基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其布線(xiàn)與安裝指導(dǎo)

1、Techniques of Automation & Applications | 111基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其布線(xiàn)與安裝指導(dǎo)李喜東,朱明清,張遷禮,田力(黑龍江省科學(xué)院自動(dòng)化研究所,黑龍江哈爾濱150090摘要:本文總結(jié)和闡述了基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其在實(shí)際工程應(yīng)用中安裝與布線(xiàn)方面需要的注意事項(xiàng),并以某半導(dǎo)體工廠(chǎng)中基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)工程實(shí)踐為例,為基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)(FieldbusFoundation,FF網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)和安裝提出了一些指導(dǎo)性建議。關(guān)鍵詞:現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn);基金會(huì)總線(xiàn);網(wǎng)絡(luò)中圖分類(lèi)號(hào):TP336文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1003-7241(200907-0111-04A

2、n Introduction to Fieldbus FoundationLI Xi-dong, ZHU Ming-qing, ZHANG Qian-li, TIAN Li( Automation Institute of Heilongjiang Academy, Harbin 150090 China Abstract: This paper introduces the topo structure of the Fieldbus Foundation and the components of the network. An applicationexample is also giv

3、en.Key Words: fieldbus; FF (Fieldbus Foundation; network收稿日期:2009-03-311引言現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是自動(dòng)控制領(lǐng)域當(dāng)前的熱門(mén)技術(shù)和發(fā)展方向。基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)(FieldbusFoundation,FF是符合國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的8種總線(xiàn)之一,廣泛應(yīng)用于流程工業(yè)。基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是純數(shù)字、串行、雙向通訊的系統(tǒng),其作用是作為工廠(chǎng)/車(chē)間儀表和控制設(shè)備的局域網(wǎng)(LAN。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò)層次中最基本一級(jí)的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)。基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)被用于過(guò)程和制造自動(dòng)化應(yīng)用,內(nèi)置在網(wǎng)絡(luò)上分布控制應(yīng)用的功能。2FF 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)一般會(huì)采用以下幾種網(wǎng)絡(luò)拓

4、撲結(jié)構(gòu),為清楚并簡(jiǎn)單起見(jiàn),圖中省略了電源和終端器。在實(shí)際應(yīng)用往往會(huì)是幾種方式的組合,下面詳細(xì)論述每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特性1。2.1點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這類(lèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是只有由兩臺(tái)設(shè)備的段組成,段可以完全在現(xiàn)場(chǎng)(一臺(tái)從設(shè)備和一臺(tái)主設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行,如變送器和閥此外不再帶其它設(shè)備,或者也可以由一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(變送器連接到一個(gè)主系統(tǒng)(作為控制或監(jiān)視,如圖1所示點(diǎn)對(duì)點(diǎn)總線(xiàn)聯(lián)接。簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(主機(jī)和每個(gè)總線(xiàn)的一個(gè)設(shè)備不會(huì) 常用,因?yàn)樗慷沃挥幸粋€(gè)測(cè)量或者控制設(shè)備, 如同在 傳統(tǒng)控制 4-20mA 時(shí)那樣,同每個(gè)具有多個(gè)設(shè)備的總線(xiàn) 段相比沒(méi)有優(yōu)點(diǎn)。 2.2帶支線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 這類(lèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備通過(guò)一段支線(xiàn)的電纜聯(lián)接到總

5、線(xiàn)段上。支線(xiàn)的長(zhǎng)度可以從1m 到120m,長(zhǎng)度小于1m 的支線(xiàn)看作是一個(gè)接頭,如圖2所示,帶支線(xiàn)總線(xiàn)聯(lián)接。圖1簡(jiǎn)單點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)112 | T echniques of Automation & Applications2.3菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這種聯(lián)接方式,在一個(gè)段中現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)電纜從一臺(tái)設(shè)備走到另一臺(tái)設(shè)備,在每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的端子上互連。使用這種拓?fù)浒惭b應(yīng)該使用聯(lián)接器或一種接線(xiàn)方式,使得一臺(tái)設(shè)備的接線(xiàn)斷了不會(huì)影響整個(gè)段的工作,如圖3 所示菊花鏈聯(lián)接。 2.4樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是在一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)段上的設(shè)備都 是以獨(dú)立的雙絞線(xiàn)聯(lián)接到公共的端子盒、端子、儀表板 或 I /O 卡。這種布局可以用

6、于通向主機(jī)電纜的一個(gè)端上,實(shí)際上同一段上的設(shè)備是相互分開(kāi)的,但是一般是 在同一個(gè)接線(xiàn)盒的區(qū)域內(nèi)。如圖4 所示,樹(shù)形聯(lián)接。使 用這種布局方式,必須考慮到支線(xiàn)電纜的最大長(zhǎng)度。 3FF 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的安裝 一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)段是由一個(gè)或多個(gè)段組成,每個(gè)段一圖 2 帶支線(xiàn)總線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖 3 菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖4樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)般包含幾個(gè)運(yùn)行設(shè)備,需要一個(gè)電源(用于總線(xiàn)供電設(shè)備,和設(shè)在每段末端的專(zhuān)用終端器組成,為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),這里只討論只有一個(gè)段的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。由于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是純數(shù)字協(xié)議,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的布線(xiàn)、安裝與維護(hù)的規(guī)則不同于傳統(tǒng)的4-20m A 布線(xiàn)。3.1網(wǎng)絡(luò)建立在安裝模擬線(xiàn)對(duì)時(shí),通常用兩條線(xiàn)把一個(gè)信號(hào)電壓或是

7、電流傳送到現(xiàn)場(chǎng)儀表或從現(xiàn)場(chǎng)儀表將信號(hào)取回,這個(gè)線(xiàn)對(duì)中的電壓或是電流代表一個(gè)過(guò)程變量,如圖5所示。如果有兩條線(xiàn)對(duì)的電纜,就可以做成兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。這里的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的定義僅指以31.25kbit/s 速率運(yùn)行的設(shè)備和信號(hào),以31.25kbit/s 速率運(yùn)行的設(shè)備也稱(chēng)為H 1設(shè)備。圖5和圖6表示如何從一個(gè)模擬對(duì)線(xiàn)改裝成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。在圖5表示如何將一個(gè)電流回路把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的4-20mA 的模擬信號(hào)連接到控制系統(tǒng),圖6表示同樣的線(xiàn)對(duì)變?yōu)楝F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò),對(duì)其僅做的改變是:控制系統(tǒng)的4-20m A 接口被基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口(F F I 所替代, 這種接口可以是一臺(tái)計(jì)算機(jī)或是一套P L C 2 。模擬的現(xiàn)場(chǎng)

8、儀表和設(shè)備被數(shù)字的現(xiàn)場(chǎng)儀表和 設(shè)備所替代, 這是數(shù)字儀表和設(shè)備可以與基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng) 總線(xiàn)對(duì)話(huà);一個(gè)終端器加在線(xiàn)對(duì)的基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口(FFI 的末端, 另一個(gè)終端器加在線(xiàn)對(duì)的現(xiàn)場(chǎng)儀表或設(shè)備末圖 5傳統(tǒng) 4-20mA 電流回路圖6簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)Techniques of Automation & Applications | 113端,FFI 也可以有一個(gè)內(nèi)置終端,在這種情況下就不用另加終端器。3.2支線(xiàn)支線(xiàn)是越短越好,總支線(xiàn)的長(zhǎng)度受到兩方面的限制:支線(xiàn)的條數(shù)和每條支線(xiàn)上設(shè)備的數(shù)量。如圖7所示,如果只有少數(shù)的幾條支線(xiàn),每條支線(xiàn)布線(xiàn)與安裝應(yīng)用的長(zhǎng)度可以允許到120m,如果有32條支線(xiàn),每條

9、支線(xiàn)的長(zhǎng)度就應(yīng)該小于等于1m 或者更短。表1的直線(xiàn)長(zhǎng)度數(shù)值不是絕對(duì)的,它僅僅是用來(lái)確定一些儀表和設(shè)備的密集度乘以支線(xiàn)長(zhǎng)度的量值。3.3總線(xiàn)中繼器在需要大大長(zhǎng)于1900m 的電纜時(shí),你可以使用中繼器。中繼器充當(dāng)了一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,使用它意味著獲得了一個(gè)新的開(kāi)始,可以增加上另一條1900m 的電纜,如圖8所示。因?yàn)橐粭l新的干線(xiàn)創(chuàng)建出來(lái)了,因此我們必須加上更多的終端器。第一條干線(xiàn)有4臺(tái)設(shè)備,其中1臺(tái)是中繼器,第二條干線(xiàn)有2臺(tái)設(shè)備,其中1臺(tái)也是中繼器。任意兩個(gè)設(shè)備之間最多可以使用4臺(tái)串聯(lián)的中繼器,總 的電纜長(zhǎng)度可打9500m。 中繼器除了可以用來(lái)增加網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度之外,也可以用于增加設(shè)備的數(shù)量,使其超過(guò)每段32

10、臺(tái)設(shè)備的限制,使用中繼器一個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以增到2 40 臺(tái)設(shè)備。 3.4網(wǎng)絡(luò)電纜屏蔽 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可以使用未帶屏蔽的線(xiàn)對(duì),如果這些 導(dǎo)線(xiàn)是放在金屬導(dǎo)管中或敷設(shè)在金屬表面,那么他們有 足夠的屏蔽了,不需要進(jìn)一步再做什么了。然而為了獲 得最好的特性, 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)電纜應(yīng)當(dāng)屏蔽起來(lái), 為此可以表 1 推薦的最大支線(xiàn)電纜長(zhǎng)度圖8增加中繼器的網(wǎng)絡(luò)使用普通的多芯儀表電纜,這種電纜有一對(duì)或多對(duì)雙絞線(xiàn),全部金屬屏蔽和一條屏蔽線(xiàn)。當(dāng)使用屏蔽電纜時(shí),必須將各支線(xiàn)的屏蔽與干線(xiàn)的屏蔽連接起來(lái),然后將所有的屏蔽集中一點(diǎn)進(jìn)行接地。對(duì)于大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō),可以在任何一點(diǎn)接地,然而在一些應(yīng)用中,為了更好的高頻EMI 屏蔽需要多點(diǎn)接地,

11、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)為此提供一個(gè)rf(無(wú)線(xiàn)電頻率多點(diǎn)接地,包含有一個(gè)從屏蔽到地的小電容。3.5總線(xiàn)信號(hào)的極性現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)使用的曼徹斯特信號(hào)是交替電壓,每b i t 改變一次或者兩次極性。在非供電網(wǎng)絡(luò)中只存在這種交流電壓,在供電網(wǎng)絡(luò)中交替電壓是疊加在給設(shè)備供電的直流電壓之上的,無(wú)論哪種情況,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接收電路僅注意交替電壓,正的電壓跳變是一個(gè)意義,負(fù)的電壓跳變是一個(gè)相反意義,所以,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)信號(hào)是有極性的,如果現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備“接反”了,得到的是一個(gè)反向的交替電壓,也就不能通訊了。要建立一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接受所有可能的設(shè)備,必須考慮信號(hào)的極性,所有(+端聯(lián)接在一起,同樣,所有(-端必須聯(lián)接在一起3。使用帶顏色的電纜線(xiàn)這樣聯(lián)接

12、很容易。選擇不用考慮極性的設(shè)備是可能的,但是從一開(kāi)始進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)建立極性可能是安全的,得到的好處是任何設(shè)備可以盲目聯(lián)接。就設(shè)備供電來(lái)說(shuō),總線(xiàn)供電設(shè)備也是有極性的,這些設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到是信號(hào)的極性和電源極性相同。聯(lián)接直流電源的正極到端子的正極自動(dòng)保證了信號(hào)極性的正確。非極性總線(xiàn)供電現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可同時(shí)接收無(wú)論哪種極性的信號(hào)和電源。4基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的應(yīng)用實(shí)例4.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介在半導(dǎo)體制造過(guò)程中要用到大量、高純的氣體,這些氣體一般可簡(jiǎn)單的區(qū)分為大宗氣體(BulkGases,如GN2、PN2、PO2等使用量較大的氣體,和特殊氣體(SpecialtyGases,如BCL3、CL2、SICL4、NH3等以鋼瓶供應(yīng)的

13、氣體。特氣供應(yīng)系統(tǒng)是半導(dǎo)體廠(chǎng)中危險(xiǎn)性最高的一環(huán),只要有任何的疏失都可能造成人員、廠(chǎng)房、設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p失,所以對(duì)于特氣使用的安全性要求就特別高。通過(guò)大量裝置于氣柜、VMB、Scrubber 、機(jī)臺(tái)、環(huán)境之氣體探頭,利用特氣與探頭作用,產(chǎn)生電氣信號(hào)的變化,經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)線(xiàn)路傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接114 | T echniques of Automation & Applications口,到達(dá)PLC 中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,然后發(fā)出聲光報(bào)警,自動(dòng)或者手動(dòng)人工關(guān)閉緊急切斷閥。4.2網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃整個(gè)系統(tǒng)共安裝了35個(gè)氣體探頭,其中10個(gè)氣體探頭安裝在本質(zhì)安全區(qū),其它25個(gè)氣體探頭安裝非本質(zhì)安全區(qū),這就很容易的將現(xiàn)場(chǎng)

14、總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)段訂為兩個(gè),網(wǎng)絡(luò)1和網(wǎng)絡(luò)2。網(wǎng)絡(luò)1從位于控制室的P L C 出發(fā),通向本質(zhì)安全區(qū)的特殊氣體探頭,網(wǎng)絡(luò)2也是從控制室的PLC 出發(fā),通向非本質(zhì)安全區(qū)的腐蝕性氣體探頭和含氧量檢測(cè)探頭。我們按照總線(xiàn)拓?fù)涞挠^點(diǎn)來(lái)看總的情況,首先先看設(shè)備數(shù)量:網(wǎng)絡(luò)1有11臺(tái)設(shè)備,網(wǎng)絡(luò)2有26臺(tái)設(shè)備(兩條網(wǎng)絡(luò)中的P L C 都要計(jì)算在內(nèi),兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量都在32臺(tái)的限制之內(nèi)。根據(jù)最大支線(xiàn)長(zhǎng)度表查到,如果有26臺(tái)設(shè)備在一條支線(xiàn)上,我們就得保證每條支線(xiàn)長(zhǎng)度小于 1m 或者更短,這在實(shí)際應(yīng)用中很難保證,因此在網(wǎng)絡(luò) 2上我們?cè)黾?1 臺(tái)中繼器,這樣就將網(wǎng)絡(luò) 2的干線(xiàn)分成了兩部分:干線(xiàn)1和干線(xiàn)2。因?yàn)樗械脑O(shè)備都在一個(gè)廠(chǎng)

15、房?jī)?nèi)的同一層,電纜總長(zhǎng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)定的1900m,因此不需要計(jì)算。網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)圖如圖9所示。4.3地線(xiàn)的連接圖9典型半導(dǎo)體廠(chǎng)氣體報(bào)警網(wǎng)絡(luò)圖作者簡(jiǎn)介:李喜東(1976-,男,工程師,主要從事自動(dòng)化技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用工作。設(shè)備信號(hào)導(dǎo)線(xiàn)不得用于接地,儀表安全接地必須通過(guò)信號(hào)電纜之外的導(dǎo)線(xiàn)。在網(wǎng)絡(luò)中的任何一處,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備不得將雙絞線(xiàn)對(duì)中的任一根導(dǎo)線(xiàn)與地連接,在現(xiàn)場(chǎng)終端組件(主機(jī)末端,網(wǎng)絡(luò)電纜屏蔽線(xiàn)只能以單點(diǎn)方式接地,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中,電纜屏蔽線(xiàn)不得與儀表地線(xiàn)或機(jī)殼連接?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)電纜的屏蔽,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在整套電纜上只有一點(diǎn)接地,并且不能用作供電電線(xiàn)使用5結(jié)束語(yǔ)基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是一種全數(shù)字的雙向通訊系統(tǒng)它將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到一

16、個(gè)單一的網(wǎng)絡(luò)上,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的有效傳遞和處理4。正確使用基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)應(yīng)注意系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型,節(jié)點(diǎn)分布,通信距離和速率的要求,規(guī)劃好網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型,同時(shí)在選擇電纜,信號(hào)接地,抗電磁干擾等方面注意嚴(yán)格遵循總線(xiàn)規(guī)范。充分發(fā)揮基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)可以提高運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行效益,主要表現(xiàn)在減少停機(jī)、提高生產(chǎn)靈活性、降低過(guò)程可變性、提高資產(chǎn)利用率、減少維護(hù)成本、更符合安全和法規(guī)要求。基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的進(jìn)步為工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展帶來(lái)了深刻的變革。參考文獻(xiàn):1斯可克,王翁華,伍錦編著.基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)功能塊原理及應(yīng)用M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.2陽(yáng)憲惠主編.現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及其應(yīng)用M.北京:清華大學(xué)出版社,1999.3基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)工程指南Z.2004.4艾默生過(guò)程管理基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)Z.2005.(上接第96頁(yè)作者簡(jiǎn)介:萬(wàn)志平(1978-,男,講師,碩士,研究方向:控制工程與軟件