现场总线系统设计规划与应用

1.监控层
• 主要功能：实时监测受控设备的运行状况，组态PLC上传
信息，并显示组态画面，同时对PLC进行程序的编制、更 改等任务。 • 网络形式：工业以太网。 • 主要硬件组成：工业控制计算机
• 软件组成：系统软件、上位组态软件、应用软件。
一
工业网络结构和组成
2.控制层
• 控制层是整个控制系统的核心，在整个控制系统中起着 “承上启下”的作用。它接受现场发来的数据信息，经过 CPU的运算与处理后，发出相应的指令对现场设备进行控 制。并把经处理的数据信息上传至上位机。 • 主要硬件组成：PLC及其网络主站模块、工业以太网模块 。 • 软件组成：PLC编程软件、应用软件。
用户层
报警或记录趋势 通讯栈确保安全通讯
用户层
通讯栈
通讯栈
物理层
在此处连接导线
现场总线设备 接线载体
物理层
现场总线设备
现场总线网络概览
e.g. Operator station
物理层组成部分:
H1通讯卡
总线电源配电器/电源调节器 电缆 终端电阻 接线盒 - 段保护器 - 现场总线安全栅 浪涌保护器
H1 现场总线 # 3 网段
控制室 PC
Green Liquor Storage LT 111 LT 112
H1 现场总线 # 2网段
LT 101
Re-Burned Purchased Lime Lime DT 109 SC 111 24 FT 110
19
SC 112 25
SC 110 23
20 FT 102 AT 103 IP 102
2 - 12
120 m
90 m
60 m
1m
45
常规应用
控制系统

24Vdc 24Vdc
OR
电源调节器
控制室
现场
现场接线器
安全区
46
危险区应用
控制系统
24Vdc
?
保护 ? 控制室
现场 现场接线器
危险区
基金会现场总线设备
47
现场隔离安全栅
Control system
24Vdc 24Vdc 24Vdc
组态DP主站和分布式I/O
WinCC变量组态
4
现场总线系统运行、维护
1
系统设备调试
1 检查设备 运行监控软件，在线监视设备的通信状态是否正常 2 检查位号和量程 各点位号应与实际一致，称对点；
3 检查PID的作用方式和调节阀的动作方向 4 检查UPS自动切换功能
4
现场总线系统运行、维护
现场总线系统设计原则
现场总线系统设计要保证系统运行的可靠性。在特殊的 场合，总线系统要采用屏蔽、防爆、甚至要求有冗余备份。
1
保证系统实时性、 多任务、和多回路 分布特性。
考虑如：网络节点数、节点的
位置分布、总线速率和传输能力
2
保证系统设备的互 联、互操作和互换 性
考虑如：总线设备之间遵从的协
议；考虑网络的升级和设备替换。
主站 从站
B+F公司 Siemens公司
3
软件设计开发组态
1
监控软件开发
监控软件可以为过程控制优化建立和组态自己的用户界面。开发工具
可以绘制各个生产或者工程监控画面，利用控件组态建立各种控制、显
示框、动画、声音等来对整个生产过程动态实时的显示运行状态。
监控软件的开发工具为软件组态提供范围广泛的各种功能。可用于一
2
系统测试运行
1 软件代码的下载测试包括PLC程序和上级监控软件程序； 2 网络系统通信功能测试； 3 实际现场总线控制系统的起动，低水平运行； 4 逐步投运全部功能；
三
典型现场总线设计开发
基金会总线技术（过程控制领域）
基金会现场总线工作情况
数据在两者之间传递
传感器、最后控制 元件或主机
传感器
在此处进行数据控制、
Power conditioner Control room
Ex e Trunk
Field
Zone 2/Zone 1
Ex i spur Live-workable
Zone 0/Zone 1
FISCO or Entity field devices
48
Ff基金会现场总线应用在Zone 1的易燃易爆环境中？
下的实例应用：拖放画面方便并可将它们以画面层次结构布置；通常分 为三个层次（概览区、工作区、功能按钮区）。
3
软件设计开发组态
2
系统和设备组态
组态就是把已经准备好的不同子系统或功能单元进行组合，使整个
系统或单元达到用户要求的整体应用效果和功能状态。组态时构造整个
网络控制系统的核心部分。
STEP 7 硬件组态界面
1. 现场总线技术最适合使用的场合
行业选择 系统规模和分布 系统类型 系统功能要求
1. 选择什么样的现场总线技术？
根据具体的应用情况选择； 该现场总线技术的先进性？ 市场占有率？ 在我国的应用情况； 技术支持
1. 组成和设计FCS的方法
总体选择
现场总线类型 是否有冗余要求？ 是否有本质安全要求？ 系统实时性的要求
IP 104A
IP 104B Cooler
21 TT 104 TT 105 AT 106 AT 107A
Heater CV-101 A/O
AT 107B LT 108 SC 108 22
H1 现场总线 # 1网段
41
估计网段长度
主干线长度 分支长度
Remarks Remote Instrument Measurement Trunk Spur Enclosure Length Length RIE - 1 20+35+70+255+50 430 m 30 m RIE - 2 20+75+200+75+30 400 m 30 m RIE - 3 15+35+330+85+30 495 m 30 m RIE - 4 20+35+70+255+50 430 m 30 m RIE - 5 20+75+200+75+30 400 m 30 m RIE - 6 15+35+330+85+30 495 m 30 m RIE - 7 20+40+190+200+30 480 m 30 m RIE - 8 20+130+160+50 340 m 30 m RIE - 9 15+90+190+30 325 m 30 m RIE - 10 20+65+420+30 535 m 30 m RIE - 11 20+5+20+170+50 265 m 30 m RIE - 12 15+20+75+75+50 235 m 30 m Note: From the above taking contingency in to account let us take the worst case (Trunk 550 Meters and Spur 30meters)
主站 从站
BECKHOFF公司


主站 从站
主站 从站
WAGO 软件产品 诊断工具
2 PROFIBUS和AS-i常用产品
1. PA常用产品
E+H公司
所有的仪器仪表都能提供PA接口 性能好 软件产品
2 PROFIBUS和AS-i常用产品
1. AS-i常用产品
ifm公司
现场总线系统设计 规划与应用
现场总线系统设计规划与应用
一 二 三
工业网络结构和组成 现场总线系统设计过程 典型现场总线设计开发
一
工业网络结构和组成
自动化控制系统典型控制模式：
--- 集中监测和分散控制
监控层
控制系统分为三个层次：
控制层
1. 2. 3.
监控层 控制层
设备层
设备层
一
工业网络结构和组成
如何设计H1网段？
网段负载 会受以下各因素的影响：
1. 工厂的布局
– 距离 (电压降…) – 危险区（防爆措施…） – 控制关联性
2. 安全/HAZOP（危险与可操作性 ）约束 3. 执行速度要求
– 宏循环 – 回路/模块执行要求
39
初步的 P&ID图
了解设备的分布和相关性
40
使用P & ID 图纸来帮助确定现场总线的接线
一
工业网络结构和组成
3.设备层
• 设备层在控制系统的底层，是整个控制系统的关键环节，
主要远程IO模块、变频及伺服控制器、打印机、现场执行 机构（如电动机、电磁阀等）等，通过现场总线与控制层
中的PLC相联系，将输入信号发送给PLC，将PLC输出指令 发送到现场设备。 • 网络形式：现场总线Profibus-DP、直接点对点联接。
1
现场总线系统设计原则
现场总线系统设计要保证系统运行的可靠性。在特殊的 场合，总线系统要采用屏蔽、防爆、甚至要求有冗余备份。
3
充分考虑监控和通 信软件的功能
现场总线系统设备厂家一般可
提供给用户相应的系统软件。
4
兼顾设计的先进性 和经济性
设计实际监控系统时，要在系统
先进性和经济性上折中考虑。
2
现场总线网络与控制设计
1
网络设计主要考虑因素 现场仪表设备分布情况 控制任务执行设备的选择和安装地点
服务器、工作站设备的选择和地点
布线系统设计，如走向、拓扑、介质 确定通信网络模块设备
2
现场总线网络与控制设计
2
现场应用设计
• 1 选用现场总线技术的原因
– 时代及技术进步的要求 – 彻底分散控制，提高系统的可靠性 – 提高整个系统的智能化水平 – 大幅度节约系统成本的要求
一
工业网络结构和组成
工业网络架构分类：
Profibus DeviceNet CC-link Interbus Fieldbus CANopen Modbus AS-i
工业现场总线协议
二
现场总线系统设计过程
1
现场总线系统设计原则
2
现场总线网络与控制设计
3
软件设计开发组态
4
现场总线系统运行、维护
1
–
现场总线网段
T T
现场总线 中继器
T T
T
T
T
T
T
T T
现场总线 中继器
现场总线 中继器
现场总线 中继器
=终端器
现场总线网络 – 最多不超过 5.9 英里
44
最大支线长度
建议最大支线长度
网段上的设备 数量 25 - 32 19 - 24 15 - 18 13 - 14 1 台设备 2 台设备 /每个分支 /每个分支 1m 30 m 60 m 90 m 1m 1m 30 m 60 m 3 台设备 /每个分支 1m 1m 1m 30 m 4 台设备 /每个分支 1m 1m 1m 1m
按上表中最大值选择长度
42
增加网络长度
•中继器是用于扩展现场总线长度的有源设备
现场总线网段
T T T
= 终端器
T
T
现场总线中继器
长度不超过 1900 米
43
网络最大长度
现场总线网络上任何两台设备之间最多可使用4台中继器 – 使用4台中继器时，网络上任何两台设备之间的最大距离为9500 m（31,168英尺或5.9英里）
1. 组成和设计FCS的方法
系统控制点数的确定 主站选择
主站模板 大中型PLC
从站选择
从站数量的选择 类型选择 老系统改造中旧设备的继续使用
1. 组成和设计FCS的方法
系统软件的选择
系统软件 系统应用软件 编程软件
电缆类型的选择
不同总线使用不同的电缆 不同场合使用不同的电缆 正规的产品
• EXd/Exe隔爆/增安 （不可带电维护） Entity （已不常用） FISCO （可带电维护） FieldBarrier现场隔离安全栅（接线盒不可带电维护， 现场仪表可带电维护）
49
H1网络设备－典型的接线盒
• 将分支连接至主干线
•
• • • •
1个接线盒支持2/4/8/10和12台设备
系统分析、诊断工具的选择
1. 组成和设计FCS的方法
控制系统设计
硬件系统设计
硬件配置 电气柜装配 现场设计
软件系统设计
软件系统选择 系统组态 HMI 主站控制程序 从站控制程序
系统调试
2 PROFIBUS和AS-i常用产品 1. DP常用产品
Siemens公司
终端电阻
Ethernet Cable
Ethernet
DCS
电源配殿器/电源调节器
H1 Bus
电缆
接线盒 Fieldbus Process Interface Transmitter
DIO DIO
37
Actuator
TC / RTD
现场总线网段概览
• • • • • • • • • • • •
38
标准 IEC61158-2。 2 线，多台仪表，位同步、双向、数字化通讯 波特率31.25kbit/s。 网段驱动电压9-32VDC。 通讯信号电流 9mA。 屏蔽双绞线。 树型(鸡爪型)、分支型和混合型拓朴结构。 电缆总长度： 1900m。 分支电缆长度：30-120m。 挂接设备数量： 32台。 防爆方法：本质安全防爆， 包含高速和低速两层HSE和H1,速率分别为 100Mbps和 31.25Kbps等。