第8讲现场总线系统集成.ppt

第八讲 现场总线系统集成,现场总线系统集成,第 一 部分 现场总线控制系统的设计和组态,现场总线控制系统的设计和组态,8.1.1 现场总线控制系统设计准则--设计步骤,要制定控制方案，需要绘制P&I图；要优化控制策略，需要绘制组态图；要选择现场仪表，计算机和网络部件，需要绘制网络图；要进行安装布线，需要绘制出网络接线图,现场总线控制系统的设计和组态,8.1.1 现场总线控制系统设计准则—绘制P&I图,P&I图：过程控制管道和仪表图（Process control diagram a piping and instrumentation drawing），用于过程控制中表示在工艺过程中的检测和控制元件的标准设计符号；目前没有用于现场总线控制系统设计的国际或国家标准，由于P&I图的目的并不需要说明控制系统的接线技术、区分所用仪表类型和表示控制功能的位置，因此，ISA认为现有标准已能满足现场总线控制系统的设计要求；,现场总线控制系统的设计和组态,8.1.1 现场总线控制系统设计准则--绘制P&I图,现场总线控制系统的设计和组态,第一个字母表示被测变量，后续字母表示仪表的功能；圆圈里的数字表示回路编号，它是按车间（区域）或工序（控制回路）进行编制的；为了说明现场总线设备之间信号传输是数字通信信号，可采用通信链的图形符号；,8.1.1 现场总线控制系统设计准则--绘制P&I图,现场总线控制系统的设计和组态,锅炉汽包水位三冲量控制P&I图,FT: 流量变送器FC: 流量控制器LT: 液位变送器FY: 流量加法器,目的：保持锅炉汽包水位在一定范围内。

单冲量：只有一个被控变量，即汽包水位双重量：增加蒸汽流量前馈三冲量：增加给水扰动控制,8.1.1 现场总线控制系统设计准则--绘制P&I图,现场总线控制系统的设计和组态,8.1.1 现场总线控制系统设计准则—功能连接图,虚线椭圆表示一台现场总线设备,现场总线控制系统的设计和组态,8.1.1 现场总线控制系统设计准则—设备接线图,由于通信系统中要防止通信信号在端点处反射造成信号失真，并实现线路阻抗匹配，需要设置终端电阻；现场总线的电缆有一定的类型规定，对导线的线径、特征阻抗等都有严格要求；一般模拟仪表系统采用标准电流（或电压）信号，因此可以采用串联连接，而现场总线仪表一般是并联连接到现场总线网络上的通信系统接线与一般模拟仪表系统接线的区别：,现场总线控制系统的设计和组态,例：温度和流量串级控制系统的现场总线设备接线图(1),,机柜内,电源模块,8.1.1 现场总线控制系统设计准则—设备接线图,现场总线控制系统的设计和组态,例：温度和流量串级控制系统的现场总线设备接线图(2),,,,,8.1.1 现场总线控制系统设计准则—设备接线图,现场总线控制系统的设计和组态,例：温度和流量串级控制系统的现场总线设备接线图(3),,,,温度检测,温度变送,流量变送,流量控制阀,8.1.1 现场总线控制系统设计准则—设备接线图,现场总线控制系统的设计和组态,8.1.1 现场总线控制系统的设计准则,应遵照现场总线技术的有关规范；网段中挂接的现场总线设备总数、分支电缆上挂接的设备数、主干电缆和分支电缆长度及电缆类型、电源供电容量、电压压降等应在现场总线规定的约束范围内；网段上挂接的设备数与该网段的宏循环时间有关；为减少通信量、降低成本，应尽量选用功能较多的现场总线设备，同时同一控制系统中的检测变送器、控制器和控制阀等现场总线设备宜设计在同一网段上；考虑防止过流、过压、雷电冲击等外围干扰和故障；冗余系统考虑（对通信系统、供电系统、链路主设备等）；考虑控制系统应具有一定的可扩展性；……,现场总线控制系统的设计和组态,8.1.2 现场总线控制系统的控制组态,现场总线控制组态与DCS控制组态的区别DCS的控制组态结果通常直接存放在DCS的分散过程控制装置中；DCS控制组态所使用的功能块从数量和功能上比现场总线的多，但因制造商不同而异；在DCS控制组态中，由于存储器容量较大，因此较少考虑功能块数量的约束；现场总线功能块适用面更广，但参数设置相对复杂。

过程： 添加新网段->设置现场总线设备的地址、有关性能和参数等属性->控制组态->下装,现场总线控制系统的设计和组态,现场总线设备库,8.1.2 现场总线控制系统的控制组态,现场总线控制系统的设计和组态,控制系统功能模块连接图,8.1.2 现场总线控制系统的控制组态,现场总线控制系统的设计和组态,控制组态的内容下载,8.1.2 现场总线控制系统的控制组态,现场总线控制系统的设计和组态,8.1.3 现场总线控制系统的工程设计—设计步骤,初步设计整个现场总线控制系统自控工程要达到的自动化水平；设备投资的费用；实现自控工程的交付期；对安全运行的考虑；对操作、维护的要求等初步扩大设计过程控制系统的组态；工程的集成范围；安全设计和可靠性设计；检测系统设计、人机界面设计、对扩展的考虑等施工图设计，又称详细设计，主要包括内容有：工程集成的范围、安全设计和可靠性的改进设计等现场总线控制系统的设计和组态,8.1.3 现场总线控制系统的工程设计—设计文件,系统图网络/网段图位置图建筑物布置图安装图带控制点流程图仪表索引/数据库仪表数据表材料要求制造商文件网络网段检查图阀门危险程度表逻辑图功能描述/控制叙述等,现场总线系统集成,第 二 部分 现场总线控制系统的工程实现,现场总线控制系统的工程实现,8.2.1现场总线的布线和安装—网络组件,,主要有：中继器(Repeater)、集线器(Hub)、交换式集线器(Switching Hub)、网桥(Bridge)、路由器(Router)、网关(Gateway)等。

此外还有连接器(Connector)、耦合器(Coupler)等8.2.1现场总线的布线和安装,,交换机,HSE链路设备,现场总线控制系统的工程实现,终端器,,浪涌保护器,是一个充满气体的密闭管子GDT，当电压低于阈值时，有非常高的电阻；当电压高于阈值时，管内气体电离并产生对地电阻非常低的通路最大浪涌电流可达20kA,8.2.1现场总线的布线和安装,,4-20mA电流回路接线图简单的现场总线网络,安装布线,现场总线控制系统的工程实现,8.2.1现场总线的布线和安装,,链接式仪表的现场总线网络图,现场总线控制系统的工程实现,8.2.1现场总线的布线和安装,,中继器,现场总线控制系统的工程实现,8.2.1现场总线的布线和安装,,屏蔽线不应多点接地，应集中一点后再接地,现场总线控制系统的工程实现,现场总线控制系统的工程实现,8.2.1现场总线的布线和安装,连接示意图,现场总线控制系统的设计和组态,确定现场总线网段和现场总线设备（FF为例）,不同类型电缆的长度约束和线路电阻,网段的长度由电压降和信号的质量，即衰减(Attenuation)和失真(Distortion)所限制8.2.1现场总线的布线和安装,现场总线控制系统的设计和组态,确定现场总线网段和现场总线设备（FF为例）例：设计某现场总线网段，它有6台现场总线设备，几何位置分布如下图所示，原有电缆为D型电缆，是否可直接采用原有电缆？解：总电缆长度为：165+60+35+10+10+9+6=295m，根据D型电缆允许最大长度为200m，因此不能全部采用D型电缆。

可将各分支电缆换用为A型，即D型165m，A型130m： 因165/200+130/1900=0.8934<1，所以满足约束条件8.2.1现场总线的布线和安装,现场总线控制系统的设计和组态,确定现场总线网段和现场总线设备（FF为例）例：设计某现场总线网段，几何位置分布如下图所示，拟用A型电缆，供电电压19V，供电电流350mA，每台设备的耗电为20mA，要求供电电压不小于9VDC，是否可行？,解：第一接线盒处电压降为：0.02(A/台)*14(台)*44(欧/km)*0.5km=6.16(V)因此，第一个接线盒处的电压为19-6.16=12.84V,8.2.1现场总线的布线和安装,现场总线控制系统的设计和组态,解：第一接线盒到第二接线盒处电压降为： 0.02(A/台)*8(台)*44(欧/km)*0.4km=2.816(V) 因此，第二个接线盒处的电压为12.84-2.816=10.024(V) 第二接线盒到8台设备的电压降为0.02*1*44*0.01=0.0088(V) 第二接线盒连接的8台设备处电压为10.024-0.0088=10.0152(V) 第一接线盒到6台设备的电压降为0.02*1*44*0.01=0.0088(V) 第一接线盒连接的6台设备处电压为12.84-0.0088=12.8312(V) 因此，各设备的供电电压都大于9V，且电缆总长为 500+400+10*6+10*8=1040m<1900m。

因此本方案可行8.2.1现场总线的布线和安装,8.2.2 本安型现场总线控制系统的工程实现,,本质安全现场总线控制系统的实现有两种办法：使用总线隔离栅或本安电源调整器安全栅等效电路,电源调整器隔离安全栅电路,现场总线控制系统的工程实现,,8.2.2 本安型现场总线控制系统的工程实现,现场总线控制系统的工程实现,,电源调整器,8.2.2 本安型现场总线控制系统的工程实现,现场总线控制系统的工程实现,现场总线系统集成,第 三 部分 工业以太网技术,工业以太网技术,8.3.1以太网在工业自动化领域应用受限的原因,,以太网采用CSMA/CD碰撞检测方式，在网络负荷较重(大于40%)时，网络的确定性未能满足工业控制的实时要求；以太网所用的接插件、集线器、交换机和电缆是为办公室应用而设计的，不符合工业控制的实时要求；在工厂环境中，以太网抗干扰能力较差若用于危险场合，以太网不具备本质安全性能；以太网还不具备通过信号线向现场仪表供电的功能工业以太网技术,8.3.2 工业以太网与其他控制网络相比较的优势,,工业以太网可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络与控制网络得以统一；设备成本下降；用户拥有成本下降；以太网易于与Internet集成。

工业以太网技术,8.3.3 以太网作为现场总线技术的技术优势,,采用以太网作为现场总线，可以保证现场总线技术的可持续性发展；以太网受到广泛的开发技术支持；由于以太网是应用最广泛的计算机网络技术，有广泛的硬件产品可供选择，价格十分低廉；由于以太网已使用多年，具有大量的软件资源；如果采用以太网作为现场总线技术，可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，可以实现自动化控制领域的彻底开放工业以太网技术,8.3.4 工业以太网技术应解决的问题,,通信实时性问题；对环境的适应性与可靠性问题；总线供电问题；本质安全问题；,工业以太网技术,8.3.5 工业以太网非确定性问题的缓解措施,,提高通信速率10Mb/s -> 100Mb/s ->1Gb/s控制网络负荷在网络设计时控制各网段的负荷量，合理分布各现场设备的节点位置，以减少冲突的发生采用以太网的全双工交换技术采用交换式以太网技术采用交换机将网络切分成多个网段，在网段分配合理的情况下，由于网段上多数的数据不需要经过主干网传输，只在本地网络传输的数据不占用其它网段的带宽工业以太网技术,8.3.6 实时以太网,,PROFINET,Modbus/TCP,EtherNet/IP,Powerlink,EtherCAT,实时以太网种类 IEC61784-2中的11种实时以太网：EtherNet/IP, Profinet, Interbus, EtherCAT, EPA,…几种实时以太网的通信参考模型比较,工业以太网技术,工业以太网的开发情况和发展趋势,,工业以太网技术,,RT-CSMA/CD协议网络节点分为实时节点和非实时节点，分别遵循RT-CSMA/CD和CSMA/CD协议以网络上相距最远的两个节点之间信号传迟延时间的2倍作为最小竞争时隙，发送数据时先侦听信道，若在一个最小竞争时隙中没有检测到冲突，则获得访问控制权，发送数据包；非实时节点检测到冲突时停止发送，退出竞争；实时节点检测到冲突时，发送长度不小于最小竞争时隙的竞争信号；,。