The Network Cabling and Installation of the F ieldbus Control Systrm
杨庆柏 马洪勃(沈阳电力高等专科学校,沈阳 110036)
关键词:控制 现场总线 网络布线 安装
K ey w ords:Control Fieldbus N etw ork cabling I nstallation
摘 要 从工程应用出发,首先介绍了现场总线网络的基本构成,接着详细介绍了现场总线控制系统(FCS)的网络布线与安装的技术要求,如网络扩充、总线供电与网络配置等。
Abstract The basic con figuration of the fieldbus netw ork is introduced from engineering application view point and the technical requirements of netw ork cabling and installation of the fieldbus control system(FCS)are described in detail,e.g.netw ork ex pansion,fieldbus power supply and netw ork con figuration,etc.
0 引言
由于现场总线控制系统(fieldbus control system,简称FCS)的数字化通信特征,使得FCS的布线与安装和传统的模拟控制系统有很大区别。在安装4～20mA模拟仪表时,用2条线把一个信号送至现场或取至现场,该线对中的电流或电压代表一个过程变量;而在安装现场总线网络时,在2条线上挂接着多个现场设备(或仪表),传送着温度、压力、流量、液位等多种类、多测点的过程变量和其它信息,因此,FCS的网络布线与安装有许多新的要求和新的特点。
1 现场总线网络的基本构成部件
现场总线网络主要由现场总线设备(或仪表)、终端器、电缆、总线供电电源、中继器、网桥、网关、现场总线接口和端子块等部件构成。
1.1 现场总线设备(FD)
网络上连接的现场设备有两种:一种是总线供电式现场设备,它需要从总线上获取工作电源,总线供电电源就是为这种设备准备的。另一种是单独供电的现场设备,它不需要从总线上获取其工作电源。常用的现场总线设备有温度变送器、压力(差压)变送器、流量变送器、液位变送器、智能调节阀等。这些现场总线设备不仅有信号变换功能,而且还有组态运算及控制功能。
1.2 终端器(T)
终端器是连接在总线末端附近的阻抗匹配元件。每个总线段上需要2个,而且只能有2个终端器。终端器采用反射波原理使信号变形最小,它所起到的作用是保护信号,使它少受衰减与畸变。有时,将终端器电路内置在电源、安全栅、PC接口卡和端子排内。在安装前要了解清楚是否某个设备已有终端器,避免重复使用,影响总线的数据传输。
1.3 电缆
FF(现场总线基金会)的H1电缆为低速现场总线,通信速率为31、25kb/s,传输介质为双绞线,传输距离与传输电缆类型的关系如表1所示。
表1 H1电缆类型及最大距离
电缆类型电缆说明规格/mm2最大距离/m
A单对双绞线屏蔽0.801900
B多对双绞线屏蔽0.321200
C多对双绞线不屏蔽0.13400
D多芯非双绞线屏蔽0.125200
由表1可知,首选的现场总线电缆是A型,一般用于新的装置;替代首选的现场总线电缆是B型,一般用于新的或改造的装置;不推荐的现场总线电缆是C和D型。其它类型的电缆也可在FCS中使用,如对于改造的装置,也可用已敷设的电缆替代。
1.4 总线电源
总线电源为总线供电的现场总线设备提供电源。总线电源分为131型(为给安全栅供电的非本安电源)、132型(为普通非本安电源,输出电压最大值为直流32V)和133型(本安电源)。
1.5 中继器
中继器是一台总线供电或非总线供电设备,它用于扩展现场总线网络。现场总线网络上任意2台设备之间最多可以使用4台中继器,使用4台中继器时,网络中2台设备间的最大距离可达9500m(A型电缆)。
1.6 网桥
网桥是1台总线供电设备或非总线供电设备,用
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现场总线控制系统的网络布线与安装 杨庆柏,等
于连接不同速率的现场总线段或不同物理层,如金属线、光纤等现场总线网段,以便形成更大的网络。1.7 网关
网关是总线供电或非总线供电设备,用于将现场总线的网段连向其他通信协议的网段,如以太网、Lon 2W orks 网段和RS -485等。1.8 现场总线接口卡
用于现场总线与操作站(PC )的连接。1.9 端子块
端子块通常提供多台总线设备的连接,所以1台设备可以接到任何一组总线端子上。有了专为现场总线设计的端子块,使得网络布线更加容易。
2 现场总线网络的布线
在现场总线网络布线时,首先要根据现场总线设备的安装位置,测量干线及支线的长度,选择电缆类型;然后再根据信号类型及防爆等级,选择现场总线设备,并计算供电电压。2.1 网络扩充
现场总线的网段是由干线和支线构成的。干线是指总线网段上挂接设备的最长电缆路径,其它与之相连的线缆通道都叫做支线。网络扩充是在干线的任何一点分接或延伸,并添加网络设备而实现的。
网络扩充应遵循一定的原则,或者说应受到某些。如网段上的干线长度和支线长度的总和是受的。不同类型的电缆对应不同的最大长度,具体要求见表1。
支线应该越短越好,支线的总长度要根据支线的数目和每个支线上的设备数加以。总线设备数及支线长度的关系见表2。例如,1个支线可被延长至120m ,这是在支线数较少时,如1台设备1条支线。如有32个支线或每个支线上1台设备时,那么,每个支线应短于1m 。支线表的数值并不是绝对的,如有25个支线,每个支线上有1台设备,严格按照表2规定,会选择1m 的支线长度。如果能去掉1台设备,表2中
表2 总线设备数及支线长度
设备总数
1台设备/支线2台设备/支线3台设备/支线4台设备/支线25～32111119～243011115～1860301113～1490603011～12
120
90
60
30
显示的每个支线可有30m 长。若仍用25台设备,可以使其中一个少于30m ,这也是可以的。
一条网络可以是几种类型电缆混用,但必须遵循下式:
L A /L M A +L B /L M B +L C /L M C +L D /L M D ≤1(1)式中:L A ～L D 为每类实用电缆的长度;L M A ～L M D 为每类电缆的最大长度(见表1)。
例如,假设想混合使用A 型电缆1000m 和D 型电缆150m ,则
L A /L M A +L D /L M D =1000/1900+150/200
=1.276
(2)
由于计算结果大于1,表明不能混用。如果改成A
型电缆475m 和D 型电缆150m ,按公式计算结果正好等于1,那么可以混用。
如果需要使用长于1900m 的电缆,可以使用中继器。中继器取代一个现场总线设备的位置,但这意味着要开始一个新的起点,新增加了1条1900m 的电缆,即创建了新的干线。这样便可以添加更多的现场设备。2.2 总线供电与网络配置在网络上如果有两线制的总线供电设备,应该确保有足够的电压可以驱动它。每台设备至少需要9V ,为了确保这一点,在配置现场总线网段时需要知道每个设备的功耗、设备在网络中的位置、电源在网络中的位置、每段电缆的阻抗和电源电压等情况。
当选用现场总线供电时,必须计算现场设备的供电电压。供电电压取决于现场总线电缆长度及电阻,现以图1为例,介绍供电电压的计算方法
。
图1 电源与网段布线示例图
图1中已标出每段电缆长度。现采用B 型电缆,
该电缆电阻每米长为0.1Ω。供电电源电压为12V ,每台现场设备(FD )耗电流10mA 。根据电缆长度及电阻,即可计算出每台设备的供电电压,现已标于现场设备(FD )旁边。计算过程和数值列于表3和表4。由计算
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4《自动化仪表》第22卷第5期 2001年5月
PR OCESS AUTOMATION INSTRU MENTATION ,V ol .22,N o .5,May ,2001
表3 电缆线上的电压降
电缆长度/m电缆电阻/Ω电流/m A电压降/V
2002050 1.0
3003040 1.2
505100.05
303100.03
101100.01
50.5100.005
表4 现场设备的供电电压
支线设备现场设备的供电电压/V
50m设备12-1-0.05=10.95
干线右端12-1-1.2=9.8
30m设备9.8-0.03=9.77
10m设备9.8-0.01=9.79
5m设备9.8-0.005=9.795
端子块是为现场总线布线专门设计的,它相当于4～20mA信号线的接线盒或端子排,所不同的是端子块为一对多,即端子块连接现场总线一端为一股双绞线,而另一端为多股双绞线。由此看来,有了这样的专用端子块将使布线更加容易。图1干线右端端子块为树型连接4台现场总线设备及1个终端器,另1个终端器接于网桥端。干线和支线屏蔽层必须汇集于一点接地,接地点选择在现场总线设备的接线盒处。
3 结束语
现场总线控制系统采用现场总线技术,具有强大的控制优势和广阔的发展前景。目前,现场总线控制系统已在国内的几十个企业中应用,因此,应尽快了解和掌握现场总线控制系统设计和安装方面的技术,从而加快现场总线控制系统在工业控制领域里的应用进程。
参考文献
1 阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京:清华大学出版社,1999
2 杨庆柏.热工过程控制仪表.北京:中国电力出版社,1998
收稿日期:2000-11-01。
第一作者杨庆柏,男,1955年生,19年毕业于东北电力学院,教授;主要从事工业自动化的科研与教学工作,公开发表论文近百篇。
(上接第42页)
后与线速度叠加输出给调速器。但调试时,发现张力振荡,无法稳定,速度稍高即断纸。这主要是从张力读入、运算,再至输出至少有一个扫描周期的延迟,导致张力控制的实时性不能满足要求。由于选用的欧陆公司的调速器本身带PI D调节模块,这个问题可容易地得到解决(见图6),线速及张力设定等静态参数依旧由主站通过网络传给驱动P LC,再输出给调速器,而张力反馈值则直接进调速器,张力的调节由重组态后的调速器完成,这样张力的调节便无滞后地加给调速器,可靠地解决了张力的波动问题。虽然遇到的只是t
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引起的问题,但可以推断如果通过PROFI BUS网来传递象张力调节这样的动态参数,其实时性也将存在问题的。ET200的实时性不仅同通信速率有关,而且同各站本身的运行速度有关,如果一味地提高通信速率不但不能使性能指标改善,反而使网络的可靠性下降,且高的通信速率对媒质要求较高,本例中采用屏蔽双绞线,当将通信波特率设为115Mb时,总有一二个站不能联通,当将通信波特率降至500K b时可全部联通,原因不确定,可能同连接头、通信线缆的质量及长度或外部电磁环境有关。所以,在设计方案时应注意权衡。4 结束语
ET200分布式I/O组成的印刷机控制系统,三年运行下来数据通信从未出过问题,目前机器能稳定可靠地运行在450m/min,它证明改造是成功的。总的来说,它配置的灵活性、高效的传输特性、软硬件的稳定性以及基于PROFI BUS通信协议的特点必定使它具有广阔的应用前景。
收稿日期:2000-09-21。
第一作者黄卫,男,1968年生,1990年毕业于东北重型机械学院,工程师;主要从事设备维修及机电产品的开发。
科 学 名 言
科学、科学上的发明和成果、科学工作者以及举世瞩目的人物———所有这些都应当成为诗歌描写的内容。
人类活动的一切科学领域,比起其它所有的领域来,也
许更令人钦佩、赞叹和振奋。
———高尔基
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