现场总线应用设计的几个问题

收稿日期:2001 11 26;修改稿收到日期:2002 05 05作者简介:张少鹏(1970-),男,辽宁抚顺人,1991年毕业于大连理工大学电子系自控专业,获学士学位,1991年至今在中国石油天然气华东勘察设计研究院从事自控工程设计工作,任工程师,已发表论文1篇。

现场总线应用设计的几个问题张少鹏(中国石油天然气华东勘察设计研究院,山东青岛 266071)摘要:现场总线技术是自控领域的最新发展之一。

它的实施将给过程控制带来极大的好处。

但现场总线技术标准众多,各项技术参数不同于常规,而且设计程序尚无定论,这一切都使现场总线的工程设计成为一个难题。

分几方面介绍了如何进行现场总线的设计,并简要提出了设计程序。

关键词:现场总线;网络;设计中图分类号:T P273 文献标识码:B 文章编号:1007 7324(2002)05 0016 04Some Questions on Design of FieldbusZHANG Shao peng(Huadong Prospecting Design &Research Inst.of CNPC,Qing dao,266071,China)Abstract:Fieldbus technology is one of the latest developm ents in the field of automation.Its application w ill make a great benefit to the process control.But there are a lot of standards on it and the technical parameters are different from normal.How to design w ith fieldbus technology is an open question.This paper introduces how to design with fieldbus technolog y in several aspects and give a brief prog ram for design.Keywords:fieldbus;netw ork;design现场总线技术是20世纪末,在计算机、控制和通讯技术高速发展的基础上,发展起来的。

它以双向串行数字化的通讯技术,取代了现场仪表至控制室间传统的4~20mA 模拟信号传输技术,建立起新一代的全数字、全分散、全开放的现场控制系统。

它已经成为自控领域的一大热点。

对大多数自控专业人员来说,现场总线技术还是一个新课题,如何进行设计更是尚无定论。

因此,有必要对这个问题做一番探讨。

1 选择合适的现场总线当今世界上存在着多种现场总线,国际标准IEC61158中就包括了8个部分:1)IEC61158技术报告(FF H 1是其子集);2)ControlNet 现场总线;3)Profibus 现场总线;4)P Net 现场总线;5)FF H SE 高速以太网;6)Sw iftNet 现场总线;7)WorldFIP 现场总线;8)Interbus 现场总线。

要选择合适的现场总线,就需要我们了解各种现场总线的技术特点和最新发展,以便在应用中扬长避短。

由于各种总线的具体规定较为繁琐,这里限于篇幅不一一列举。

一般来说,基本工业控制可分为连续控制、逻辑控制、采集检测3类,不同的现场总线在这三方面各有擅长。

另外,具体的应用中还会涉及到通讯速度的快慢、传输距离的远近、系统成本的高低、是否需要安全防爆、是否需要总线供电等一系列的问题,我们完全可以根据需要选择适用的技术。

当然,不同的总线也可以集成在同一系统中组合使用。

每个DCS 厂家的最新系统都可以支持几种总线协议。

通过不同的总线接口网卡,DCS 系统可以引入不同总线类型的信号,从而将不同类型的总线集成起来。

需要说明的是,现场总线技术是建立在智能化仪表技术之上的。

要充分发挥现场智能仪表的作用,DCS 生产商就必须开发出功能详尽的智能设备管理软件(也可以是DCS 支持的,由第三方提供的商品软件)。

这一软件将成为考察现场总线系统性能的重要指标。

在各种总线中,总线基金会(Fieldbus Founda tion,简称FF)的现场总线最为完善,会员公司较具代表性,而且是应用最广泛的现场总线之一。

据介绍,FF 已在56个国家中应用了1800套系统,所使工程设计及标准石 油 化 工 自 动 化,2002,5:16AUTOM AT ION IN PETRO CHEM ICAL INDUSTRY用的设备超过4万台[1]。

因此以下的介绍和探讨都将以FF 为主。

并且,由于FF 总线产品中支持光纤传输的较少,所以将仅讨论以双绞线为传输介质的情况。

2 现场总线设计的基础知识2.1 现场总线的拓扑结构现场总线网络可能的拓扑结构如图1所示。

一共有5种 点对点、带支线的总线、菊花链、树形以及混合拓扑结构。

图1 可能的现场总线拓扑结构点对点的拓扑结构:由一个只有两台设备的总线段组成。

它可以完全放在现场(如一台变送器和一台调节阀独立运行,不再带其他设备),或者也可以是一台现场设备(如变送器)连接到监控系统(如DCS)。

带支线的总线拓扑结构:在这种方式中,现场设备通过一段支线电缆接到总线段上。

菊花链拓扑结构:这种布局方式中,在一个段中现场总线电缆从一个设备走到另一个设备,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连接器或一种接线方式,以免一台设备的接线断了影响整个段的工作。

树形拓扑结构:就是在一台现场总线段上设备都是以独立的双绞线连接到公共的接线盒、端子、仪表板或I/O 卡。

混合拓扑结构:设计中最可能出现的就是以上几种拓扑的组合应用,即混合拓扑结构。

不管采用什么方式,都必须遵守所有现场总线段长度的规则。

2.2 FF 现场总线的长度在每段现场总线上,设备之间是以并联的方式接入的。

为了平衡网段每端的阻抗,确保通讯可靠,要在网段干线的末段各设一个终端器。

在这里,现场总线网络的干线是指网络中任何两个设备之间的路径中,最长的那一段。

在一个给定的网段中,总的长度是固定的。

这个总长度是干线长度和所有支线长度之和。

它根据所用电缆类型的不同而不同(详见表1)。

但是,为了有好的阻抗特性,最好使用A 型电缆。

表1 FF 现场总线电缆类型和最大长度类型电缆说明大小尺寸/mm 2最大长度/m A 带屏蔽,绞线#18A WG 0.81900B 多股双绞线带屏蔽#22AW G 0.321200C多股双绞线不带屏蔽#26AW G 0.13400D 多芯,非双绞全屏蔽#16AW G 1.25200支线也有最大长度的限制,它跟支线的条数和每条支线上设备的数量有关(详见表2)。

如果使用中继器,可以得到大于1900m 的现场总线。

每一个中继器都是一台现场设备。

而在任意两台现场设备之间,最多可以使用4台中继器,总长度可达9500m 。

当然,不同类型的两种电缆根据实际需要可以17第5期 张少鹏 现场总线应用设计的几个问题混合使用。

但其长度要由式(1)确定:表2 F F 推荐最大支线长度表(m)总设备每支线1台设备每支线2台设备每支线3台设备每支线4台设备25~32111119~243011115~1860301113~1490603011~12120906030L X /L max x +L Y /L m a x Y <1(1)式中 L X 电缆X 的长度;L Y 电缆Y 的长度;L m ax x 电缆X 单用的最大长度;L m ax Y 电缆Y 单用的最大长度。

2.3 现场总线电源现场总线规范要求网段上配有一个电源,以便为所有非自供电的设备提供电源如图2所示。

如将标准的直流电源直接接到网段上,将会导致网段上设备之间的数字通讯短路。

为了防止这类事情的发生,总线电源必须带有功率调节,并包含特殊的阻抗特性。

图2 带总线电源和终端器的现场总线示意图另外,现场仪表都必须有足够的电压,才能维持运行。

这个电压至少为9V(详见各仪表样本)。

要根据实际的布线和选型,核算每台设备的电压是否满足要求。

核算所需的数据有:每台仪表设备的耗电量和它在网络中的位置;电源在网络中的位置和供电电压;每段电缆的电阻。

知道以上数据后,通过简单的直流电路分析,就可以计算出每台仪表的实际工作电压。

当然,如果经过核算,发现网络的负载太重,仪表得到的电压不能满足需要,这时就需要改变网段的配置。

一般有两种方法,一是减少该网段上的由总线供电的设备,将他们移到别的网段上;二是重新配置电源的位置,使它离仪表更近。

2.4 屏蔽、接地与防爆屏蔽是保证信号传输不受干扰的有效手段。

虽然FF 总线规定可使用不带屏蔽的C 型电缆,但实际上导线一般是敷设在金属导管中已经得到了充分的屏蔽。

但是为了得到最好的效果,还是应使用带屏蔽的导线。

在使用屏蔽电缆时,需将各支线和干线的屏蔽连接起来,然后集中在一点接地。

目前,就世界范围内被普遍接受的电气设备防爆技术措施有: 隔爆(Ex d)、本质安全(Ex i)、正压(Ex p)、浇封(Ex m )和无火花(Ex n)型等。

由于本质安全设备不仅具有重量轻、体积小、成本低的特点,而且还可以实现带电维护操作和0区危险场所应用,所以这种技术已成为自动化仪器仪表最理想的防爆技术。

在FF 总线的物理层规定中,本安防爆措施有两种。

一种是用本安安全栅。

它安装于安全场所,由齐纳二极管、限流电阻和保护熔断器构成。

它具有把过压、浪涌电流和过载电流安全转移到 地!的功能。

这就需要安全栅的接地措施完善可靠。

在这种设计中,屏蔽地和安全栅接地端连在一起接地,直流接地电阻要小于1 。

另一种方法是用电流隔离器。

电流隔离器通过采用高度可靠的隔离措施,防止浪涌电流或过载电流从安全区传输到危险区来保证安全的。

在隔离器中同样设置了限压和限流电路,从而保证了隔离器输出的本安特性。

在这种设计中,仅将电缆屏蔽层接地即可。

对于现场总线防爆问题,已经有许多文章加以论述,这里就不再详细讨论了。

但需要注意的是,不同的现场总线技术对防爆措施的规定是不一样的,在设计中一定要仔细研究相关资料,避免混淆。

3 现场总线设计的程序下面,将简要地提出现场总线设计的程序。

第1步,仔细研究工艺流程,将需要的控制功能归纳分类,选择现场总线协议,并确定相应的仪表选型。

这里首先要确定控制对象适用于哪一种现场总线,进而确定DCS 供应商,然后围绕其系统选择相应的仪表。

第2步,根据工艺流程图,在平面图(包括装置平面图和单元平面图)上尽可能详尽地标注出各仪表的位置。

第3步,根据控制需要、现场仪表的位置和现场总线拓扑结构确定现场总线网段的数量,并将每台18石油化工自动化 2002年现场仪表配置到相应的网段。