仪表现场总线系统安装及调试

仪表现场总线系统安装及调试
摘要：近年来基金会现场总线系统（fieldbus foundation，简称FF现场总线系统)在大型石油化工工程中的应用越来越广泛，其优势日益显现。

本文通过漳州450万吨/
年PTA工程FF现场总线系统实例，在分析FF现场总线特点以及FF现场总线电缆
与常规控制电缆差异的基础上，详细阐述FF现场总线电缆安装步骤、安装注意事
项和电缆敷设后的测试方法、测试所用的仪器等。

结合施工经验，总结工程中基
金会现场总线（FF）系统施工过程中出现的问题，以及基金会现场总线（FF）系
统中的电缆安装和FF现场总线仪表的单体和系统调试过程中出现问题的解决办法，为今后基金会现场总线（FF）系统施工提供借鉴之用。

关键词：基金会现场总线仪表安装调试注意事项
1 前言
基金会现场总线系统(简称FF现场总线系统)是以自控领域为开发应用对象，将自控、计算机和信息通讯融为一体的数字化、智能化、网络化的新型工业自动化控制技术，也是
自动化控制系统今后主要的发展方向。

目前，在我国石油、化工行业正在陆续得到推广应用。

FF现场总线系统用数字信号代替了原来的模拟信号进行信号传输，其控制系统设备、
现场仪表设备和控制电缆都发生了改变，需要与之相适应的仪表安装和调试工艺。

本文针
对其安装及调试施工过程中的一些特殊之处进行论述，主要介绍基金会现场总线（FF）系
统安装及调试相关技术，以及施工过程中出现的问题提供解决办法。

2 现场总线系统组成与特点
2.1 现场总线系统的构成
基金会现场总线（fieldbus foundation）通常称为FF现场总线，它分为H1和H2两
级总线。

H1采用符合IEC 61158－2标准的现场总线物理层；H2则采用高速以太网为其物
理层。

H1现场总线以段为单位，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
向数字通信。

现场安装的FF总线设备一般采用 H1总线网段通信协议。

系统的构成：
2.2 FF现场总线系统相对于其他控制系统的特点
（1）FF现场总线具有开放性、互操作性与互用性
开放性是指它可以与遵守相同标准的其他设备或系统连接，通信协议一致公开，各不
同厂家的设备之间可实现信息交换。

互操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送
与沟通。

而互用性则标志着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。

（2）FF现场设备的智能化与功能自治化
将微处理器置入现场测量控制仪表中，具有数字计算和数字通信能力，实现一对传输
线接多台仪表，双向传输多个信号。

FF现场总线的压力和差压变送器，如果测量量程不超
过该传感器的最大量程范围，则在变送器的AI模块中通过设定XD-SCALE和OUT-SCALE参
数就可以修改和设置该变送器的测量量程。

（3）FF现场总线系统为全数字化技术，准确性与可靠性高，各种功能更加强大。

（4）FF现场总线系统安装材料与调试工作量相对减少
现场总线系统的接线简单，规定一个现场总线网段最多连接9～12个现场总线设备，
仪表电缆、端子、电缆槽、桥架的用量相对减少，接线及查线的工作量相对减少。

据有关
典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用30％以上。

（5）FF现场总线系统为降低设备的生命周期成本提供工具
通过DCS查询所有仪表设备的运行情况，诊断维护信息，寻找故障，以便早期分析故
障原因并快速排除，仪表设备状况始终处于维护人员的远程监控之中。

3 现场总线系统技术要求
基金会现场总线(FF)技术在同一导线对中实现了电源分配和数字信号通信。

它采用现
场总线设备，使控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表直接在现场完成，实
现了彻底的分散控制。

由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一线传输多个信号，
同时又为多个设备提供电源，现场设备不再需要模拟/数字(A/D)、数字/模拟(D/A)转换部件。

基于总线系统的组成，该系统特殊技术要求：
3.1 现场总线供电
FF现场总线H1网段供电，需要计算供电电压。

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，对现场的每台设备的电
源至少需要9V DC电压，每台设备消耗电流大约15-20mA。

为确保这一点，在配置现场总线网段时须知道以下情况：
（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。

3.2 现场总线电缆
现场总线电缆要求选择高性能的FF现场总线仪表专用电缆，且与传统电缆有颜色区别（橙黄色或其它可区别色）。

现场总线电缆网络有主干线和分支之分，一般主干线是由现
场总线机柜到FF现场总线接线箱的FF现场总线电缆，而分支线是FF现场总线接线箱到FF 现场总线仪表的FF现场总线电缆。

常规采用单屏蔽A型电缆，其主干长度+分支长度＜1900M。

电缆的敷设长度应严格执行表1和表2的要求：
表1 .H1现场总线允许电缆长度（M）
表
一个现场总线网段允许使用不同类型的电缆，但必须符合下面不等式要求。

假设使用了A、B、C、D四种电缆，每条电缆的长度为LA、LB、LC、LD，而它们的允许长度为MLA、MLB、MLC、MLD，则应满足：LA/MLA+LB/MLB+LC/MLC+LD/MLD＜1。

设计现场总线电缆网络时必须充分注意分支电缆长度的限制。

3.3 现场总线终端器
每个总线网段有两个终端器，分别接在该网段的两端，一个在FF电源模块中，另一个在现场总线接线箱内。

位于现场的终端器不得安装在现场总线设备中，应安装在现场总线接线箱内。

由于通信信号是以电流信号发送，以电压信号接收，终端器起到电流电压转换的作用，将15-20mA 转换成 0.75-1V。

信号反射会干扰正常数字信号的传输，终端器可以消除信号反射，提高信息传输的可靠性。

3.4 现场总线机柜
现场总线机柜形式、内部结构及功能与传统标准机柜相似也有区别。

现场总线机柜内设置总线式安全栅。

现场总线仪表以数字量信号传输，经过现场总线接线箱到现场总线机柜内的总线式安全栅后进入控制系统。

传统仪表设备以模拟量信号传输，根据设计要求经过或不经过接线箱到机柜内的安全栅后进入控制系统。

3.5 接线箱
（1）箱体的材质应选铝合金、不锈钢、玻璃纤维增强型塑料等，其防爆、防护等级至少应符合IIC,IP65级的要求。

（2）现场总线接线箱内部的配附件要齐全且完好，内设有FF现场仪表网络接线块，通过现场总线电缆与现场总线仪表连接，每块内置短路保护器和网段终端器，防止信号失真，对网段有防短路、防浪涌保护等作用。

接线箱内有电源、信号指示灯，短路时指示灯亮，保证一个支路短路时不影响其它支路的FF总线设备。

短路保护器将限制每支路的短路电流不超过60mA。

（3）主电缆与分支电缆是通过现场总线接线箱连接在一起的，为了防止总线回路受潮，FF现场总线仪表和现场总线接线箱与现场总线电缆连接使用防爆电缆密封接头。

安装后的电缆接头必须满足三个要求：防水、防爆、防拉。

（4）由于分支电缆（现场总线接线箱与现场总线仪表连接电缆）长度有限，现场总线接线箱在现场的安装位置需要谨慎选择,不得随意改动安装位置，以避免网段压降的增加或减低波动。

（5）现场总线接线箱要进行保护接地处理（箱体外有接地螺栓）。

3.6 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。

接地点超过一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。

4 现场总线安装和调试
4.1 现场总线系统安装
（1）现场总线仪表设备安装
现场总线仪表的安装连接与传统仪表相似，按照设计安装图纸和FF现场总线仪表制造商提供的安装说明书要求安装。

（2）现场总线机柜、接线箱安装方式与传统机柜、接线箱相似，现场总线机柜安装在中央控制室内，现场总线接线箱安装在装置现场。

其安装方式、位置应符合设计安装图纸及规范的要求。

福建漳州翔鹭石化150万吨精对苯二甲酸（PTA)工程现场总线机柜安装在中央控制室内，采用公司液压升降盘柜运输推车专利相关技术，将需要安装的现场总线机柜运输到设计图纸位置，顺利完成其安装工作，达到符合设计安装图纸及规范的要求。

4.2 现场总线电缆敷设和接线
（1）电缆敷设之前，应进行外观检查和导通检查，有合格的质量检测标志，确认没有运输过程中出现损坏的痕迹。

用直流500V兆欧表(100V以下的线路采用250V兆欧表)检查电缆的绝缘性能，确认电缆的绝缘性能符合要求（其电阻值不应小于5MΩ）。

（2）电缆在电缆桥架敷设时保持合适的松紧，尤其是在转弯、穿孔时更要注意。

电缆弯曲半径不应小于10倍电缆直径。

（3）电缆穿入接线箱时，从底部进入，使用防爆电缆密封接头。

支线电缆在由下而上进入现场总线设备表头，应有防水密封措施。

支线电缆的屏蔽线要剪断，并要用绝缘带包好，不能与表壳接地螺丝连接。

（4）电缆头制作和接线，按照设计图纸要求正确标识和连接。

电缆敷设后，两端应做电缆头。

接线前应校线，线端应有标号。

剥绝缘层时不得损伤芯线，连接应牢固，导电良好。

在工程中，必须注意电缆线的屏蔽与接地，必须注意电缆线与设备连接的极性问题。

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，必须相同的极性连接在一起。

目前，还有一种网络供电的非极性设备，它能实现自动极性检测和校正，正确地接收不同极性的信号，使用时可以盲接。

（5）福建漳州翔鹭石化150万吨精对苯二甲酸（PTA)工程现场总线电缆敷设期间，采用公司一种简易电缆支架专利技术。

在传统电缆支架顶部增加了两个滚动轴承，降低摩擦，
减少阻力，顺利完成其敷设工作，达到符合设计安装图纸及规范的要求。

4.3 现场总线电缆测试
为了保障敷设的电缆能够满足通信要求，FF现场总线电缆敷设后必须进行电缆测试。

进行测试程序之前应完成如下步骤：确保现场接线已经完成且终端连接正确，同时所有的现场分支已经接上（但不包括设备）；在中间端子排处拆下现场总线的网段电缆（+、-和屏蔽线S）。

FF现场总线电缆的测试主要包括+、-信号线、屏蔽线、仪表接地极之间的阻抗和电容检查，直流电压检查、网段检验、网段诊断以及波形测试。

电缆阻抗及电容检查，分别测试电缆线间、芯线对地、芯线对屏蔽层的阻抗及分布电容。

为检查、测试电缆电阻、电容及绝缘，应在电源模块的接线端子处拆下现场总线的网段电缆（+、-信号线和屏蔽线），各总线支线电缆不要连接现场FF设备上。

（1）检查绝缘电阻要求
（+）、（-）信号导线之间的电阻应该大于50KΩ（由于终端器RC电路和现场总线电缆电容的充电影响，在用万用表测量时该数值有变化过程）。

（+）、（-）信号线和屏蔽线、信号线和仪表接地极、屏蔽线和仪表接地极之间绝缘电阻分别应该大于20MΩ。

（2）检查导线间的电容
（+）、（-）信号导线之间的电容大约为1uF（允许范围0.8到1.2uF）。

（+）、（-）信号线和屏蔽线、信号线和仪表接地极、屏蔽线和仪表接地极之间的电容应小于300nF。

（3）直流电压检测
将原来拆下的总线干线电缆连接到总线电源接线端子上，使其与供电电源接通，检查导线以确认连接处的接线是否牢固，系统上电。

测量电源输出的（+）正端和（-）负端H1网段连线之间的直流输出电压（即加在总线干线上的直流电源电压应在25～29V DC之内）。

（4）网络/网段回路检查
将FBT-6（现场总线监视器）与距离功率调节器最远的现场终端连接，检查测试FF现场总线的接线及接线上的电压、信号电平和噪声平均性能。

在DCS还未能够使用时，可以使用 FBT-6（现场总线监视器）和FBT-5（现场总线接线验证器）配合使用来测试回路，将总线电缆的两端从DCS和总线设备上（如变送器等）拆下，FBT-5（现场总线接线验证器）自带电源，起到LAC的作用，能够发出总线信号，FBT-6（现场总线监视器）能够检查出网段上的故障信息。

系统供电，FBT-6（现场总线监视器）检测现场终端电压（+）、（-）信号导线之间应在25～29VDC之内；检测信号电平（+）、（-）信号导线之间≥350mV表示线路状况好，≤150mV则线路不能工作；检测噪声平均性能≤25mV表示线路很好，≥75mV表示线路差。

（5）波形测试
在完成干线部分电缆的电阻、电容和绝缘测试后，将各现场总线设备逐个连接到总线分支电缆上，进行波形测试。

在端子机柜接线端子的现场连接器处，使用波形测试仪测量AC波形。

为达到最佳效果，将波形测试仪设置到AC 200毫伏/格、10微秒/格，按下HOLD键捕获波形。

将捕获的波形与带两个终端器和1000英尺电缆的波形作对比。

观察带一个终端器（一个终端器和1000英尺电缆的波形）和带三个终端器（三个终端器和1000英尺电缆的波形）情况下，信号之间的差别。

（6）现场总线仪表调试
FF总线仪表单体调试不像常规仪表有24VDC电源就可以工作，须配置与FF现场总线仪表相配套的FF现场总线电源以及终端器才可以进行操作。

现场总线变送器的单校：FF现场总线变送器的单校按图接线，通信器表笔插口应处于FF位置，通信器的正端应与电源正端并联。

在通电后用375通讯器（带总线协议）或475通信器（带总线协议）完成对设备性能的自检，读取FF现场总线变送器内部参数，包括仪表位号、设备ID号、地址等，准确记录，为启动时提供仪表ID地址。

现场总线变送器单校连接图：
执行机构的检查试验：对于执行机构的检查试验，由于采用总线型阀门定位器，参数设置和信息获得在订货单中提出要求，详细参数由生产厂家提供详细报告，现场安装前不需要对包括精度、灵敏度、行程时间等电气参数进行试验，对耐压、泄露等方面的安装前检查与常规仪表相同。

（7）现场总线系统调试
现场总线设备安装完成后要与系统一起做系统试验。

在系统试验之前需要对每台FF总线仪表进行组态才可以正常运转，而不是像常规仪表接入系统即能工作，这也是FF总线仪表与常规仪表的不同之处。

现场总线系统调试步骤：电缆、现场总线接线箱、连通性、接地测试；现场设备连接检查；设备下装/软件检查；总线监测，波形捕获；过程检测设备校准；阀门校准；回路整定。

5 现场总线安装、测试要点和注意事项
影响现场总线系统故障的主要原因之一是来自网段上的干扰，产生干扰信号的诸多原因主要有：屏蔽接地不良、端子接触不良、外部干扰、综合原因等，其中现场总线网段和总线设备的不良安装、屏蔽接地不好是主要原因。

（1）现场总线网段对绝缘要求很高，为了防爆和防止总线回路受潮，规定采用增安型（EExe）接线箱，电缆穿入接线箱时使用防爆电缆密封接头。

（2）现场总线电缆敷设后两端有电缆标识，主干线和分支电缆接线要注意极性区分（一般橙色芯线接正极、浅蓝色芯线接负极）。

（3）现场总线电缆屏蔽层的连接注意事项：
1）在现场总线设备上，其支线电缆的屏蔽线要剪断，并要用绝缘带包好，不能与表壳接地螺丝连接。

2）各段总线电缆的屏蔽线应在接线箱内通过接地端子连接起来，屏蔽线只能在机柜侧的端子接地，中间任何地方对地绝缘要良好，不能有多点接地情况，这样可以起到防止静电感应和低频（50HZ）干扰的作用。

3）总线干线电缆是多芯电缆，则不同总线网段的分屏蔽线不应在接线箱(FJB)内被互相连接在一起，也不能与总屏蔽线连在一起。

4）总线电缆为铠装则其内部钢丝要求在现场和机柜侧两端接地，起到防止雷电等高频干扰的影响，其两端接地的原理与金属电缆桥架要每隔一段距离接地情况一样。

（4）现场总线电缆和现场总线设备安装之后应该经过严格测试，电缆线间绝缘电阻，对地绝缘，线间和对地电容以及总线信号的波形测试等应该符合设计文件及FF基金会总线系统工程指南中的技术要求，各端子的连接必须紧固。

6 结束语
随着基金会现场总线（FF）系统技术在工程中的不断应用，作为工程技术人员，结合基金会现场总线（FF）系统技术特点和工作的实际需要，通过FF相关产品厂商配合，不断完善施工方案，节约成本，降低返工率，使基金会现场总线（FF）系统施工具有更可靠更经济的效果。

参考文献：
《基金会现场总线系统工程指南》(AG-181)版本 2.0。