基金會現(xiàn)場總線的拓撲結(jié)構(gòu)及其布線與安裝指導(dǎo)

1、Techniques of Automation & Applications | 111基金會現(xiàn)場總線的拓撲結(jié)構(gòu)及其布線與安裝指導(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)和闡述了基金會現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,拓撲結(jié)構(gòu)及其在實際工程應(yīng)用中安裝與布線方面需要的注意事項,并以某半導(dǎo)體工廠中基金會現(xiàn)場總線工程實踐為例,為基金會現(xiàn)場總線(FieldbusFoundation,FF網(wǎng)絡(luò)布線和安裝提出了一些指導(dǎo)性建議。關(guān)鍵詞:現(xiàn)場總線;基金會總線;網(wǎng)絡(luò)中圖分類號:TP336文獻標識碼:A文章編號: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)場總線技術(shù)是自動控制領(lǐng)域當(dāng)前的熱門技術(shù)和發(fā)展方向。基金會現(xiàn)場總線(FieldbusFoundation,FF是符合國際現(xiàn)場總線標準的8種總線之一,廣泛應(yīng)用于流程工業(yè)。基金會現(xiàn)場總線是純數(shù)字、串行、雙向通訊的系統(tǒng),其作用是作為工廠/車間儀表和控制設(shè)備的局域網(wǎng)(LAN?，F(xiàn)場總線是工廠網(wǎng)絡(luò)層次中最基本一級的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)。基金會現(xiàn)場總線被用于過程和制造自動化應(yīng)用,內(nèi)置在網(wǎng)絡(luò)上分布控制應(yīng)用的功能。2FF 現(xiàn)場總線的拓撲結(jié)構(gòu)基金會現(xiàn)場總線一般會采用以下幾種網(wǎng)絡(luò)拓

4、撲結(jié)構(gòu),為清楚并簡單起見,圖中省略了電源和終端器。在實際應(yīng)用往往會是幾種方式的組合,下面詳細論述每種拓撲結(jié)構(gòu)的特性1。2.1點對點拓撲結(jié)構(gòu)這類拓撲結(jié)構(gòu)是只有由兩臺設(shè)備的段組成,段可以完全在現(xiàn)場(一臺從設(shè)備和一臺主設(shè)備獨立運行,如變送器和閥此外不再帶其它設(shè)備,或者也可以由一臺現(xiàn)場設(shè)備(變送器連接到一個主系統(tǒng)(作為控制或監(jiān)視,如圖1所示點對點總線聯(lián)接。簡單的點對點(主機和每個總線的一個設(shè)備不會 常用,因為它每段只有一個測量或者控制設(shè)備, 如同在 傳統(tǒng)控制 4-20mA 時那樣,同每個具有多個設(shè)備的總線 段相比沒有優(yōu)點。 2.2帶支線拓撲結(jié)構(gòu) 這類拓撲結(jié)構(gòu)方式,現(xiàn)場總線設(shè)備通過一段支線的電纜聯(lián)接到總

5、線段上。支線的長度可以從1m 到120m,長度小于1m 的支線看作是一個接頭,如圖2所示,帶支線總線聯(lián)接。圖1簡單點到點拓撲結(jié)構(gòu)112 | T echniques of Automation & Applications2.3菊花鏈拓撲結(jié)構(gòu)這種聯(lián)接方式,在一個段中現(xiàn)場總線電纜從一臺設(shè)備走到另一臺設(shè)備,在每個現(xiàn)場設(shè)備的端子上互連。使用這種拓撲安裝應(yīng)該使用聯(lián)接器或一種接線方式,使得一臺設(shè)備的接線斷了不會影響整個段的工作,如圖3 所示菊花鏈聯(lián)接。 2.4樹形拓撲結(jié)構(gòu) 樹形拓撲結(jié)構(gòu)就是在一臺現(xiàn)場總線段上的設(shè)備都 是以獨立的雙絞線聯(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、于通向主機電纜的一個端上,實際上同一段上的設(shè)備是相互分開的,但是一般是 在同一個接線盒的區(qū)域內(nèi)。如圖4 所示,樹形聯(lián)接。使 用這種布局方式,必須考慮到支線電纜的最大長度。 3FF 現(xiàn)場總線的安裝 一個現(xiàn)場總線段是由一個或多個段組成,每個段一圖 2 帶支線總線拓撲結(jié)構(gòu) 圖 3 菊花鏈拓撲結(jié)構(gòu)圖4樹形拓撲結(jié)構(gòu)般包含幾個運行設(shè)備,需要一個電源(用于總線供電設(shè)備,和設(shè)在每段末端的專用終端器組成,為了簡單起見,這里只討論只有一個段的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。由于基金會現(xiàn)場總線是純數(shù)字協(xié)議,現(xiàn)場總線的布線、安裝與維護的規(guī)則不同于傳統(tǒng)的4-20m A 布線。3.1網(wǎng)絡(luò)建立在安裝模擬線對時,通常用兩條線把一個信號電壓或是

7、電流傳送到現(xiàn)場儀表或從現(xiàn)場儀表將信號取回,這個線對中的電壓或是電流代表一個過程變量,如圖5所示。如果有兩條線對的電纜,就可以做成兩個現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。這里的一個網(wǎng)絡(luò)的定義僅指以31.25kbit/s 速率運行的設(shè)備和信號,以31.25kbit/s 速率運行的設(shè)備也稱為H 1設(shè)備。圖5和圖6表示如何從一個模擬對線改裝成一個現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。在圖5表示如何將一個電流回路把現(xiàn)場設(shè)備的4-20mA 的模擬信號連接到控制系統(tǒng),圖6表示同樣的線對變?yōu)楝F(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò),對其僅做的改變是:控制系統(tǒng)的4-20m A 接口被基金會現(xiàn)場總線接口(F F I 所替代, 這種接口可以是一臺計算機或是一套P L C 2 。模擬的現(xiàn)場

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

9、支線的長度就應(yīng)該小于等于1m 或者更短。表1的直線長度數(shù)值不是絕對的,它僅僅是用來確定一些儀表和設(shè)備的密集度乘以支線長度的量值。3.3總線中繼器在需要大大長于1900m 的電纜時,你可以使用中繼器。中繼器充當(dāng)了一臺現(xiàn)場設(shè)備,使用它意味著獲得了一個新的開始,可以增加上另一條1900m 的電纜,如圖8所示。因為一條新的干線創(chuàng)建出來了,因此我們必須加上更多的終端器。第一條干線有4臺設(shè)備,其中1臺是中繼器,第二條干線有2臺設(shè)備,其中1臺也是中繼器。任意兩個設(shè)備之間最多可以使用4臺串聯(lián)的中繼器,總 的電纜長度可打9500m。 中繼器除了可以用來增加網(wǎng)絡(luò)長度之外,也可以用于增加設(shè)備的數(shù)量,使其超過每段32

10、臺設(shè)備的限制,使用中繼器一個網(wǎng)絡(luò)最多可以增到2 40 臺設(shè)備。 3.4網(wǎng)絡(luò)電纜屏蔽 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)可以使用未帶屏蔽的線對,如果這些 導(dǎo)線是放在金屬導(dǎo)管中或敷設(shè)在金屬表面,那么他們有 足夠的屏蔽了,不需要進一步再做什么了。然而為了獲 得最好的特性, 現(xiàn)場總線電纜應(yīng)當(dāng)屏蔽起來, 為此可以表 1 推薦的最大支線電纜長度圖8增加中繼器的網(wǎng)絡(luò)使用普通的多芯儀表電纜,這種電纜有一對或多對雙絞線,全部金屬屏蔽和一條屏蔽線。當(dāng)使用屏蔽電纜時,必須將各支線的屏蔽與干線的屏蔽連接起來,然后將所有的屏蔽集中一點進行接地。對于大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)來說,可以在任何一點接地,然而在一些應(yīng)用中,為了更好的高頻EMI 屏蔽需要多點接地,

11、現(xiàn)場總線為此提供一個rf(無線電頻率多點接地,包含有一個從屏蔽到地的小電容。3.5總線信號的極性現(xiàn)場總線使用的曼徹斯特信號是交替電壓,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,無論哪種情況,現(xiàn)場總線接收電路僅注意交替電壓,正的電壓跳變是一個意義,負的電壓跳變是一個相反意義,所以,現(xiàn)場總線信號是有極性的,如果現(xiàn)場設(shè)備“接反”了,得到的是一個反向的交替電壓,也就不能通訊了。要建立一個現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)接受所有可能的設(shè)備,必須考慮信號的極性,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,但是從一開始進入網(wǎng)絡(luò)時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)備供電來說,總線供電設(shè)備也是有極性的,這些設(shè)備設(shè)計時就考慮到是信號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保證了信號極性的正確。非極性總線供電現(xiàn)場設(shè)備可同時接收無論哪種極性的信號和電源。4基金會現(xiàn)場總線的應(yīng)用實例4.1系統(tǒng)簡介在半導(dǎo)體制造過程中要用到大量、高純的氣體,這些氣體一般可簡單的區(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)體廠中危險性最高的一環(huán),只要有任何的疏失都可能造成人員、廠房、設(shè)備的嚴重損失,所以對于特氣使用的安全性要求就特別高。通過大量裝置于氣柜、VMB、Scrubber 、機臺、環(huán)境之氣體探頭,利用特氣與探頭作用,產(chǎn)生電氣信號的變化,經(jīng)過現(xiàn)場總線線路傳輸?shù)浆F(xiàn)場總線接114 | T echniques of Automation & Applications口,到達PLC 中進行數(shù)據(jù)處理,然后發(fā)出聲光報警,自動或者手動人工關(guān)閉緊急切斷閥。4.2網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃整個系統(tǒng)共安裝了35個氣體探頭,其中10個氣體探頭安裝在本質(zhì)安全區(qū),其它25個氣體探頭安裝非本質(zhì)安全區(qū),這就很容易的將現(xiàn)場

14、總線網(wǎng)絡(luò)段訂為兩個,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探頭。我們按照總線拓撲的觀點來看總的情況,首先先看設(shè)備數(shù)量:網(wǎng)絡(luò)1有11臺設(shè)備,網(wǎng)絡(luò)2有26臺設(shè)備(兩條網(wǎng)絡(luò)中的P L C 都要計算在內(nèi),兩個網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量都在32臺的限制之內(nèi)。根據(jù)最大支線長度表查到,如果有26臺設(shè)備在一條支線上,我們就得保證每條支線長度小于 1m 或者更短,這在實際應(yīng)用中很難保證,因此在網(wǎng)絡(luò) 2上我們增加 1 臺中繼器,這樣就將網(wǎng)絡(luò) 2的干線分成了兩部分:干線1和干線2。因為所有的設(shè)備都在一個廠

15、房內(nèi)的同一層,電纜總長度要遠遠小于規(guī)定的1900m,因此不需要計算。網(wǎng)絡(luò)簡圖如圖9所示。4.3地線的連接圖9典型半導(dǎo)體廠氣體報警網(wǎng)絡(luò)圖作者簡介:李喜東(1976-,男,工程師,主要從事自動化技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用工作。設(shè)備信號導(dǎo)線不得用于接地,儀表安全接地必須通過信號電纜之外的導(dǎo)線。在網(wǎng)絡(luò)中的任何一處,現(xiàn)場總線設(shè)備不得將雙絞線對中的任一根導(dǎo)線與地連接,在現(xiàn)場終端組件(主機末端,網(wǎng)絡(luò)電纜屏蔽線只能以單點方式接地,現(xiàn)場設(shè)備中,電纜屏蔽線不得與儀表地線或機殼連接?，F(xiàn)場總線電纜的屏蔽,依據(jù)標準在整套電纜上只有一點接地,并且不能用作供電電線使用5結(jié)束語基金會現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字的雙向通訊系統(tǒng)它將現(xiàn)場設(shè)備連接到一

16、個單一的網(wǎng)絡(luò)上,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的有效傳遞和處理4。正確使用基金會現(xiàn)場總線應(yīng)注意系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型,節(jié)點分布,通信距離和速率的要求,規(guī)劃好網(wǎng)絡(luò)類型,同時在選擇電纜,信號接地,抗電磁干擾等方面注意嚴格遵循總線規(guī)范。充分發(fā)揮基金會現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)勢可以提高運行質(zhì)量和運行效益,主要表現(xiàn)在減少停機、提高生產(chǎn)靈活性、降低過程可變性、提高資產(chǎn)利用率、減少維護成本、更符合安全和法規(guī)要求?；饡F(xiàn)場總線技術(shù)的進步為工業(yè)自動化的發(fā)展帶來了深刻的變革。參考文獻:1斯可克,王翁華,伍錦編著.基金會現(xiàn)場總線功能塊原理及應(yīng)用M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.2陽憲惠主編.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用M.北京:清華大學(xué)出版社,1999.3基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)工程指南Z.2004.4艾默生過程管理基金會現(xiàn)場總線技術(shù)Z.2005.(上接第96頁作者簡介:萬志平(1978-,男,講師,碩士,研究方向:控制工程與軟件