的基本构成部件有现场总线接口、终端器、总线电源、本质安全栅、现场设备、中继器、网桥、传输介质等。典型FF总线网段如图3所示。
三、布线安装
现场总线网络布线安装时应考虑现场总线设备的安装位置、测量干线及支线的长度，选择电缆类型；当H1选用总线供电时，必须计算电源供电电压；电缆的接地、极性与屏蔽。
1．传输介质
H1总线可支持多种传输介质，其电缆类型可分为A无屏蔽双绞线、B屏蔽双绞线、C屏蔽多对双绞线、D多芯屏蔽电缆。FF对采用不同缆线时所规定的最大传输距离见表1。
由此可见，首选现场总线电缆是A型，能为单个网段提供1900m的最大传输距离。在采用任何其他类型的电缆前，需验证电缆特性，以确定其适用性以及采用后能提供的通信距离。一条网络可有几种类型的电缆混用，但必须遵循下式：
LA/MA+LB/MB+LC/MC+LD/MD≤1
式中LA～LD为每种电缆的实用长度，MA～MD为每类电缆的最大长度。
例如，某H1段需要混用的A型电缆1200m，D型电缆160m，则：
LA/MA+LD/MD=1200/1900+160 /200=1.43。结果大于1，不能混用。
如果A类电缆改为1000m，D类电缆改为80m，则：
LA/MA+LD/MD=1000/1900+80/200=0.93。结果小于1，可以混用。
2．总线长度
现场总线网段由主干和分支构成。不同类型的电缆对应不同最大长度，长度应包括主干线与分支线的总和。如可选择分支长度，则所选长度越短越好。如果决定在每个分支上安装的设备数不止一个，那么可以根据所需设备数从表2选用建议的分支长度。
3．总线供电
当H1选用总线供电时，须计算供电电压。供电电压取决于总线电缆长度及电阻。在网段上如有两线制总线供电设备，应确保有足够电压可驱动它，每个设备至少需要9V。为确保这一点，在配置现场总线网段时需知道以下情况：（1）当前每个设备的功耗情况；（2）设备在网段上的位置；（3）电源在网段上的位置；（4）每段电缆的阻抗；（5）电源电压。
举列：假设电源电压为19V DC@ 350mA，最低设备电压为9V DC，每台设备功耗为20mA，电缆最大压降为10V DC，电阻率22Ω/km×2＝44Ω/km。计算确定在离电源0.6km处接7台设备和在离电源1km处接6台设备的网段是否可行。压降＝电流负载×回路电阻。
（1）计算通过前0.6km的13台设备的电流所导致的压降：
260mA×44Ω/km×0.6km=6.864V DC
（2）计算通过后面0.4km的6台设备的电流所增加的压降：
120mA×44Ω/km×0.4km=2.112V DC
（3）确定总压降
6.864V DC＋2.112V DC=8.976V DC＜10V DC
压降计算表明，该布局方案可行。
4．现场总线的接地、屏蔽与极性
（1）接地。现场总线网段不允许有任何接地。否则，将会引起这条总线上所有设备失去通信能力。任何一根导线接地或两线接在一起，会导致通信中断。
（2）屏蔽。现场总线电缆最好还是被屏蔽，沿着电缆的整个长度仅在一点接地，且屏蔽线绝对不可用作电源导线。接地点超过1个会导致接地回路的形成，且意外电流会使通信中断。当使用屏蔽电缆时，要把所有分支的屏蔽线与主干的屏蔽线连接起来，最后在同一点接地。
（3）极性。对于有极性的现场总线设备，须考虑信号极性，所有“＋”端必须相互连接，“－”端也必须相互连接，才能得到正确信号，否则将不能进行通信；对于无极性现场总线设备，可在网段上按任何方向连接。