第16章 现场总线控制系统的工程实施
《现场总线控制系统》课件
智能建筑环境监控系统
总结词
智能建筑环境监控系统是利用现场总线 技术实现对建筑内部环境参数的实时监 测和控制的系统，以提高建筑能源利用 效率和居住舒适度。
VS
详细描述
在智能建筑环境监控系统中，现场总线技 术被用于连接各类传感器和执行器，实现 环境参数的实时监测和控制。通过现场总 线控制系统，可以实现对建筑内的温度、 湿度、光照、空气质量等参数的自动调节 ，提高居住舒适度和建筑能源利用效率。
系统安全与隐私保护问题
总结词
随着现场总线控制系统的广泛应用，系统的 安全和隐私保护问题将越来越重要。
详细描述
现场总线控制系统涉及到大量的工业数据和 敏感信息，因此系统的安全性和隐私保护能 力至关重要。未来需要加强系统的安全防护 ，采用更加先进的数据加密、身份验证等技
术，确保系统的安全稳定运行。
标准化与互操作性问题
THANKS
02
现场总线控制系统的组成
现场总线设备
传感器和执行器
用于采集和执行控制动作，是系统的基本单元。
网关和路由器
用于连接不同总线类型，实现数据转换和路由。
控制系统
基于现场总线技术的控制系统，如PLC、DCS等。
通信协议
协议标准
如PROFIBUS、Modbus等，定义了通信规 则、数据格式和传输方式。
06
现场总线控制系统的未来发
展与挑战
新技术与新标准的出现
总结词
随着科技的不断进步，现场总线控制系统将迎来更多新的技 术和标准。
详细描述
随着物联网、人工智能等技术的快速发展，现场总线控制系 统将与这些技术深度融合，形成更加智能、高效的控制系统 。同时，新的标准也将不断涌现，为系统的发展提供更加规 范和完善的指导。
现场总线控制系统设计方案
现场总线控制系统设计方案1．现场总线控制系统的组成与认识一、系统简介THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置是基于PROFIBUS和工业以太网通信协议，在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代现场总线控制系统。
整个实验装置分为控制系统和控制对象两部分，控制系统结构图如图1-1所示：图1-1 控制系统结构图控制对象总貌图如图1-2所示。
二、系统组成实验装置对象主要由网孔板、不锈钢储水箱、有机玻璃水箱、电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、纯滞后盘管等组成。
在实验屏的下面布置有储水箱和两套供水系统。
两路独立的供水系统（主副回路），分别由两只独立的水泵驱动供水，主回路采用现场总线仪表，副回路采用常规仪表。
主要包括磁力泵、电动调节阀、气动调节阀、电磁流量计、涡轮流量计、压力变送器、液位变送器、差压变送器、温度传感器等。
管路系统采用快速连接管道，可以自由拆装组合，管路中设置了电磁阀，可以实现手自动切换。
在调节阀的旁路设计有旁路阀。
图1-2 控制对象总貌图1.被控对象（1）水箱包括大容积的不锈钢储水箱1套、有机玻璃工作水箱4只，容积大于40升。
有机玻璃工作水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于直接观察液位的变化和记录结果。
储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。
除此之外，储水箱还设计了液位报警保护系统，以免水泵空转而影响水泵的使用寿命。
(2) 加温锅炉及盘管不锈钢加温锅炉，包括加热层（加温内筒）和冷却层（冷却夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。
模拟工业现场的管道输送和滞后环节的纯滞后盘管，为了确保大滞后时间常数，设计长度达20多米，管径为15mm。
2.检测装置压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通信协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。
现场总线控制系统的概念(FCS)概要
一、现场总线控制系统的概念（FCS）现场总线控制是工业设备自动化控制的一种计算机局域网络。
它是依靠具有检测、控制、通信能力的微处理芯片，数字化仪表（设备）在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分散的测量，控制设备单个点作为网络节点，将这些点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统。
它是属于最底层的网络系统，是网络集成式全分布控制系统，它将原来集散型的DCS系统现场控制机的功能，全部分散在各个网络节点处。
为此，可以将原来封闭、专用的系统变成开放、标准的系统。
使得不同制造商的产品可以互连，是DCS系统的更新换代，大大简化系统结构，降低成本，更好满足了实事性要求，提高了系统运行的可靠性。
不同通信协议的现场总线控制系统一般通过工业PC机内总线插槽的PC接口板与现场总线网段连接。
图中所示为具有PC1接口卡的现场总线系统，每个接口板可带4条总线网段，为了系统可靠安全，冗余设置了两台相同的PC机。
图中PLC为用于联锁系统开关量控制的程序控制器。
二、现场总线控制系统的组成现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成，而通信部分的硬、软件是它最有特色的部分。
1、现场总线控制系统：它的软件是系统的重要组成部分，控制系统的软件有组态软件、维护软件、仿真软件、设备软件和监控软件等。
首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件MMI。
通过组态软件，完成功能块之间的连接，选定功能块参数，进行网络组态。
在网络运行过程中对系统实时采集数据、进行数据处理、计算。
优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。
2、现场总线的测量系统：其特点为多变量高性能的测量，使测量仪表具有计算能力等更多功能，由于采用数字信号，具有高分辨率，准确性高、抗干扰、抗畸变能力强，同时还具有仪表设备的状态信息，可以对处理过程进行调整。
3、设备管理系统：可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息（包括智能仪表）、厂商提供的设备制造信息。
自动化选择题附答案
第一章：●1. 智能建筑具有某种“拟人智能”特性及功能。
主要表现在：（1）具有感知、处理、传递所需信号或信息的能力（2）对收集的信息具有综合分析、判断和决策的能力（3）具有发出指令并提供动作响应的能力。
●2.智能建筑的核心技术：现代计算机技术（Computer）、现代控制技术(Control) 、现代通信技术(Communication) 、现代图形显示技术(CRT)。
3.智能建筑的功能：（1）舒适功能（2）安全功能（3）便捷功能。
●4.建筑智能化系统主要由：建筑管理系统BMS、信息网络系统INS、通信网络系统CNS。
5.建筑设备自动化系统BAS定义：将建筑物或建筑群内的电力、照明、空调、电梯、给排水以集中监视、控制和管理为目的而构成的综合系统。
6.建筑管理系统BMS包括：建筑设备自动化系统BAS、安全防范系统SAS、火灾自动报警与消防联动系统FAS。
7.综合布线系统GCS是建筑物或建筑群内部之间的传输网络。
它能使建筑物或建筑群内部的（语音、数据通信设备、信息交换设备、建筑物物业管理）及建筑物自动化管理设备等系统之间等彼此相联，也能使建筑物内通信网络设备与外部的通信网络相联。
8.通信网络系统包括通信系统、计算机网络、接入系统三大部分，是以数字程控交换机PABX和网络中央集控器为核心，通过网络布线将相关的设备和介质组成一体化的系统，并连接（无线通信系统、卫星通信系统）、有线广播系统、电视会议系统、Internet系统、多媒体通信等，通信网络系统也经常称为通信自动化系统CAS。
9. 建筑设备自动化系统的功能：（1）设备监控与管理（2）节能控制。
10. BMS的自动监视指对建筑物中的配电设备、空调、卫生、动力设备，火灾及安全防范设备，照明设备，应急广播设备，电梯设备等进行监视、测量、记录等。
其自动监视内容如下：（1）状态监视（2）故障、异常监视（3）火灾监视（4）暖通空调系统的监视。
●11.BAS的自动控制包括（建筑设备的起停控制、设定值控制、设备（或系统）的节能控制）和机械防排烟控制等。
现场总线控制系统
现场总线控制系统综述前言：现场总线技术产生于80 年代初期, 由于它适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化的发展方向, 所以一经产生便成为全球工业自动化技术的热点, 被称为是21 世纪数字过程控制仪表新语言的代表, 受到全世界的普遍关注。
它的出现同时导致了新一代控制系统即现场总线控制系统(FCS) 的诞生。
现场总线控制系统将操作站、现场智能仪表以及其它信息资源作为工厂网络中的节点, 非控制信息(管理信息) 大大增加, 从而从过程控制走向了过程管理, 提高了生产效率和产品质量。
因此现场总线控制系统必将成为21 世纪自动化控制系统的主流。
过程控制技术的发展历史：当过程控制技术由分立设备向共享设备发展、自动化技术由模拟仪表向智能仪表发展、计算机网络技术向现场延伸时, 过程控制技术(从控制手段来分) 同时经历了5 个发展阶段, 即人工控制阶段; 模拟仪表控制系统阶段(50 年代开始) ; 计算机集中监督控制系统阶段(60 年代开始) ; 分散控制系统(DCS) 阶段(70 年代开始) ; 现场总线控制系统(FCS) 阶段(90 年代开始)。
(1) 第一代过程控制体系为基地式气动控制仪表系统, 开始于50 多年以前。
传输信号为5～30 p si 的气动信号。
由于它以压缩空气作为动力,简单的就地操作模式, 所以主要用于实现大型阀门的开启和关闭控制。
这时控制理论初步形成, 还(2) 第二代过程控制体系为电动单元组合式模拟仪表控制系统, 它是基于0～ 10mA 或4～ 20mA 的电流模拟信号, 这是一个明显的进步。
这种控制系统在以后的25 年内牢牢地统治了整个自动控制领域。
(3) 第三代过程控制体系即集中式数字控制系统, 它被称为是自动控制领域的一次革命。
70年代开始的数字计算机应用, 产生了巨大的技术优势, 人们在测量、模拟和逻辑控制领域中率先使用, 促进了第三代过程控制系统(CCS, Compu terCon t ro l System ) 的产生。
现场总线技术及控制系统
现场总线授杀及縫制系、◊宀ODocument number : PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998现场总线技术及控制系统摘要：文章介绍了现场总线的概念，回顾了其产生及发展历程，分析了现场总线控制系统相对于集散控制系统的特点和优点。
针对当前流行的几种现场总线，简要介绍了各自的技术特色，指出控制系统的开放互连是发展的必然。
关键词：现场总线，集散控制系统，分布式控制，FCS, DCS,开放式互连系统一、刖吞七十年代以前，控制系统中采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递，其精度差、受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都很差。
七十年代末，随着大规模集成电路的出现，微处理器技术得到很大发展。
微处理器功能强、体积小、可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系统，控制效果得到提高；但是尽管如此，还是属于集中式控制系统。
随着过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展，控制领域又发生了一次技术变革。
这次变革使传统的控制系统(如集散控制系统)无论在结构上还是在性能上都发生了巨大的飞跃，这次变革的基础就是现场总线技术的产生。
现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络，它也被称为现场底层设备控制网络(INFRANET)。
80年代以来，各种现场总线技术开始出现，人们要求对传统的模拟仪表和控制系统变革的呼声也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。
美国仪表协会(ISA)于1984年开始制订现场总线标准，在欧洲有德国的PROFIBUS和法国的FIP等，各种现场总线标准陆续形成。
其中主要的有：基金会现场总线FF (Foundation Fieldbus)、控制局域网络CAN (Controller Area Network)、局部操作网络Lon Works (Local Operating Network)、过程现场总线PROFIBUS (Process Field Bus)和HART 协议(Highway Addressable Remote Transducer)等。
现场总线控制系统的布线和安装现场总线
现场总线把握系统的布线和安装 - 现场总线现场总线把握系统的布线和安装主要从以下几个方面着手：（1）用现场总线现场总线把握系统替换原有的模拟仪表把握系统，用现场总线把握系统替代原有模拟的4~20mA仪表把握系统的工程项目是很少的。
布线和替换的方法如下：把握室内的模拟卡件用现场总线的H1卡替代；?现场安装的模拟仪表用合适的现场总线仪表替代；?接受原有的接线；?添加24V直流电源及电源调整器，以满足所需线路阻抗要求；?添加终端器；?完成新建系统的组态；实施替代时应留意线路长度的约束，线路阻抗的匹配，线路电压降的分布等，当模拟仪表的数量较多时，宜将原有仪表分为两组或多组，接受多个现场总线网段，可直接用中继器或直接连接到H1卡不同的接口。
此外，对线路的屏蔽和接地也应检查。
（2）网段扩展时的布线和安装。
原有现场总线网段需要添加新的现场总线设备时，可依据添加线路的长度确定是否用中继器。
当添加的线路总长度小于允许的长度时可直接添加，否则可添加中继器来扩展网段长度。
需要留意，添加的中继器作为现场总线网段的一个现场总线设备。
此外，必需在添加的网段上安装两个终端器。
为满足终端器安装在网段末端的条件，在原有网段的末端进行扩展网段时，应将终端器移到扩展网段的末端。
假如把握网段从原有网段中间分支引出，除了适应原有接线盒或在分支点安装接线盒或集线器外，假如该扩展的分支网段线路长度较长时，应作为主干处理，将原有线路作为分支；假如线路长度较短，可作为分支处理，实施时应满足分支线路长度和分支上挂接现场总线设备台数的约束。
同样，当作为主干时，应将终端器移到该线路的末端。
网段的扩展会影响线路的电压降，因此，应重新计算各现场总线涉笔供电电压是否满足≥9VDC的要求。
有时，只需要增加一台或几台现场总线设备，为不影响整个网段的工作，宜从就近的接线盒处挂接新添加的设备，并应核对供电电源和信号传输的效果。
对分支线路有多个现场总线设备及分支线长度较长的状况，可接受主干线折返准则接线。
现场总线控制系统
现场总线技术与现场总线控制系统现场总线，是指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的开放式、数字化、串行和多点通信的数据总线。
作为连接生产现场的仪表、控制器等自动化装置的通信网络，现场总线是20世纪90年代国际上兴起的新一代全分布式控制系统的核心技术。
它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。
采用现场总线技术可以促进现场仪表智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合现代工业控制系统领域的技术发展趋势。
以现场总线为基础的全数字控制系统将现有的模拟信号电缆用高容量的现场总线网络代替，从而大大减轻现场信号电缆连接的费用和工作量，提高信号的传输效率。
实际上现场总线控制系统就是以现场总线技术为核心，以基于现场总线的智能I/O或智能传感器、智能仪表为控制主体、以计算机为监控指挥中心的系统编程、组态、维护、监控等功能为一体的工作平台。
现场总线的基础——智能现场装置现场装置包括多类工业产品，它们是流量、压力、温度、振动、转速等或其他各种过程量的转换器或变送器以及各类传感器。
数值通信是一种有力的工具，一个相互可操作的现场总线产生一种巨大的推动力量，加速了现场装置与控制室仪表的变革，现场装置智能化的趋势越来越明显。
同时我们也看到，正是由于现场装置智能化的进展与完善，它已成为现场总线控制系统有力的硬件支撑，是现场总线控制系统的基础。
多功能智能化现场装置中，信号检测系统是一项重要组成部分。
其目的就是从生产现场获取有用信息并将其转化为电信号，并经信号调理电路进行数字化处理等输出。
一个广义的检测系统一般由激励装置、测试装置、数据处理与记录装置所组成（如图1）。
图1 检测系统原理图（1）激励信号激励信号由激励装置产生，采用激励装置是为了使被测对象处于预定状态下，并将其有关方面的内在联系充分显示出来，以便于有效的测量。
当测试工作所希望获取的信息并没有直接载于可检测的信号中时，就需要激励被测对象，使其既能表示相关信息又便于检测。
现场总线课程设计(完整)
河南机电高等专科学校《现场总线技术综合实训》课程报告专业班级：计算机控制技术102班姓名：崔建彪学号： 101413233成绩：指导老师：张士磊2012年12月28日目录一、引言 (2)二、系统总体方案设计 (3)2.1 系统硬件配置及组成原理 (3)2.2本系统所用类似的三层架构模拟图 (4)2.3 EtherNet/IP网络配置与通信验证过程 (5)三、控制系统设计 (15)3.1 EtherNet_IP通信配置流程图设计 (15)3.2 EtherNet_IP通信配置设计思路 (16)四、上位监控系统设计 (16)4.1 PLC与上位监控软件通讯 (16)4.2 实现的效果 (17)五、系统调试及结果分析 (17)5.1 通过本次通信验证所解决的问题 (17)5.2 结果分析 (17)六、结束语 (18)七、参考文献 (19)一、引言20世纪90年代以后随着现场总线控制技术的逐渐成熟，智能化与功能自治性的现场设备的广泛应用，嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器等方便地接入了现场总线。
控制专家们纷纷预言：FCS将成为21世纪控制系统的主流。
然而在控制界对FCS进行概念炒作的时候，却注意到它的发展在某些方面的不协调，其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一：8种现场总线经过14年的纷争，最后IEC的现场总线标准化组织经投票，通过以下这8种现场总线成为IEC61158现场总线标准，即：FF H1，Control Net，ProfiBus，InterBus，P．Net，World FIP，Swift Net，FF之高速EtherNet即HSE。
此外，FCS的传输速率也不尽人意，以基金会现场总线(FF)正在制定的国际标准为例，它采用了ISO的参考模型中的3层(物理层、数据链路层和应用层)和极具特色的用户层，其低速总线H1的传输速度为31．25kbps，高速总线H2的传输速度为1 Mbps或2．5Mbps，这在有些场合下仍无法满足实时控制的要求。
《现场总线控制系统》课件
结论
1 现场总线控制系统是未来工业化发展的趋势，具有广阔的应用前景。 2 它在工业控制、农业自动化和环境监测等领域发挥着重要作用。
特点
现场总线控制系统具有实时性好、稳定性高、故障诊断方便等特点，可实现高效的工业控制。
应用领域
现场总线控制系统广泛应用于工业控制、农业自动化和环境监测等领域，推动着工业化的发 展。
现场总线控制系统的体系结构
总线结构
现场总线控制系统 通过总线结构将控 制器和仪器设备连 接在一起，实现数 据交互和控制指令 下达。
数据传输
2
集仪器设备的数据，包括温度、压力 等。
采集到的数据通过总线结构传输到控
制器，确保数据的实时性和准确性。
3
控制指令下达
控制器根据采集到的数据进行逻辑判
断，并下达相应的控制指令，控制仪
故障处理
4
器设备的运行。
现场总线控制系统能够及时诊断和处 理发生的故障，确保系统稳定运行。
现场总线控制系统的优势和不足
现场总线控制系统在未来的发展
1 无线化
2 分布式控制
随着无线通信技术的发 展，现场总线控制系统 将向无线化方向发展， 提高灵活性和可扩展性。
分布式控制是现场总线 控制系统未来的趋势， 将更多的控制功能分散 到仪器设备中。
3 大数据分析
现场总线控制系统将借 助大数据技术，对大量 的数据进行分析和处理， 提供更智能化的控制策 略。
《现场总线控制系统》 PPT课件
现场总线控制系统是未来工业化发展的趋势，它是一种用于自动化控制和数 据传输的先进技术。本课件将介绍现场总线控制系统的定义、特点、应用领 域以及其优势和不足。
什么是现场总线控制系统？
定义
现场总线控制系统
FF总线
ห้องสมุดไป่ตู้
FF总线
基金会现场总线
按照基金会总线组织的定义，FF总线是一种全数字、串行、双向传输的通信系统，是一种能连接现场各种现 场仪表的信号传输系统，其最根本的特点是专门针对工业过程自动化而开发的，在满足要求苛刻的使用环境、本 质安全、总线供电等方面都有完善的措施。为此，有人称FF总线为专门为过程控制设计的现场总线。
现场总线控制系统
分布控制系统(DCS)的更新换代产品
目录
01 系统定义
03 国际标准化
02 技术特征 04 FF总线
基本信息
现场总线控制系统（Fieldbus Control System,FCS）是分布控制系统(DCS)的更新换代产品，并且已经成 为工业生产过程自动化领域中一个新的热点。现场总线技术是20世纪90年代兴起的一种先进的工业控制技术，它 将现今络通信与管理的观念引入工业控制领域。从本质上说，它是一种数字通信协议，是连按智能现场设备和自 动化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构的通信络。它是控制技术、仪表工业技术和计算机络技术三 者的结合，具有现场通信络、现场设备互连、互操作性、分散的功能块、通信线供电和开放式互连络等技术特点。 这些特点不仅保证了它完全可以适应工业界对数字通信和自动控制的需求，而且使它与Internet互连构成不同层 次的复杂络成为可能，代表了今后工业控制体系结构发展的一种方向。
谢谢观看
随着现场总线技术与智能仪表管控一体化(仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录)的发展，这种开放型的 工厂底层控制络构造了新一代的络集成式全分布计算机控制系统，即现场总线控制系统(简称FCS)。FCS作为新一 代控制系统，采用了基于开放式、标准化的通信技术，突破了DCS采用专用通信络的局限；同时还进一步变革了 DCS中“集散”系统结构，形成了全分布式系统架构，把控制功能彻底下放到现场。
工程教育中的《现场总线控制系统》教学实践和体会
工程教育中的《现场总线控制系统》教学实践和体会工程教育一直以来都注重理论与实践相结合的教学模式。
在现代工程技术领域中，现场总线控制系统作为一种重要的通信技术，广泛应用于各种工业自动化和智能化领域。
本文将介绍在工程教育中，我们如何运用《现场总线控制系统》进行教学实践，并分享一些我们的体会。
一、实践背景和意义现场总线控制系统是现代工程技术领域的重要组成部分，广泛应用于工业自动化和智能化领域。
学生通过学习和实践，能够深入了解现场总线控制系统的原理、结构和应用，提高工程实践能力和解决实际问题的能力。
二、实践过程1. 硬件搭建和连接在实践中，我们首先需要搭建适合的硬件环境，包括计算机、PLC控制器、传感器等设备，并进行正确的连接。
这一步骤需要学生们仔细操作，确保每个设备都可以正常运行。
2. 现场总线控制系统编程在硬件搭建完成后，学生们需要学习现场总线控制系统的编程语言。
通过编写代码，实现传感器和控制器之间的数据交换和通信。
这一步骤对于学生们来说是一个具有挑战性的任务，需要他们掌握编程技巧和对系统原理的深入理解。
3. 系统调试和测试在编程完成后，学生们需要对整个系统进行调试和测试。
他们需要确保传感器能够正确读取数据并传输给控制器，控制器能够根据预定的逻辑进行相应的处理和输出。
这一步骤需要耐心和细心，排查并解决可能出现的问题。
4. 实际应用案例除了基本的编程和调试之外，我们还将现场总线控制系统应用于实际的工程案例中。
学生们需要了解并模拟真实的工程场景，通过应用现场总线控制系统进行实际的控制和监测。
这样的实践能够帮助学生们将理论知识更好地应用于实际问题解决中。
三、实践体会和收获通过《现场总线控制系统》的教学实践，学生们获得了许多宝贵的经验和知识。
首先，他们掌握了现场总线控制系统的原理和应用，提高了自己的专业素养和实际操作能力。
其次，实践过程中的团队合作和沟通也让学生们学会了与他人合作、相互配合的能力。
最重要的是，学生们通过实践理解了理论知识的实际应用，提高了解决实际问题的能力和创新思维。
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图7 屏蔽接地的方法
• 现场总线所使用的曼彻斯特信号的双极性信号，每 个位改变一次或两次极性。在非总线供电的网络中， 只存在这种交变电压，但在总线供电网络中，信号 电压是叠加在给设备供电的直流电压之上的。无论 是哪一种情况，现场总线关心的只是交变电压，正 负跳变的电压代表完全不同的意义。所以，现场总 线信号是有极性的。如果现场总线设备接反，则不 能通信。 • 也有一些现场总线设备是不分极性的。确切地说， 这些设备能够自动识别极性，这类设备都是由总线 供电的。当设备连接到网络上的时候，设备内部的 极性识别电路，会自动检测极性，并将正确的信号 极性引导到内部的接收电路上。
当电缆总长度或支线长度超出了限制条件时，应考虑改变网络的拓 扑结构，更换电缆型号，缩短电缆的敷设路径，或者采用中继器。
16.4 屏蔽、接地与极性
• 前述四种现场总线可用的通信介质，其中C型 无屏蔽，应敷设在金属导管中，金属导管自身 起屏蔽作用，不需考虑屏蔽的连接问题。其他 三种需考虑屏蔽的连接问题。 • 当使用屏蔽电缆时，要将各支线的屏蔽与干线 的屏蔽连接在一起，最后集中于一点进行接地。 • 依据低速现场总线标准，整条电缆上只允许一 点接地，接地线不能作为电源线使用。 • 图7所示为屏蔽接地的方法。 •
16.5 本质安全
• 本质安全技术是在易燃易爆环境下使用电气设备时保证 安全的一种方法。它的基本思想是限制危险场所电气设 备中的能量，使其在任何故障状态下所产生的电火花或 发热量不足以点燃易燃易爆物质。因此，对于本质安全 系统的设备、电源和导线都要提出一些苛刻的要求。特 别是对以下参数的限定：
– – – – – 电压 电流 功率 电容 电感
• 对于非本质安全系统一条现场总线上一般可连接16~32 台现场总线设备，但对于本质安全系统，由每一个安全 栅引出的现场总线却只能安装4台现场总线设备。它的 安装见图8
图8 本质安全系统
• 另外，现场总线基金会还对本安电流隔离器制 定了相应的技术规范。本安电流隔离器采用了 变压器或光电隔离技术，因此，它的显著优点 是危险场所的电路与地完全隔离，增加了抗干 扰能力。同时，隔离器中使用有源电路，使其 在信号频率范围内具有较小的有效阻抗。 • 在设计和安装本质安全系统时应注意：安全栅 和隔离器一般是不允许安装在危险场所的：位 于危险场所的终端器必须是本质安全的；对于 电缆的电气性能，如，电容、电感以及电感电 阻比都有一定的要求。可参考有关的技术规范。
• 装置数量选择的一般性原则： • (1)非总线供电的设备每条现场总线可挂32 个； • (2)总线供电的设备每条现场可挂12个外加 一个总线接口； • (3)在本质安全区中，每个安全栅挂4个现场 总线设备； • (4)如果使用中继器，理论上可挂224个设备
二、电源阻抗器
• 电源阻抗器接在现场总线与电源之间，防 止电源将现场总线上的信号短路。电源阻 抗器还可调整电源电压，实现主电源与后 备电源之间的自动无扰切换。
图6 电缆总长度的计算
由表1知，若电缆总长度为480m，只能选择A型或B型电缆。因此， 在改造项目中已有的电缆并不是在各种情况下都可用的。 有时可能会需要混合使用不同类型的电缆，这种情况下可用下式 来判断是否符合要求：
Ln L1 L2 1 L1max L2max Ln max
式中，L1，L2，…，Ln为每种电缆实际使用长度； L1max，L2max, …，Lnmax为每种电缆所允许的最大长度。 如一现场总线网络中，共使用A型电缆1000m，B型电缆100m， 试判断是否符合要求。 已知L1=1000m，L2=100m 查表知L1max =1900m，L2max =1200m
四、电缆
• 有许多种类型的电缆电缆，但一般推荐使 用屏蔽双绞线。电缆的允许长度是与电缆 的类型有关的。表1所列的是IEC/ISA物理层 标准中指定的电缆类型。
表1 电缆类型
• 在各类电缆中，优先推荐A型电缆，因为它的传输性能 最好，允许的传输距离也最远，因此对于新建项目，一 般选择这种类型的电缆。 • 其次推荐选用B型电缆，这是一种多线对双绞线电缆， 而且是全屏蔽的，它的传输特性略差于A型。主要用于 多条现场总线共存于同一区域的情况下。 • C型和D型电缆的传输性能较差，一般不推荐使用。其中 C型是不带屏蔽的双绞线电缆，D型是带屏蔽的非双绞线 电缆。 • C型和D型电缆主要用于改造项目。在这项目中，原有的 电缆已经敷设完毕，现场总线将利用已有的电缆实现数 字通信。但需要 注意的是，C型和D型电缆所允许的传 输距离较小，在许多情况下可能不满足实际工程的需要， 在这种情况下就不得不敷设新的电缆。
16.6 现场总线设备的在线安装与拆 除
• 现场总线正在工作的时候，现场总线设备可以安装到现场总线 上，或由现场总线上拆除。在线拆除现场总线设备时应注意避 免现场总线的两根导线短路、碰屏蔽或接地。通信速度不同的 现场总线设备不能连接在同一路现场总线上。但具有相同通信 速度的供电设备的非总线供电设备可连接在同一路现场总线上。 • 要把一个现场总线设备在线连接到现场总线上时，应按以下步 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。 •
三、终端器
• 终端器是在现场总线传输介质的末端或附近的阻抗 匹配模块。每个现场总线段需2个终端器。分别接 在该段的两端。 • 终端器主要完成两个功能，一是电流/电压转换，因 为通信信号是以电流信号发生发送，以 电压信号接 收的，终端器起到电流/电压信号转换的作用；二是 防止信号反射，通信信号传输到导线的端点时会发 生反射，反射信号会干扰正常信号的传输，终端器 可消除反射信号，提高信息传输的可靠性。 • 在一个现场总线网络中需要2个终端器，但一般将 其中的一个放在电源阻抗器或安全栅之中。
图1 总线型拓扑结构
2、树型拓扑结构
• 树型拓扑结构是由一条干线和连接在干线端点上的 若干条支线所组成的。 • 与总线型拓扑结构相同，在干线的两端装设终端器。 对支线电缆长度的限制将在后面讨论。 • 这种网络拓扑结构如图2所示。
图2 树型拓扑结构
3、菊花链型
• 菊花链型拓扑结构是用电缆把一台设备依次连接到下一台设备， 一直到最后一台设备和终端器为止。这种拓扑结构也可认为是 支线长度为零的总线型拓扑结构。采用这种拓扑结构应注意， 每台设备上的进线和出线应连接在一起，以免脱落时造成链的 中断。 • 这种拓扑结构如图3所示。 •
L1 L2 1000 100 0.61 1 L1max L2max 1900 1200
所以符合要求。
二、支线长度的限制
• 对支线长度的限制除了在电缆总长度限制中，还与连接到 支线上的设备数量有关。 • 表2给出了IEC-1158-2和ISA S50.02-1992推荐的支线长度限 制。 表2 支线长度限制
图3 菊花链型拓扑结构
4、点到点型的拓扑结构
• 当一条现场总线上只连接两个设备时就形成了点到点型的拓扑 结构。例如，一台变送器和一台执行器组成的就地控制，如果 不连接其他设备时，就是这样一情况。由于这种结构没有发挥 出现场总线的优点，因此在实际应用中极少采用这种结构。 • 点到点型的拓扑结构示于图4。
第16章 现场总线控制系统的工 程实施
本章内容
• • • • • • 16.1 概述 16.2 现场总线网络部件 16.3 电缆敷设 16.4 屏蔽、接地与极性 16.5 本质安全 16.6 现场总线设备的在线安装与拆除
16.1 概述
• • • • • • • 一、基本概念 二、现场总线网络的拓扑结构 1、总线型拓扑结构 2、树型拓扑结构 3、菊花链型 4、点到点型的拓扑结构
二、现场总线网络的拓扑结构
• 现场总线拓扑结构中最基本的拓扑结有4 种：– 总线型 – 树型 – 菊花链型 – 点到点型
1、总线型拓扑结构
• 总线型拓扑结构是由一条干线和连接在干线上不同 点的若干支线所组成。干 线的两端设终端器，支线 的长度可以根据需要从1m到120m不等。 • 这种网络的拓扑结构示于图1。 •
一、基本概念
• 一个现场总线控制系统由若干个现场总线 网络所组成。每一个网络又可能被中继器 或安全栅分隔成若干个部分。每一个部分 称为一个网段，每一个网段上可挂接几个 现场总线设备，这些现场总线设备是并联 连接在一起的。在一个网络中，任何两个 设备间最长的电缆路径我们称之为干线， 而连接到干线上的其他各段电缆称之为支 线。
图4 点到点型拓扑结构
图5 混合拓扑结构
16.2 现场总线网络部件
• • • • •
一、电源 二、电源阻抗器 三、终端器 四、电缆
一、电源
• 电源容量要根据每台现场总线设备的耗电量来选择。各 种现场总线设备的耗电量不同，一般为10~20mA.. • 一般将电源接在现场总线接口一侧，当然也可把它接入 干线靠现场的一端。需要注意的是电源要配有电源阻抗 器，以免电源将现场总线上的数字信号短路。一般应使 用专门为现场总线设计的电源。 • 电源电压的选择应满足最坏条件下现场总线设备的供电 电压，这个电压一般为9V,如一个现场总线电源的输出电 压为16v，电缆总长度为1900m,总电阻84Ω，连接到电缆 中端的现场总线设备所允许的最低供电电压为9V。 容 易算出容许的最大压降为7V，最大允许电流为83 mA。 如果每个现场总线设备耗电为15 mA，那么在电缆终端 最多只能接5台现场总线设备，如果要接更多的设备就 必须减少电缆的长度或提高电源电压。
16.3 电缆敷设
• 一、电缆总长度的限制 • 二、支线长度的限制 •
一、电缆总长度的限制
• 电缆总长度是指干线长度和支线长度之和。 • 如图6所示的现场总线由一条干线和三条支 线所组成。其中干线长度240m，支线1、支 线2、支线3的长度分别为80m，120m和 40m，因此电缆总长度为480m。