現(xiàn)場總線作業(yè)分析

1、信息工程學(xué)院現(xiàn)場總線控制技術(shù)課程論文題目：FF現(xiàn)場總線在工程中的應(yīng)用專業(yè)名稱：電氣工程及其自動化班級：成績：姓名：學(xué) 號：第一章緒論11.1 FF現(xiàn)場總線概述11.2 FF現(xiàn)場總線技術(shù)11.3 FF現(xiàn)場總線特點與優(yōu)勢 2第二章應(yīng)用.2.1 電纜42.2 供電42.3 短路保護42.4 在非防爆場合的應(yīng)用52.5 在防爆場合的應(yīng)用52.5.1 現(xiàn)場總線隔離柵52.5.2 現(xiàn)場總線本安中繼器62.5.3 無火花型和隔爆型防爆62.5.4 FF 現(xiàn)場安全柵模盒 7第三章心得體會 8第四章參考文獻第一章緒論1.1 FF現(xiàn)場總線概述FF(HSE覿場總線即為IEC定義的H2總線，它由Fieldbus Fo

2、undation(FF) 組織負責(zé) 開發(fā)，并于1998年決定全面采用已廣泛應(yīng)用于IT產(chǎn)業(yè)的高速以太網(wǎng)(highspeed ethernet HSE標(biāo)準(zhǔn)。該總線使用框架式以太網(wǎng)(Shelf Ethernet )技術(shù)，傳輸速率從100Mbps到 1Gbps或更高。HSEI全支持IEC 61158現(xiàn)場總線的各項功能，諸如功能塊和裝置描述語 言等，并允許基于以太網(wǎng)的裝置通過一種連接裝置與H1裝置相連接。連接到一個連接裝置上的H1裝置無須主系統(tǒng)的干予就可以進行對等層通信。連接到一個連接裝置上的H1裝置同樣無須主系統(tǒng)的干預(yù)也可以與另一個連接裝置上的H1裝置直接進行通信.HSE總線成功地采用CSMA/CD1

3、路控制協(xié)議和TCP/IP傳輸協(xié)議，并使用了高速以太網(wǎng)IEEE802.3 以標(biāo)準(zhǔn)的最新技術(shù)?；饡F(xiàn)場總線(FF, Foundation Fieldbus)是為適應(yīng)自動化系統(tǒng)，特別是過程自動化系統(tǒng)在功能、環(huán)境與技術(shù)上的需要而設(shè)計的。它可以工作在生產(chǎn)現(xiàn)場，并能適應(yīng)本質(zhì)安 全防爆的要求下，好可以通過傳輸數(shù)據(jù)的總線為現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源。該總線標(biāo)準(zhǔn)是由 現(xiàn)場總線基金會(Foundation Fieldbus)組織開發(fā)的，現(xiàn)已成為IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)。1.2 FF現(xiàn)場總線技術(shù)基金會現(xiàn)場總線是一個充當(dāng)工廠/車間測試和控制設(shè)備局域網(wǎng)的全數(shù)字、串行雙工的 通訊系統(tǒng)。在車間網(wǎng)絡(luò)的等級系列中，現(xiàn)場總線環(huán)境為數(shù)字

4、網(wǎng)絡(luò)的低層。FF的協(xié)議規(guī)范建立在ISO/OSI層間通訊模型之上，它由3個主要功能部分組成：物 理層、通訊棧和用戶層。(1)物理層物理層對應(yīng)于OSI第1層，從上層接收編碼信息并在現(xiàn)場總線傳輸媒體上將其轉(zhuǎn)換成 物理信號，也可以進行相反的過程。(2)通訊棧通訊棧對應(yīng)于OSI模型的第2層和第7層。第2層即數(shù)據(jù)鏈路層(DLL),它控制信息 通過第1層傳輸?shù)浆F(xiàn)場總線，DLL同時通過LAS(鏈接活動調(diào)度器)連接到現(xiàn)場總線。LAS 用來規(guī)定確定信息的傳輸和批準(zhǔn)設(shè)備間數(shù)據(jù)的交換。第7層即應(yīng)用層(AL),對用戶層命令進行編碼和解碼。(3)用戶層用戶層是一個基于模塊和設(shè)備描述技術(shù)的詳細說明的、標(biāo)準(zhǔn)的用戶層，定義了一

5、個利1用資源模塊、轉(zhuǎn)換模塊、系統(tǒng)管理和設(shè)備描述技術(shù)的功能模塊應(yīng)用過程（FBAP）o資源模塊定義了整個應(yīng)用過程（如制造標(biāo)識，設(shè)備類型等）的參數(shù)。功能模塊濃縮了控 制功能（如PID控制器，模擬輸入等）。轉(zhuǎn)換模塊表示溫度、壓力、流量等傳感器的接口。a.功能模塊FF發(fā)布的最初10個功能模塊覆蓋了 80%Z上的基礎(chǔ)過程控制輪廓。除此之外FF還增 加了 19個高級功能模塊。一個現(xiàn)場總線設(shè)備必須具有資源模塊和至少一個功能模塊，這個功能模塊借助總線在 同一或分開的設(shè)備中通過輸入和/或輸出參數(shù)連接到其它功能模塊。每一個輸入/輸出參數(shù) 都有一個值和一個狀態(tài)。每個參數(shù)的狀態(tài)部分帶有這個值的質(zhì)量信息，如好、不定或差。

6、功能模塊執(zhí)行同步化和功能模塊參數(shù)在現(xiàn)場總線上的傳送使得將控制分散到現(xiàn)場總 線成為可能。系統(tǒng)管理和網(wǎng)絡(luò)管理負責(zé)處理這一功能， 以及將時間發(fā)布給所有設(shè)備，自動 切換到冗余時間打印者，自動分配設(shè)備地址，在現(xiàn)場總線上尋找參數(shù)名或標(biāo)識。b.設(shè)備描述技術(shù)設(shè)備描述（DD）是實現(xiàn)互操作的用戶層技術(shù)的另一個關(guān)鍵因素。DD被用來描述標(biāo)準(zhǔn)模塊參數(shù)和供應(yīng)商的特殊參數(shù)以使任何主系統(tǒng)能夠與這些參數(shù)互操作。在一定意義上，DD是主系統(tǒng)所使用設(shè)備參數(shù)的擴展描述。供應(yīng)商用一種稱為設(shè)備描述語言（DDL）的特殊編程語言編寫設(shè)備描述（DD）。DDL源碼 被轉(zhuǎn)換成充當(dāng)現(xiàn)場總線設(shè)備/驅(qū)動器的有效的DD二進制形式。DD提供了控制系統(tǒng)或主系

7、統(tǒng)理解設(shè)備數(shù)據(jù)意義所必需的所有信息，包括校準(zhǔn)和診斷等功能的人機接口。FF為所有標(biāo)準(zhǔn)模塊提供了 DD設(shè)備供應(yīng)商通常準(zhǔn)備一個增量 DD它以簡便的方法在 已經(jīng)存在的DD上添加額外的功能。他們同時把通用DDS冊到基金會，基金會將使用戶通 過訂購手續(xù)得到這些注冊的DD另外，基金會提供一個能讀懂DD的稱為設(shè)備描述服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)軟件庫。任何帶設(shè)備描 述服務(wù)的主系統(tǒng)只要具有設(shè)備的 DD就能與FF設(shè)備互操作。1.3 FF現(xiàn)場總線的特點與優(yōu)勢盡管傳感器/激勵器總線網(wǎng)絡(luò)或基于 CAN的輸入/輸出和控制網(wǎng)絡(luò)適合于計數(shù)和分類 等離散的自動化任務(wù)，但現(xiàn)場總線與這些設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的不同之處在于，它具有對于PID控制器和其他自動化任務(wù)

8、所必不可少的用戶層。FF現(xiàn)場總線保留了 4-20mA模擬系統(tǒng)的許多理想特征，比如線纜的標(biāo)準(zhǔn)物理接口、單 根線纜上的總線供電設(shè)備、復(fù)雜的安全選擇。它也部分地繼承了HART*議行之有效的技術(shù)，如設(shè)備描述技術(shù)。但除此之外，它還有許多其他的優(yōu)點。(1)設(shè)備互操作性在具有互操作性條件下，同一現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中一個設(shè)備可以被來自不同供應(yīng)商的具有 增加功能的相似設(shè)備所取代，而仍保持規(guī)定的操作。這就允許用戶混合和搭配不同供應(yīng)商 的現(xiàn)場設(shè)備和主系統(tǒng)。單個現(xiàn)場總線設(shè)備也可以傳輸和接收多參數(shù)信息，在一根公共現(xiàn)場 總線上相互直接通訊，允許新設(shè)備添加到總線而不必中斷正在進行的控制。(2)改善的過程數(shù)據(jù)在FF現(xiàn)場總線上，從每

9、個設(shè)備上得到的多個參數(shù)可以傳至車間控制系統(tǒng)來進行存檔、 趨勢分析、過程優(yōu)化研究和報表生成。獲得精確、高分辨度數(shù)據(jù)，使把過程精確調(diào)整到更 大的生產(chǎn)產(chǎn)出量和減少工廠停工時間成為可能。(3)對進程更多的了解具有強大的、基于微控制器的通訊功能的現(xiàn)代現(xiàn)場總線設(shè)備， 允許更快，更確定地識 別出過程錯誤。作為結(jié)果，工廠操作人員注意到反常情況和預(yù)防維護的需要，并作出更好 的產(chǎn)出決定。有關(guān)操作效率的問題能夠很快得到糾正。(4)改善的工廠安全現(xiàn)場總線技術(shù)將幫助制造廠家跟上日益嚴格的安全要求。通過向操作人員提供早期報 告和警告即將出現(xiàn)和已出現(xiàn)的危險情況，現(xiàn)場總線允許在沒有準(zhǔn)備的切斷之前采取糾正措 施。提高的診斷能力

10、也降低了頻繁接近危險區(qū)域的需求，從而使現(xiàn)場作業(yè)遇到的危險降到最小。(5)更早的預(yù)測維護提高的設(shè)備診斷能力使監(jiān)視和報告設(shè)備狀況成為可能。工廠員工可以不必等到計劃中的停工就進行預(yù)測維護，從而避免或減少停工時間。(6)減少的線纜和安裝費用FF現(xiàn)場總線利用已有的線纜和其他設(shè)備大大減少了網(wǎng)絡(luò)安裝費用。這包括復(fù)雜安全 阻擋終端和纜線費用的減少，特別是在已有布線的地方。構(gòu)建和啟動網(wǎng)絡(luò)所需時間的減少， 以及利用內(nèi)置于現(xiàn)場總線設(shè)備中的軟件控制模塊帶來的簡化了的編程控制和邏輯功能，進一步地降低了成本。第二章應(yīng)用沙多瑪(SARTOME®司是道達爾集團的全資子公司,總部位于美國賓夕法尼亞州，是 全球的主要化

11、工生產(chǎn)企業(yè)之一。位于廣州南沙區(qū)的沙多瑪 (廣州)化學(xué)有限公司(以下簡稱“沙多瑪工程”）是沙多瑪在中國的第一個生產(chǎn)基地，其 DCS采用EMERSON司基于FF 現(xiàn)場總線DehaV控制系統(tǒng)。沙多瑪工程與目前大部分工程一樣，采用的是低速 FF總線即 H l現(xiàn)場總線。2.1電纜沙多瑪工程的干線和支線電纜采用18AW國蔽雙絞線，即所謂A型電纜。使用屏蔽電 纜后，需將各支線與干線的屏蔽連接起來， 然后集中進行接地；必須注意電纜線與設(shè)備連 接的極性問題，現(xiàn)場總線的信號是有極性的，總線的供電設(shè)備也是有極性的，必須將相 同 的極性連接在一起。通常使用彩色標(biāo)記的電纜線以方便施工。2.2供電Hl現(xiàn)場總線在一根屏蔽雙

12、絞電纜上完成對多臺現(xiàn)場儀表的供電和雙向數(shù)字通訊?？刂葡到y(tǒng)所配備的H1網(wǎng)卡通常只負責(zé)與現(xiàn)場儀表的雙向通訊，而總線的供電則需由專門的FF配電器完成。H1總線以段（segm ent）為單位，每塊Hl網(wǎng)卡有兩個端口，每個端口連接一個段，而 每一段需配一臺FF配電器?？偩€的兩端還需各配一個終端電阻， 以消除高頻信號的回聲。由于每段現(xiàn)場總線將掛接多臺現(xiàn)場儀表，如果FF配電器失效，所有儀表均無法正常工作，因此FF的冗余配電越來越受到重視。FF配電器可分解為配電電路和適配電路兩部分，由于 FF適配電路（如專用的濾波電 路和網(wǎng)端等）難以冗余，因此FF的冗余配電設(shè)計通常將配電和適配分成獨立的模塊， 并采 用配電模

13、塊的冗余，見圖1。圖1冗余的FF配電方案市場上的產(chǎn)品有兩種：一是每臺 FF適配模塊均配備冗余的配電模塊，組成單段的配 電組合；二是采用一對冗余的配電模塊，與多臺FF適配模塊組成多段（如4段）的FF配電組合。沙多瑪工程FF的冗余配電采用的是第二種模式。2.3 短路保護FF總線是在一對屏蔽雙絞線上掛接了多臺現(xiàn)場儀表，其中任何一臺儀表的短路，都會導(dǎo)致整段總線的短路，也使得查找和排除短路故障比較困難。解決短路保護問題，最有效的辦法是采用具有總線各分支短路保護功能的現(xiàn)場接線 箱。這種短路保護接線箱可以使得任何一臺儀表的短路都不影響該總線段其他儀表的工 作，而且使得儀表維護人員在控制室內(nèi)便可以對短路故障點

14、一目了然。2.4 在非防爆場合的應(yīng)用目前普遍采用的FF現(xiàn)場總線在非防爆場合的應(yīng)用框圖見圖 2圖2 FF現(xiàn)場總線在非防爆場合的應(yīng)用圖中沒有標(biāo)出網(wǎng)端，因為在實際應(yīng)用中，冗余的配電組合中含有一臺網(wǎng)端，短路保護 器型接線箱中也含有一個網(wǎng)端，所以應(yīng)用時無需另配網(wǎng)端。2.5 在防爆場合的應(yīng)用沙多瑪工程總線儀表所在現(xiàn)場屬危險區(qū) 2。自從FF現(xiàn)場總線開始在易燃易爆的危險 場合中應(yīng)用 以來，F(xiàn)F現(xiàn)場總線的防爆技術(shù)一直在發(fā)展中。在早期，只允許采用本質(zhì)安全 防爆方法，因為只有本安（Ex ia（b）防爆才能充分滿足現(xiàn)場總線儀表在不停電的條件下進 行安裝和維護。其他防爆方法如隔爆型（Ex d）、增安型（Ex e）或無火

15、花型（Ex n）都 必須斷電維護。后來，隨著應(yīng)用規(guī)模越來越大，出于對應(yīng)用成本的考慮，防爆方法的準(zhǔn)用 逐漸擴大。該工程的防爆方式即采用的是無火花型短路保護型接線箱加隔爆型儀表的方在危險區(qū)使用的防爆方案主要有下面幾種2.5.1 現(xiàn)場總線隔離柵在H1卡與現(xiàn)場儀表之間設(shè)置一臺現(xiàn)場總線隔離柵，既給無源的H1卡配電，又給本安 防爆的現(xiàn)場總線配電。這種方案在現(xiàn)場總線應(yīng)用初期比較受用戶歡迎， 但有兩個先天不足：（1）總線隔離柵大幅度限制了 H1卡掛接現(xiàn)場儀表的能力。因為每段H1總線只能配 置1臺總線隔離柵，而每臺隔離柵只能掛接 3-4臺現(xiàn)場儀表，而原本H1卡可掛接16臺現(xiàn)場儀表，使現(xiàn)場總線的優(yōu)勢大打折扣。(2

16、)由于這種總線隔離柵對現(xiàn)場總線的配電含有內(nèi)阻，使現(xiàn)場總線電纜最長不能超過200m大大限制其應(yīng)用范圍。2.5.2 現(xiàn)場總線本安中繼器為了克服總線隔離柵的不足，現(xiàn)在越來越多的用戶傾向于采用現(xiàn)場總線本安中繼器Zu 0如圖3所示，每段H1卡最多配置4臺本安中繼器，既給無源的H1卡配電，又給本安 防爆的現(xiàn)場總線配電。采用本安中繼器，每段H1卡可掛接16臺現(xiàn)場儀表，本安總線電纜 可長達約900m于是H1卡的工作能力得到充分利用。安全區(qū)危險區(qū)0/1區(qū)圖3現(xiàn)場總線本安中繼器的應(yīng)用這種方案仍存在不足：每段總線需放多根電纜到現(xiàn)場，本安中繼器和現(xiàn)場附件的數(shù)量仍 較多，所占應(yīng)用成本的比重較大；冗余配電和短路保護的要求

17、還沒有得到滿足。2.5.3 無火花型和隔爆型防爆當(dāng)FF總線的應(yīng)用規(guī)模達到一個項目成千上萬點以后，應(yīng)用成本和系統(tǒng)的可運行性問 題就非常突出：一方面要求FF總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)盡可能簡化，附件精簡；另一方面要求FF 總線實現(xiàn)冗余配電和短路保護。圖 4為基于上述考慮采用的防爆方案。其中，F(xiàn)F配電采用冗余配電組合。H1總線的主干線按照無火花防爆的要求敷設(shè)到危 險區(qū)2區(qū)。短路保護型接線箱采用無火花型防爆(Ex n),安裝在危險區(qū)2區(qū)。現(xiàn)場儀表如果需要安裝在危險區(qū)1區(qū)，就采用隔爆型防爆方法；如果安裝在危險區(qū)2區(qū)，則不管是隔爆型還是無火花型防爆方法都可以采用。H1 卡安全區(qū)危險區(qū)FF冗余配電組合FF現(xiàn)場總線儀表

18、Ex d或Ex n危險區(qū)1/2區(qū)圖4現(xiàn)場總線無火花和隔爆方案的應(yīng)用該方案簡化了 FF總線配置，降低了成本，而且提高了可靠性，但是無火花型和隔爆 型防爆方法均不允許對儀表進行帶電在線維護。由于每段總線上掛接許多儀表，如果某臺儀表故障，必須對整段總線停電檢修，將對工廠的正常生產(chǎn)造成影響。2.5.4 FF 現(xiàn)場安全柵模盒這是德國P+F公司最新推出的FF總線防爆應(yīng)用方案，其核心產(chǎn)品為集本安防爆、中 繼器、短路保護接線箱、網(wǎng)端等諸多功能于一身的 FF現(xiàn)場安全柵模盒，應(yīng)用方案見圖5<FF冗余配電組合危險區(qū)0/1區(qū)安全區(qū) 危險區(qū)1區(qū)H1 卡圖5 FF總線現(xiàn)場安全柵模盒的應(yīng)用在此方案中，F(xiàn)F的配電采用冗

19、余配電組合。Hl主干總線電纜采用增安型防爆方法可 敷設(shè)到現(xiàn)場的危險區(qū)1區(qū)。FF現(xiàn)場安全柵模盒采用澆封型（Ex m）防爆主體、增安型防爆 主 干線端子和四路本安型防爆輸出，可安裝在危險區(qū)l區(qū)。相互隔離的4路輸出為本安防爆， 并具有短路保護功能?，F(xiàn)場儀表采用本安型防爆，可安裝在危險區(qū)0/1區(qū)。沙多瑪工程總線儀表所在現(xiàn)場屬危險區(qū)2區(qū)，系統(tǒng)的防爆安全性級別要求沒有那么高，所選現(xiàn)場儀表為隔爆型，相比本安型儀表價格更便宜，選擇范圍更廣。而且由于FF現(xiàn)場安全柵模盒最多只能接4臺儀表，短路保護型接線箱一般可接8臺儀表，故同等數(shù)量 的現(xiàn)場儀表需要的短路保護型接線箱數(shù)量更少， 從而使配置更簡化，投資更節(jié)省。雖然不 允許對儀表進行帶 電在線維護，但與簡化了 FF總線配置，降低 了成本，而且提高了可 靠性等優(yōu)點來比較，業(yè)主選擇了第3種方案，其防爆方式采用的是無火花型短路保護型接線箱加隔爆型儀表的方式。接線箱的防爆等級為 Ex nL IIC T4 ,最多接8臺儀表，主干 線數(shù)量是2個。