基金会现场总线的拓扑结构及其布线与安装指导

1、Techniques of Automation & Applications | 111基金会现场总线的拓扑结构及其布线与安装指导李喜东,朱明清,张迁礼,田力(黑龙江省科学院自动化研究所,黑龙江哈尔滨150090摘要:本文总结和阐述了基金会现场总线的网络构成,拓扑结构及其在实际工程应用中安装与布线方面需要的注意事项,并以某半导体工厂中基金会现场总线工程实践为例,为基金会现场总线(FieldbusFoundation,FF网络布线和安装提出了一些指导性建议。关键词:现场总线;基金会总线;网络中图分类号:TP336文献标识码:A文章编号:1003-7241(200907-0111-04A

2、n Introduction to Fieldbus FoundationLI Xi-dong, ZHU Ming-qing, ZHANG Qian-li, TIAN Li( Automation Institute of Heilongjiang Academy, Harbin 150090 China Abstract: This paper introduces the topo structure of the Fieldbus Foundation and the components of the network. An applicationexample is also giv

3、en.Key Words: fieldbus; FF (Fieldbus Foundation; network收稿日期:2009-03-311引言现场总线技术是自动控制领域当前的热门技术和发展方向。基金会现场总线(FieldbusFoundation,FF是符合国际现场总线标准的8种总线之一,广泛应用于流程工业。基金会现场总线是纯数字、串行、双向通讯的系统,其作用是作为工厂/车间仪表和控制设备的局域网(LAN。现场总线是工厂网络层次中最基本一级的数字网络。基金会现场总线被用于过程和制造自动化应用,内置在网络上分布控制应用的功能。2FF 现场总线的拓扑结构基金会现场总线一般会采用以下几种网络拓

4、扑结构,为清楚并简单起见,图中省略了电源和终端器。在实际应用往往会是几种方式的组合,下面详细论述每种拓扑结构的特性1。2.1点对点拓扑结构这类拓扑结构是只有由两台设备的段组成,段可以完全在现场(一台从设备和一台主设备独立运行,如变送器和阀此外不再带其它设备,或者也可以由一台现场设备(变送器连接到一个主系统(作为控制或监视,如图1所示点对点总线联接。简单的点对点(主机和每个总线的一个设备不会 常用,因为它每段只有一个测量或者控制设备, 如同在 传统控制 4-20mA 时那样,同每个具有多个设备的总线 段相比没有优点。 2.2带支线拓扑结构 这类拓扑结构方式,现场总线设备通过一段支线的电缆联接到总

5、线段上。支线的长度可以从1m 到120m,长度小于1m 的支线看作是一个接头,如图2所示,带支线总线联接。图1简单点到点拓扑结构112 | T echniques of Automation & Applications2.3菊花链拓扑结构这种联接方式,在一个段中现场总线电缆从一台设备走到另一台设备,在每个现场设备的端子上互连。使用这种拓扑安装应该使用联接器或一种接线方式,使得一台设备的接线断了不会影响整个段的工作,如图3 所示菊花链联接。 2.4树形拓扑结构 树形拓扑结构就是在一台现场总线段上的设备都 是以独立的双绞线联接到公共的端子盒、端子、仪表板 或 I /O 卡。这种布局可以用

6、于通向主机电缆的一个端上,实际上同一段上的设备是相互分开的,但是一般是 在同一个接线盒的区域内。如图4 所示,树形联接。使 用这种布局方式,必须考虑到支线电缆的最大长度。 3FF 现场总线的安装 一个现场总线段是由一个或多个段组成,每个段一图 2 带支线总线拓扑结构 图 3 菊花链拓扑结构图4树形拓扑结构般包含几个运行设备,需要一个电源(用于总线供电设备,和设在每段末端的专用终端器组成,为了简单起见,这里只讨论只有一个段的现场总线网络。由于基金会现场总线是纯数字协议,现场总线的布线、安装与维护的规则不同于传统的4-20m A 布线。3.1网络建立在安装模拟线对时,通常用两条线把一个信号电压或是

7、电流传送到现场仪表或从现场仪表将信号取回,这个线对中的电压或是电流代表一个过程变量,如图5所示。如果有两条线对的电缆,就可以做成两个现场总线网络。这里的一个网络的定义仅指以31.25kbit/s 速率运行的设备和信号,以31.25kbit/s 速率运行的设备也称为H 1设备。图5和图6表示如何从一个模拟对线改装成一个现场总线网络。在图5表示如何将一个电流回路把现场设备的4-20mA 的模拟信号连接到控制系统,图6表示同样的线对变为现场总线网络,对其仅做的改变是:控制系统的4-20m A 接口被基金会现场总线接口(F F I 所替代, 这种接口可以是一台计算机或是一套P L C 2 。模拟的现场

8、仪表和设备被数字的现场仪表和 设备所替代, 这是数字仪表和设备可以与基金会现场 总线对话;一个终端器加在线对的基金会现场总线接口(FFI 的末端, 另一个终端器加在线对的现场仪表或设备末图 5传统 4-20mA 电流回路图6简单的现场总线网络Techniques of Automation & Applications | 113端,FFI 也可以有一个内置终端,在这种情况下就不用另加终端器。3.2支线支线是越短越好,总支线的长度受到两方面的限制:支线的条数和每条支线上设备的数量。如图7所示,如果只有少数的几条支线,每条支线布线与安装应用的长度可以允许到120m,如果有32条支线,每条

9、支线的长度就应该小于等于1m 或者更短。表1的直线长度数值不是绝对的,它仅仅是用来确定一些仪表和设备的密集度乘以支线长度的量值。3.3总线中继器在需要大大长于1900m 的电缆时,你可以使用中继器。中继器充当了一台现场设备,使用它意味着获得了一个新的开始,可以增加上另一条1900m 的电缆,如图8所示。因为一条新的干线创建出来了,因此我们必须加上更多的终端器。第一条干线有4台设备,其中1台是中继器,第二条干线有2台设备,其中1台也是中继器。任意两个设备之间最多可以使用4台串联的中继器,总 的电缆长度可打9500m。 中继器除了可以用来增加网络长度之外,也可以用于增加设备的数量,使其超过每段32

10、台设备的限制,使用中继器一个网络最多可以增到2 40 台设备。 3.4网络电缆屏蔽 现场总线网络可以使用未带屏蔽的线对,如果这些 导线是放在金属导管中或敷设在金属表面,那么他们有 足够的屏蔽了,不需要进一步再做什么了。然而为了获 得最好的特性, 现场总线电缆应当屏蔽起来, 为此可以表 1 推荐的最大支线电缆长度图8增加中继器的网络使用普通的多芯仪表电缆,这种电缆有一对或多对双绞线,全部金属屏蔽和一条屏蔽线。当使用屏蔽电缆时,必须将各支线的屏蔽与干线的屏蔽连接起来,然后将所有的屏蔽集中一点进行接地。对于大多数网络来说,可以在任何一点接地,然而在一些应用中,为了更好的高频EMI 屏蔽需要多点接地,

11、现场总线为此提供一个rf(无线电频率多点接地,包含有一个从屏蔽到地的小电容。3.5总线信号的极性现场总线使用的曼彻斯特信号是交替电压,每b i t 改变一次或者两次极性。在非供电网络中只存在这种交流电压,在供电网络中交替电压是叠加在给设备供电的直流电压之上的,无论哪种情况,现场总线接收电路仅注意交替电压,正的电压跳变是一个意义,负的电压跳变是一个相反意义,所以,现场总线信号是有极性的,如果现场设备“接反”了,得到的是一个反向的交替电压,也就不能通讯了。要建立一个现场总线网络接受所有可能的设备,必须考虑信号的极性,所有(+端联接在一起,同样,所有(-端必须联接在一起3。使用带颜色的电缆线这样联接

12、很容易。选择不用考虑极性的设备是可能的,但是从一开始进入网络时建立极性可能是安全的,得到的好处是任何设备可以盲目联接。就设备供电来说,总线供电设备也是有极性的,这些设备设计时就考虑到是信号的极性和电源极性相同。联接直流电源的正极到端子的正极自动保证了信号极性的正确。非极性总线供电现场设备可同时接收无论哪种极性的信号和电源。4基金会现场总线的应用实例4.1系统简介在半导体制造过程中要用到大量、高纯的气体,这些气体一般可简单的区分为大宗气体(BulkGases,如GN2、PN2、PO2等使用量较大的气体,和特殊气体(SpecialtyGases,如BCL3、CL2、SICL4、NH3等以钢瓶供应的

13、气体。特气供应系统是半导体厂中危险性最高的一环,只要有任何的疏失都可能造成人员、厂房、设备的严重损失,所以对于特气使用的安全性要求就特别高。通过大量装置于气柜、VMB、Scrubber 、机台、环境之气体探头,利用特气与探头作用,产生电气信号的变化,经过现场总线线路传输到现场总线接114 | T echniques of Automation & Applications口,到达PLC 中进行数据处理,然后发出声光报警,自动或者手动人工关闭紧急切断阀。4.2网络规划整个系统共安装了35个气体探头,其中10个气体探头安装在本质安全区,其它25个气体探头安装非本质安全区,这就很容易的将现场

14、总线网络段订为两个,网络1和网络2。网络1从位于控制室的P L C 出发,通向本质安全区的特殊气体探头,网络2也是从控制室的PLC 出发,通向非本质安全区的腐蚀性气体探头和含氧量检测探头。我们按照总线拓扑的观点来看总的情况,首先先看设备数量:网络1有11台设备,网络2有26台设备(两条网络中的P L C 都要计算在内,两个网络的设备数量都在32台的限制之内。根据最大支线长度表查到,如果有26台设备在一条支线上,我们就得保证每条支线长度小于 1m 或者更短,这在实际应用中很难保证,因此在网络 2上我们增加 1 台中继器,这样就将网络 2的干线分成了两部分:干线1和干线2。因为所有的设备都在一个厂

15、房内的同一层,电缆总长度要远远小于规定的1900m,因此不需要计算。网络简图如图9所示。4.3地线的连接图9典型半导体厂气体报警网络图作者简介:李喜东(1976-,男,工程师,主要从事自动化技术开发和应用工作。设备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,在现场终端组件(主机末端,网络电缆屏蔽线只能以单点方式接地,现场设备中,电缆屏蔽线不得与仪表地线或机壳连接。现场总线电缆的屏蔽,依据标准在整套电缆上只有一点接地,并且不能用作供电电线使用5结束语基金会现场总线是一种全数字的双向通讯系统它将现场设备连接到一

16、个单一的网络上,实现了数据的有效传递和处理4。正确使用基金会现场总线应注意系统的结构类型,节点分布,通信距离和速率的要求,规划好网络类型,同时在选择电缆,信号接地,抗电磁干扰等方面注意严格遵循总线规范。充分发挥基金会现场总线技术的优势可以提高运行质量和运行效益,主要表现在减少停机、提高生产灵活性、降低过程可变性、提高资产利用率、减少维护成本、更符合安全和法规要求。基金会现场总线技术的进步为工业自动化的发展带来了深刻的变革。参考文献:1斯可克,王翁华,伍锦编著.基金会现场总线功能块原理及应用M.北京:化学工业出版社,2003.2阳宪惠主编.现场总线技术及其应用M.北京:清华大学出版社,1999.3基金会现场总线系统工程指南Z.2004.4艾默生过程管理基金会现场总线技术Z.2005.(上接第96页作者简介:万志平(1978-,男,讲师,硕士,研究方向:控制工程与软件