FF现场总线工程指南及应用

基础系统设计
- FF 段落设计理念
1) 仪表索引 2) I/O点数 3) 回路图 设计要求 1) 控制台&辅助机柜 2) 子系统 3) 辅助设备
硬件设计
硬件设计说明 1) DCS 系统配置 2) DCS硬件设备说明 3) 设备规格 4) 电力供应/接 5) 子系统/辅助设备
A
现场总线执行过程 : 示例 (2/3)
内容提纲
一．基金会现场总线系统概述 二．基础知识 三．系统实施过程 四．系统硬件配置 五．系统组态 六．系统调试 七．工程实例
FF现场总线设备类型
• HSE
– 主机设备：运行于控制计算机之上 – 现场设备：可带一定I/O点的设备 – 链接设备：带有H1接口的设备
• H1
– 基本设备：符合基本的FF规范 – 链路主设备：具备LAS功能 – 网桥设备：连接两个网段
– 1对多 – buffered/network-scheduled/unidirectional(BNU) – 用于功能块之间通讯
FF现场总线系统时间
• LS-Time
– 链路活动时间，链路开始的相对时间 – 单位为1/32ms – LAS通过TD报文进行同步 – 宏周期的调度使用这个时间
• Application Clock
给总线电缆提供的电压能够高达 32 V 设备电压可以低达9V以保证正常的操作

电源 VPS
电压调节
VPC
T
V1 Iq1 Iq2
V2 Iq3
V3 Iqn
Vn
T
VPS - VPC < 32 v Vn > 9v
现场总线终端

R-C电路

包括一个与100Ω 电阻串联的1μF电容。
防止信号在线缆的终端失真或丢失
– 应用时钟，是当前的绝对时间 – 单位为1/32ms – 时钟发布者负责发送Clock_message进行同步 – 报警和趋势等时间戳使用这个时间
FF现场总线通讯协议
现场设备 1
用户通过“功能块”来进行交互
现场设备 2
用户层
“协议栈” 处理 通信
用户层
通信栈
通信栈
物理层
设备连接到网络
物理层
现场网络
FF现场总线功能块
HMI H1 Fieldbus FT AI-110 PID-110
FC
AO-110
每个设备： 资源块 变换块 功能块
Process
功能块:
包含基本的自动控制功能 位于现场设备或主机中 可以组态连接并实现确定的控制系统
FF现场总线功能块参数
• 功能块的模态（Mode）
现场总线网段设计
• 替换 传统I/O 分配任务 • 基于经济和标准的原则，将设备分组 • 主要包括：
– 电缆类型选择 – 总线拓扑图方式
– 仪表设备的种类、规格
– 总线供电类型
FF现场总线网段设计
• 极性
– 由于某些现场总线设备对极性敏感，导线极性 很关键。导线极性颠倒，设备可能不工作。
• 接地
– 尽早进行技术、产品和应用的了解 – 理解并掌握与传统方案的差异 – 建立符合需要的设计标准，文档方式 – 培训操作和维护技术人员 – 对日常工作和维护方法的改进
FF现场总线典型主机系统
• 以工控机插卡的形式接入
– NI Configurator
• 以HSE/H1网关形式接入
– ABB – Softing……
来自B厂家的设备
现场总线
主机
用户只需要用一种版本的用户界面程序就能在主机上操作不同厂家的设备
FF现场总线设备描述技术
值、精度 工程单位
变量名称
内容提纲
一．基金会现场总线系统概述 二．基础知识 三．系统实施过程 四．系统硬件配置 五．系统组态 六．系统调试 七．工程实例
FF现场总线工程工作流程
项目定义 工厂工程设计标准 设备规格书 供应商投标说明书 现场总线网段设计 工程图 接线方式 组态 项目时间安排 调试与开车
里程碑
B
由供方提供
1) 2) 3) 4) 5) 6)
通信数据清单 流程图表数据清单 报表格式 功能键设定 组别设定 趋势图组别设定
2) 接 线 箱 端 子 设 定
软件生成 系统实行 内部测试
工厂验收步骤
工厂验收 交付
工程设计标准
修改现有的工程标准文件，使它包含FF现场 总线，这是非常重要的。例如：
最大允许长度1900米
FF现场总线电缆

分支电缆的最大长度
连接仪表数量 19-24 15-18 13-14 分支长度 （本安型） 30m 30m 30m 分支长度 （非本安型） 30m 60m 90m
1-12
30m
120m
FF现场总线通用组件
电缆
接线终端
封盖
接线盒
压盖
FF现场总线网络拓扑结构
控制总线 现场总路线 I/O 接线盒
里程碑
A
由供方提供
FF 部分具体设计
1) 硬 件 设 计 规 格 图 纸 2) 硬 件 清 单 3) I/O 卡 分 配 4) 典 型 回 路 图
软件设计
B
现场总线项目执行过程 : 示例(3/3)
由设计院/工程公司提供
1) 接 线 箱 与 机 柜 要 求 2) 电 线 电 缆 需 求 3) 详 细 安 装 1) 回 路 图
现场总线项目执行过程:示例 (1/3)
由需方提供的
1) PJT 进度表 2) PJT 组织 3) 询价说明 4) FF设计要求
里程碑 开工会
由供方提供的
1)项目执行计划 2) PJT 组织 3) PJT 进度表 4) QA/QC计划 5) 技术 与 商务报价 6) 供货材料清单 (BOM) FF 系统设计说明 - FF 段落设计说明
端到端
树型 菊花链
分支
网段设计—拓扑结构
• 建议采用树形、分支或混合拓扑结构 树形拓扑结构适用场合 – 改造项目 – 现场设备密度高的特定区域 – 采用高速以太网 分支拓扑结构适用场合 – 首次安装 – 现场设备密度低的特定区域 • 不建议采用菊花链拓扑 – 不适于维护 – 运行状态下，如果不中断其他设备的服务，不能从网段上添加或 者删除设备
由设计院/工程公司提供
FF 设计信息 1) 设 备 清 单 和 类 型 2) 功 能 块 分 配 3) 设 备 分 组 4) 希 望 电 缆 长 度 5) 电 缆 规 格
1) 复 杂 回 路 流 程 2) 3) 4) 5) 复杂回路概述和功能块 顺控和连锁逻辑 流程图 子系统通信规格 订单与生产 软件设计规格 1) 控 制 功 能 2) 人 机 介 面 功 能 3) 警 报 功 能 4) 界 面 与 安 全 功 能 5) 流 程 图 与 报 表 6) 子 系 统 介 面
可获得的最大网段电流
末端仪表设备的供电电压应不小于9V
FF现场总线网段电流计算
总的总线网段电流 = Iq1 + lq2 + lq3 +…
• 防短路功能
– 采用预先接好线的接线盒实现。
FF现场总线本安配置
• 通常IS现场总线配置的设计必须遵循与非IS 装置同样的原则。 • 两者的主要区别在于维持本质安全时的功 率限制/约束。该限制的标称值为80 mA。 • 对IS应用，电缆应满足如下要求：
– 符合IS电感/阻抗比限制。 – 遵循IS电路在颜色方面的规定。
内容提纲
一．基金会现场总线系统概述 二．基础知识 三．系统实施过程 四．系统硬件配置 五．系统组态 六．系统调试 七．工程实例
现场总线电源

普通的电源供电会吸收回路中的电信号

需要维护恒定电压

电源要用总线电源
电源
Fieldbus
接地，仪表和 总线共地
现场总线电源

每个现场总线网络/网段都需要电源
– 仪表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独立导线。
• 屏蔽
– 仪表屏蔽线应在编组柜中、网络的主机末端处 结束，并且不得在任何其他位置接地。
FF现场总线网段设计
• 防雷/冲击电压保护
– 在必须提供浪涌电压保护的场合（如闪电多发 生地区，或大感性负载启动和停止的应用）， 应提供浪涌电压保护。浪涌电压抑制装置由小 电容的硅雪崩二极管或放电器组成，可采用常 规和公共保护方式接线，并与电气安全接地网 相连
仪表清单和仪表设备规格书 总线网段（Segment)设计 - 技术、负载, 备用容量 P&IDs 及设备回路图 线缆 颜色 和标签的规定 PID 模块的运行位置（在现场的控制） LAS 的后备要求
FF现场总线系统实施原则
• • • • 没有“唯一正确”的实施方法 不存在难点, 仅仅存在“不同思路” 学习和掌握并不需要高昂成本 将FF总线方案的利益最大化的关键：
• 以H1模块或者HSE模块形式接入
– ABB AC800F
– Emerson DeltaV
– Microcyber NCS4000
FF现场总线现场设备
• 符合FF现场总线标准，具备FF“设备认证”标志
• 具备所需功能块
• 具备设备诊断功能 • 具备总线供电，要求10-30mA电流和9-32V电压 • 具备本质安全特性，通过国家认证测试 • 极性不敏感-快速、安全的现场连接
• 功能块的标识（TAG） • 功能块的报警（Alarm） • 功能块的趋势（Trend） • 功能块的输入输出（）
• 功能块的量程（SCALE）
FF现场总线设备描述技术

设备描述（DD,Device Description）：为主机系统提供 现场设备的一种清晰、明确的描述
来自A厂家的设备
设备描述
基金会现场总线中继器
• 计算网络现场设备数量时，中继器相当于 一个现场设备。
• 它允许接入一个完全等效的新网段，有效 地将网络切分成多个较小的网段。
• 添加中继器后，可以连接新的网段，新网 段的两端都需安装终端器。 • 中继器还可以增加网络带载设备的数量， 最大设备数可达240个。
– 注：在达到物理上的最大设备数之前，可能已经超出主系统和网络调度 的限度。
网段设计—网络负载
• 网段负载 会受以下各因素的影响： 工厂的布局 – 距离 (电压降„) – 危险区（防爆措施„） – 控制关联性 风险管理标准约束 执行速度要求 – 宏循环 – 回路/模块执行要求
FF现场总线网段电流计算
设备电流消耗量 (mA)
压力表 温度表 质量流量计 涡街流量计 电磁流量计wk.baidu.compH计 阀门控制器 17.5 17 or 22 11 18.5 11.3 22 26
FF现场总线设备通讯状态
• 离线状态（Offline）
接收PN后进入
• 复制链路参数（LearnLinkVariables）
复制完成后进入
• 等待节点探测（WaitForPN）
接收相应节点地址PN并发送PR后进入
• 等待节点激活（WaitForNodeActivation）
接收节点激活报文后进入
• 在线状态（Online）
FF现场总线设备通讯类型
• 客户机/服务器
– 1对1 – queued/user-triggered/bidirectional(QUB) – 用于读写等服务
• 报告分发
– 1对多 – queued/user-triggered/unidirectional(QUU) – 用于报警和趋势服务
• 发布者/订阅者
FF现场总线电缆

采用现场总线专用电缆
电缆种类 A型 B型 C型 D型 特点 屏蔽双绞线 总屏多对双绞线 多对双绞线 单对双绞线 最大流通面积 0.8mm2 0.32mm2 0.13mm2 1.25mm2 电缆总长度 1900m 1200m 400m 200m

没有安装中继器
网段总长度=主干长度+所有分支长度
基金会现场总线 工程指南与应用
沈阳中科博微自动化技术有限公司
内容提纲
一．基金会现场总线系统概述 二．基础知识 三．系统实施过程 四．系统配置与组态 五．系统调试 六．工程实例
FF现场总线系统概述
高速以太网 100Mbps
网关
HSE
H1
低速总线 31.25kbps
阀门
执行器
压力仪表
马达启动
温度仪表
网段
总线终端 电源调节 电源
100 Ohms 1uF
总线终端
分支 接地
FF现场总线现场总线接线盒
• 所有主干和分支都在现场接线盒中连接， 可以采用不带接线盒的防风雨的“模块”， 工厂定制插拔接头 • 采用FF现场总线网络专用的“接线端子”为 终端 • 主干线的输入/输出电缆分设2组独立专用的 连接 • 分支端子集成短路保护器
FF现场总线设备标识
• DeviceID
– 设备ID，唯一标识设备
• Node Address
– 设备节点地址，网段内唯一
• PD-TAG
– 设备物理位号，一个助记符，系统内唯一
FF现场总线设备状态
• 没有位号（No TAG）
设置位号后进入
• No Address
设置地址后进入
• 可操作状态（Operational）