第十三章-现场总线控制系统的施工与设计PPT课件

第十三章现场总线控制系统的工程设计和实施 分散控制系统与现场总线控制系统 课件 概述 由于现场总线是一种数字化的 双向传输的 多分支结构的通信网络 因此现场总线控制系统的工程设计和实施与传统的4 20mA现场设备有很大的区别 在一条现场总线上挂接着许多现场设备 这些现场设备的互连方式可能有多种不同的选择 现场总线上传输的是具有一定带宽的数字信号 因此对传输线的电气特性就会有一些特殊的要求 另外 现场总线装置是通过总线供电的 需要考虑如何避免电源对数字信号传输所造成的影响 其它像本质安全 接地与屏蔽等问题也具有一定的特殊性 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 基本概念及定义 典型的现场总线网段构成如图所示 其中H1为现场总线接口卡 EPS为现场总线电源和信号调理 PS为大功率直流电源 T为终端器 此外还有若干现场总线设备 如变送器 执行器等 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 基本概念及定义 段 由连接到H1现场总线接口卡一个端口上的现场总线电源和所有的传输介质 连接设备 终端器等构成 在ISAS50 02标准中 段被定义为 一段终止于自身特性阻抗的现场总线 多个段通过中继器连接起来 构成一个完整的现场总线 干线 同一个H1总线接口卡上两个终端器之间的电缆 通常被称为 主干线 或 主链路 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 基本概念及定义 设备 连接到现场总线的物理实体 至少由一个通信部件 还可能有一个控制部件 变送器 执行器等 所组成 支线 干线和设备之间的连接电缆 又称分支 通信部件 现场总线设备中通过总线与其他部件通信的部分 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 基本概念及定义 传输介质 电缆 光纤 或实现在两个或多个节点之间传输通信信号的其他媒体 非设备部件 包括现场总线电源 本质安全栅 电流隔离器 终端器和连接设备 例如 接线端子 连接器等 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 基本概念及定义 传输介质 电缆 光纤 或实现在两个或多个节点之间传输通信信号的其他媒体 非设备部件 包括现场总线电源 本质安全栅 电流隔离器 终端器和连接设备 例如 接线端子 连接器等 仅有一个网段的简单网络 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 基本概念及定义 具有多个网段的网络 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 基本概念及定义 具有多个串联网段的长距离网络 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 基本概念及定义 现场总线终端器 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 基本概念及定义 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 段设计的约束条件 设备约束一个非总线供电 非本质安全的现场总线段 可以接入2 32个设备 一个总线供电 本质安全的现场总线段 可以接入2 6个设备 其中1 4个设备在危险区 一个总线供电 非本质安全的现场总线段 可以接入1 12个设备 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 段设计的约束条件 距离约束现场总线网段的最大允许长度取决于它所使用的电缆类型 现场总线段的总长度是主干线的长度和所有从主干线分支出去的支线长度的总和 因此 现场总线段的总长度 干线长度 全部支线长度 干线是两端都有终端器的主缆线路 支线是干线的分支 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 段设计的约束条件 距离约束 电缆总长度的计算 840m 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 段设计的约束条件 距离约束ISAS50 02规范中的电缆类型 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 段设计的约束条件 距离约束有时可能会需要混合使用不同类型的电缆 例如 一个段的干线可以采用B型电缆 其支线采用A型电缆 在这种情况下可以用下式来判断是否符合要求 式中 Ln为每一种电缆实际使用长度 Lnmax为每一种电缆所允许的最大长度 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 段设计的约束条件 支线长度ISAS50 02规范中的支线长度限制 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 段设计的约束条件 总线功耗总线供电的设备通常供电电压为9 32V 电流为10 30mA 非总线供电的4线制设备也会从总线中吸收一些电流 通常介于11 18mA之间 现场总线段必须与大功率直流电源和其他具有现场总线电源的段隔离 现场总线段上所有设备的总电流不能超过现场总线电源的额定值 根据现场总线所使用部件的不同 若采用本质安全设备 每个段的总耗电量不超过80mA 若采用一般设备 每个段的总耗电量不超过350mA 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 段设计的约束条件 电压降根据基金会现场总线技术规范 现场设备在正常运行时必须能得到9至32伏的直流电压 每个现场总线网段都应进行电路分析 以确定每个设备的工作电压 设备的计算电压通常应该超过设备最低额定工作电压2V以上 为了保证所有的现场设备都能正常运行 对每个设备提供的电压不能低于9VDC 必须考虑电缆和所有现场设备的电能消耗所引起的电压降 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 段设计的约束条件 电压降此外 应在总电流中增加一个或多个短路电流 以保证网络在故障时仍然能够正常工作 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 布线设计 段的拓扑结构 树型拓扑结构 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 布线设计 段的拓扑结构 总线型拓扑结构 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 布线设计 段的拓扑结构 混合型拓扑结构 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 布线设计 段的拓扑结构 菊花链型拓扑结构 不建议采用 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 布线设计 接线极性尽管许多厂家生产的设备是不分极性 自动识别极性 的 现场总线标准中并没有提出这样的要求 因此 在整个网段设计中要保持接线极性 如果区分极性的现场总线设备极性接错 该设备就可能导致现场总线短路或者根本不能工作 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 布线设计 干线布线A型电缆或标准的模拟量多线对电缆都可用于干线 干线使用多线对电缆还是单线对电缆取决于现场接线盒中所包含的段数 一般情况下 如果在接线盒中有多个现场总线段 那么干线电缆就采用多线对电缆 为了便于识别 建议选择橙色护套的现场总线电缆 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 布线设计 接线端子现场总线所采用的接线端子 如现场接线盒 中间端子箱等 通常是基于该段的接线方式 电缆类型和拓扑结构所决定的 现场总线接线盒可以使用通用的接线端子 如Weidmuller Phoenix Entrelec等 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 布线设计 现场总线设备布线技术如果现场总线段是I类1分区的本质安全设计 I类2分区的非易燃电路设计 或者在一般分区内 那么用户可以考虑使用设备连接器 连接器可以大大减少总线短路的机会 便于维修 便于接入和拆除现场总线设备 可以减少潜在的不正确接线 可以在不影响该段其他设备运行的前提下断开某一设备 减少了安装时间和成本 易于在该段中增加新设备等 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 布线设计 屏蔽每个支线屏蔽层要与干线屏蔽层连接 干线屏蔽层一点接地 通常在H1接口卡一侧的 屏蔽总线汇流排 上接地 如果一个现场接线盒中连接了多个干线电缆 不要把不同段的电缆屏蔽线连接在一起 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 非设备部件的选择 现场总线电源如果用一个普通电源为现场总线供电 电源设法保持电压恒定 因此会吸收电缆上的信号 为了在现场总线上应用 必须对普通的电源加以改进 在电源和现场总线之间安装一个电感就可以实现 电感让直流电流通过导线 同时又可以防止信号被电源吸收 在实际应用中 不使用真正的电感器 而是采用电子电感器 这种电子电感电路的优点是 如果电缆短路 它可以限制总线段的电流 现场总线的工程设计 现场总线网段设计 非设备部件的选择 终端器当一个信号在电缆中传输 如果遇到中断 例如开路或路 信号就会发生反射 在中断处反射的那部分信号 以相反的方向传输 反射是一种干扰信号的噪声 终端器是用来防止在现场总线电缆的两端产生反射的设备 现场总线终端器由一个1 F的电容和一个100 的电阻串联组成 每一个现场总线段必须有两个终端器 两个终端器之间的连线称为干线 现场总线的工程设计 电源系统设计 现场总线控制系统所采用的一线多点式的连接方式使得多个现场总线设备通过单一线路共享同一电源 另外 为了避免总线上传输的数字信号通过电源而短路 需要在总线电源和现场设备之间装设电源阻抗器 这样就导致了每个现场总线设备所需要的供电电流在流过现场总线和电源阻抗器时要产生电压降 最终可能会引起处于总线末端的现场设备供电电压不足 因而不能正常工作 现场总线的工程设计 电源系统设计 电源系统设计的目的就是要在给定的设计条件下 例如 网络的拓扑结构 连接的现场设备数 每个现场设备的耗电量 干线和支线的长度等 来核算现场总线电源系统的技术指标是否满足要求 以及选择所需要的电源设备 现场总线的工程设计 接地与防雷系统设计 一个仪表与控制系统工程项目能否成功 与系统的接地具有直接的关系 接地不良经常是信号质量下降和故障的重要原因 在工业环境中存在着大量的噪声源 例如 高压电机 变频调速器 电焊机 感应炉等等 一般 这些电子噪声的电平要比数字通信所采用的电平 一般不超过1 2V峰峰值 高得多 设计接地系统的目的就是要将这些干扰信号疏导至地 使之不对有用信号产生影响 现场总线的工程设计 接地与防雷系统设计 基金会现场总线规范要求传输线的屏蔽是在主机一侧一点直接接地 接地方式 现场总线的工程设计 接地与防雷系统设计 由于现场总线上传输的是低电平的数字信号 他们与其相关的微处理器等电子线路很容易遭受浪涌信号的冲击而损坏 例如 雷电可能产生数百kV的高压 现场总线系统最常见的保护范围是段 因为段的破坏会导致大量的控制或检测信号丢失 一般来说 当干线电缆的水平敷设距离超过50m 垂直距离超过10m 传感器或变送器位于塔 杆 烟囱或管道上 都应考虑浪涌保护问题 防雷系统 现场总线的工程实施 现场仪表安装 要把一个现场总线设备在线连接到现场总线上的时候 应按照以下步骤进行 1 在工作室将现场总线设备与带有系统组态软件的计算机单独连接在一起 2 为该现场总线设备分配一个标签 3 将该现场总线设备拆下并带到现场 4 将该现场总线设备连接到正在工作的现场总线上 5 把组态下载到该现场总线设备上 现场总线的工程实施 现场总线接线 最初确认电缆完整性时 不建议在安装前测量现场总线电缆盘 经验表明新装电缆很少有问题 安装后再检验电缆 工作效率会更高 电缆安装步骤 1 安装主干线电缆 2 在主干线电缆的两端安装终端器 3 安装主干电缆上的所有分支线 4 进行电缆阻抗和接地测试 5 连接主干电缆的供电电源 功率调节器 接地和H1接口 现场总线的工程实施 现场总线接线 最初确认电缆完整性时 不建议在安装前测量现场总线电缆盘 经验表明新装电缆很少有问题 安装后再检验电缆 工作效率会更高 电缆安装步骤 6 执行基金会现场总线网络 网段测试程序 7 测试完网络接线系统后 可以连上设备并调试回路 现场总线的工程实施 现场接线盒 建议所有主干和分支都在现场接线盒中连接 包括不带分支的直通式主干线对 采用基金会现场总线网络专用的 接线端子 为终端 另一种连接方式是不带接线盒的防风雨的 模块 它采用工厂定制的插拔接头 现场总线的工程实施 控制系统 主机系统 采用标准产品系统应采用生产商提供的标准硬件 系统软件和固件 备用容量和扩展所有组件进行系统配置时 每个系统至少要预留10 的备用容量 互操作测试所有主系统都应通过主机互操性测试 现场总线的工程实施 控制系统 主机系统 对基金会现场总线功能的支持主系统应能与基金会现场总线的主要性能实现集成 组态工具主机应提供在线和离线组态的工具 冗余和稳定性由于过程要求高可靠性 为避免过程停产 主机系统应具备足够的稳定性来处理失效冗余组件的无扰动切换 现场总线的工程实施 控制系统 软件组态 控制系统图形所有对控制系统图形的修改和重构都必须遵循最终用户主系统图形的现有标准 节点地址分配每个基金会现场总线节点必须拥有唯一的节点地址 现场总线的工程实施 控制系统 软件组态 命名惯例设备位号命名惯例 每个基金会现场总线设备必须拥有唯一的物理设备位号 都有32字节的唯一标识符 控制策略 模块命名惯例各现场总线控制策略或模块以P ID上标出的方式进行命名 用于运行员接口的主回路功能块 AI或PID 将采用相同的模块名 现场总线的工程实施 控制系统 软件组态 命名惯例基金会现场总线块的命名惯例 每个现场总线设备都包括多个块 这些块用于描述并包含设备本身 其他设备的相关信息 每个块应包括后缀 它提供所定义功能或块类型的相关信息 控制功能本地化控制包含在软件实体中 控制块可在现场设备或主控制器中执行 现场总线的工程实施 控制系统 软件组态 组态选项和缺省值所有FF项目都应制定控制策略的说明文档 控制系统应提供具体主系统的设置 组态策略 设备和资产管理软件的组态选项和缺省值 报警和警事现场总线包括15个报警优先级 它们必须映射到主系统中 警事 是 报警 和 事件 的统称 报警有发生和清除 而事件只有发生 现场总线的工程实施 控制系统 软件组态 网络通信和调度链路活动调度器 每个网络都应组态成自动故障切换方式 以便主LAS发生故障时 切换到备用LAS 网络 网段执行时间 网络 网段的宏周期应与模块执行时间相匹配 宏周期 宏周期至少要预留50 的非调度 空闲异步 时间 现场总线的工程实施 控制系统 软件组态 网络通信和调度网络 网段调度 网络 网段每添加一个新的点 块时 必须对网络 网段进行调度和链接 各周期内必须预留足够的非调度时间以传送非周期 维护和组态 信息 数据导入和导出主机组态工具和数据库应具备所有功能块和模块数据的导入 导出功能 现场总线的工程实施 控制系统 软件组态 运行员显示基金会现场总线可以提供大量信息 从工程工具上可以显示和组态所有的过程 设备和网络信息 但是 为便于运行员对过程进行监督 运行员只需访问其中的部分信息 过多的信息只会造成运行员显示混乱并引起紊乱 现场总线的工程实施 环境条件 室内安装 室内空调环境中