现场总线技术-第7讲 现场总线设备

第七讲 现场总线设备,现场总线设备,第 一 部 分 现场总线设备分类,现场总线设备分类,7.1.1 现场总线设备的分类,现场总线设备是指连接在现场总线上的各种仪表或设备，按功能可分为六类： 变送器类：用于检测生产过程的变量，并具有将过程变量信号转换为现场总线信号的功能。如：温度变送器； 执行器类：用于对生产过程进行操作和控制，用于改变控制系统的操纵变量。如气动执行器、电动执行器等； 转换器类：现场总线/电流转换器、现场总线/气压转换器等； 接口类：计算机和控制器与现场总线之间的接口设备； 电源类：现场总线仪表供电电源设备、电源调整器设备等； 附件类：如终端器、中继器、安全栅等。,现场总线设备分类,7.1.2 现场总线设备的特点,全数字性；精度高；抗干扰能力强；内嵌控制功能；高速通信；多变量测量和传输；系统综合成本低；真正的可互操作性；真正的分散控制,现场总线设备分类,7.1.3 现场总线设备的特点,两种通信方式精度的比较,现场总线设备分类,7.1.4本质安全型(Intrinsic safety)仪表,又叫安全火花型仪表。它的特点是仪表在正常状态下和故障状态下，电路、系统产生的火花和达到的温度都不会引燃爆炸性混合物。它的防爆主要由以下措施来实现：,本制安全型仪表的防爆性能不是采用通风、充气、充油、隔爆等外部措施实现的，而是由电路本身实现的，因而是本质安全的。它能适用于一切危险场所和一切爆炸性气体、蒸气混合物，并可以在通电的情况下进行维修和调整。但是，它不能单独使用必须和本安关联设备（安全栅）、外部配线一起组成本安电路，才能发挥防爆功能。,采用新型集成电路元件等组成仪表电路，在较低的工作电压和较小的工作电流下工作；,用安全栅把危险场所和非危险场所的电路分隔开，限制由非危险场所传递到危险场所去的能量；,仪表的连接导线不得形成过大的分布电感和分布电容，以减少电路中的储能；,现场总线设备,第 二 部 分 现场总线变送器类设备,现场总线变送器类设备,7.2.1 现场总线差压变送器,压差传感器分为电容式和压电式等4种类型，电容式适用于测量差压和表压，常用于表压、流量和液位测量。,现场总线变送器类设备,7.2.1 现场总线电容式压差传感器工作原理,Ph,Pl,Ch,d,Cl,:电容极板之间电解质的介电常数A: 极板面积d: Ch和Cl固定膜片之间的距离,现场总线变送器类设备,7.2.1 LD302压力变送器硬件构成框图,现场总线变送器类设备,7.2.1 LD302压力变送器内装模块图,现场总线变送器类设备,7.2.1 LD302压力变送器控制应用,现场总线变送器类设备,7.2.2 现场总线温度变送器TT302,热电阻连接的三种方法,7.2.2 现场总线温度变送器TT302,两线制：U2=(RTD+2R)xI,三线制：U2=(RTD+R)xIU1=IxRU2-U1=IxRTD,四线制：U2=RTDxI,长距离传输或导线经过温度变化区域时采用三线或四线制,现场总线设备,第 三 部 分 现场总线执行器类设备,7.3.1 现场总线阀门定位器,7.3.1 现场总线阀门定位器FY302,控制电路使压电挡板靠近喷嘴伺服室气压增大伺服膜片受力增大滑阀下移气源来的压缩空气从滑阀中间的气路径孔2进入气动执行器的一侧气室，孔1和排气孔1连通排气执行机构由于压差产生位移,工作原理,现场总线设备,第 四 部 分 现场总线信号转换类设备,7.4.1 电流-现场总线转换器IF302,外形及外接线图,将3路4-20mA电流信号转换为现场总线信号,7.4.1 电流-现场总线转换器IF302,硬件构成框图,7.4.2 现场总线-电流转换器FI302,硬件构成框图,将现场总线信号转换为4-20mA电流信号输出,输出电路板和外部接线,7.4.2 现场总线-电流转换器FI302,7.4.3 现场总线-气压转换器FP302,接收现场总线控制信号，转换为20-100kPa气压信号，用于控制气动控制阀,主要功能块：输出功能块、PID功能块等,7.4.3 现场总线-气压转换器FP302,增压过程：控制电路使压电挡板靠近喷嘴喷嘴背压增加控制室气压增大提升阀芯下移提升阀打开，气源提供的压缩空气流入输出室输出气压增加减压过程：压电挡板上移控制室气压降低提升阀上移，开度减小输出气压减小,工作原理,现场总线设备,第 五 部 分 现场总线接口类设备,7.5.1 概述,用于将其它总线连接到现场总线系统,Smar公司ISA现场总线(H1)接口卡：PCI302,Smar公司现场总线(FF)/以太网(Ethernet)通用网桥： DFI302,Smar公司HART/FF接口：HI302,7.5.2 Smar DFI302现场总线通用网桥,集成的SYSTEM302一部分； 单一的集成单元，包括接口、链路设备、网桥、控制器、网关、现场总线电源和I/O子系统； 使用基金会现场总线和OPC，将不同制造商的设备和软件高度集成； 通过传统I/O和Modbus通讯连接现有设备； 完全的冗余和故障隔离，很高的安全性和不间断运行； 紧凑且高效低成本的结构； 大量信息遍布从底层开始的整个企业。,7.5.3 Smar公司 SYSTEM302企业自动化系统,现场总线设备,第 六 部 分 现场总线电源类设备,7.6.1 概述,具有提供现场总线设备的直流电源功能；具有防止现场总线信号流过电源造成电源短路的功能；,功能,谐波电压峰峰值应小于0.1V；具有短路保护功能；具有电涌保护器、具有过流和过压保护器；具有隔离交变信号和直流电源的电源调整器；必要时设置冗余电源。,对电源的要求,现场总线供电系统包括现场总线终端器、电源调整器和直流供电电源等,7.6.1 概述,Smar公司现场总线终端器: BT302,Smar公司现场总线电源阻抗匹配器: DF53/DF49,现场总线电源阻抗匹配器是一种非隔离的有源电源阻抗控制设备，它带有一个输出阻抗匹配器，两个总线端子(一个100ohm电阻与一个uF电容串行)。纯阻性的线缆阻抗和较宽的频率带宽可防止由通讯 信号波动导致的信号衰减和失真。,BT302用来防止现场总线网络中的信号反射和噪声,Smar公司电源模块: DF52 (PS302),7.6.2 现场总线终端器工作原理,电压反射系数=(Z2-Z1) / (Z2+Z1)电压透过系数=1-(Z2-Z1) / (Z2+Z1)=2*Z1 / (Z2+Z1),传输线路存在反射，通常在传输线路末端反射尤为明显；线路的反射与传输线路的特征阻抗有关，当传输介质在某点特征阻抗发生变化时，信号的一部分能量就会在此被反射，另一部分能量会透过此点。,7.6.2 现场总线终端器工作原理,若传输电缆各段特征阻抗不同，差值越大反射信号的幅值越强，叠加在传输信号上会引起信号畸变若线路末端没有终端电阻，则Z2等于无穷，此时电压透过系数为0，反射系数为1(全部反射),反射信号会引起很大干扰；若在线路末端接一个与传输电缆的特征阻抗相同的电阻则不会产生反射。因为Z2=Z1，电压反射系数为0，信号如同接入一个无限长电缆；在线路末端接入一个电阻并使之与电缆的特征阻抗相等也称为阻抗匹配，这个线路末端电阻称为终端器,电压反射系数=(Z2-Z1) / (Z2+Z1)电压透过系数=1-(Z2-Z1) / (Z2+Z1)=2*Z1 / (Z2+Z1),7.6.2 现场总线终端器工作原理,为防止在现场总线上反射信号的产生，在总线最远端安装终端电阻，终端电阻应等于导线的特征阻抗值；在同时传送交变信号和直流电源的总线上，为避免电源在终端电阻上的能量消耗，应串连电容。,基金会现场总线终端器：,现场总线需两个终端器，分别设置在导线的最远端。为简化，可内置在电源调整器内。,7.6.2 现场总线终端器(BT302),电阻：1002%，频率范围：7.8kHz-39kHz。FF H1信号频率：31.25kHz,7.6.3 电源调整器工作原理,在同时供电和传送信号的总线上，直流电源为了保持其输出电压的恒定，将吸收现场总线信号；电源调整器用于防止现场总线信号进入直流电源；简单的方法是在电源和现场总线之间串接一个电感。同时，为防止与终端器中电容产生振荡，需串连电阻；实际电路中并不采用电感，而是用等效电路，其优点是限制电流，防止因现场总线电缆短路造成对网段供电电流的超限。,PSI302组成框图,7.6.4 现场总线电源阻抗器(PSI302),普通电源直接连接会使数字通信信号通过直流电源而短路；接入电阻和电感串联的无源阻抗器会引起损耗，且电感阻尼效应会造成信号失真和振荡；有源阻抗对交流呈高阻，直流呈低阻，并可降低电功率损耗，避免电源电压降落。,7.6.5 现场总线直流供电电源,电气原理图,PFC：Power Factor Correction，功率因数校正。对于桥式整流电路，由于电容滤波会使AC输入电流产生严重的波形畸变，向电网注入大量的高次谐波，因此网侧的功率因数不高，并对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰，此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种，一种为被动式PFC（也称无源PFC）和主动式PFC（也称有源式PFC）,7.6.5 电源、终端电阻、电源阻抗器连接,总线型拓扑结构,7.6.5 电源、终端电阻、电源阻抗器连接,树型拓扑结构,现场总线仪表与PS302的连接图,现场总线设备,第 七 部 分 现场总线附件类设备,现场总线附件类设备,原理齐纳安全栅的防爆原理是用齐纳二级管控制输出电压，用电阻限制输出电流，电路相对简单。由快速熔断器、限压电路和限流电路三部份组成。隔离安全栅是通过光、电、磁隔离技术来实现开关量、模拟量以及数字通信的电气隔离。主要包括电源隔离和信号隔离两部分。特点当分支短路时，只有该分支输出电流才受到限制，网段其他部分仍可正常运行；本安应用时，仅需非本安的网段耦合器，不需要再用本安型网段耦合器。,7.7.1 现场总线本安栅,隔离型防爆仪表 仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内，即使仪表因事故在表壳内部产生燃烧或爆炸时，火焰穿过缝隙过程中受缝隙壁吸热机阻滞作用，不会引起外部爆炸。本质安全型防爆仪表 在正常状态下或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不会引起规定的易爆气体混合物爆炸。防爆栅(安全栅)隔离现场仪表和控制室仪表,7.7.1 现场总线本安栅,7.7.2 现场总线本安栅(SB302),原理图,REPEATER：中