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現(xiàn)場總線入門

   2011年02月16日 13:43  
  現(xiàn)場總線很簡單。如此簡單,也許您會問,到底現(xiàn)場總線是什么呢。本文將會關注于在過程控制中兩種基本的現(xiàn)場總線:PROFIBUSPA和FOUNDATIONfieldbus™H1。我們將會談到現(xiàn)場總線如何工作,如何連接到儀器。也會解釋——大多數(shù)情況下——為什么你不能像廣告所宣稱的可以在一個現(xiàn)場總線主干線上連接32個設備。
  
  我們也會談到PROFIBUS、基金會現(xiàn)場總線和FISCO的不同。實體上安全的現(xiàn)場總線系統(tǒng),安裝冗余的主干線,以及EDDL和FDT比較。
  
  現(xiàn)場是怎么工作的?
  
  在模擬控制系統(tǒng)中,設備生成4-20mA的輸出信號,通過雙絞線從遠程分裂蒸餾塔、液體灌和過程單元一路傳送到控制室、集成架、遠程I/O集成器或是遠程終端設備。相似的,4-20mA的控制信號從控制室到閥執(zhí)行裝置、泵和其它一些控制設備。數(shù)百有時甚至數(shù)千的電纜通過電纜盤、終端架、配電柜、場地和管道迂回前進。
  
  低消耗的有效性、適合現(xiàn)場設備的強大的處理器開拓了消除大量的電纜同時增強了工廠數(shù)據(jù)的有用性的道路。
  
  圖1傳統(tǒng)的4-20mA的現(xiàn)場布線往往把電線、電纜、終端變的亂糟糟的
  
  圖2安裝現(xiàn)場總線大大簡化了布線
  
  不同于使用大量的獨立電纜,現(xiàn)場總線允許大量設備只使用一根電纜,叫做主干線(圖2);每個設備作為一個分支連接到電纜上。當然,每個設備都會有連接到主干線的現(xiàn)場總線接口,并運行某些軟件來提供現(xiàn)場總線通訊。
  
  每個現(xiàn)場總線的主干線——無論是基金會現(xiàn)場總線H1還是PROFIBUSPA——是一個簡單的雙絞線,傳輸數(shù)字信號和直流電源,連接32個現(xiàn)場總線設備(溫度、流量、水平位置、和壓力傳感器、智能閥、執(zhí)行機構(gòu)等)到DCS或是相似的控制系統(tǒng)。大多數(shù)裝置是雙線總線驅(qū)動電流是10mA到20mA,但是,也會有4線現(xiàn)場總線裝置,通常在需要電流特別高的地方。
  
  在控制系統(tǒng),一個現(xiàn)場總線主干線開始于一個接口設備。在一個FOUNDATION現(xiàn)場總線H1(FF)系統(tǒng),接口被叫做H1卡;在PROFIBUSPA系統(tǒng),它是PROFIBUSDP/PA主干線適配器。在主干線上根據(jù)信號布線和電能需求方式,F(xiàn)F和PA在以下幾點上是一致的:
  
  ●zui小設備操作電壓9V;
  
  ●zui大總線電壓32V;
  
  ●zui大總線長度1900米(屏蔽雙絞線)。
  
  總線所需要的直流電源通常是通過現(xiàn)場總線供電,或是直流電壓調(diào)節(jié)器短路時所引起的高頻信號。典型的功率調(diào)節(jié)器可以在350mA到500mA之間有效,通常會在主干線-主干線之間防止干擾。對于PA,主干線適配器通常協(xié)調(diào)電源調(diào)節(jié)器的因素。在FF主干線電源調(diào)節(jié)器從H1接口卡上分離出來,通常被安裝在多余的雙絞線上,用來改善整體的可靠性。圖3顯示了典型的現(xiàn)場總線的主干線。
  
  計算一個現(xiàn)場總線的主干線上可以安裝多少個設備時,用戶必須把每臺設備所需要的zui大電流、主干線長度(因為電壓會在電纜傳輸過程中衰減)、和其它因素考慮進去。這個計算是簡單的歐姆定律的問題,目的在于當把所有的電壓衰減因素考慮進去之后,顯示zui少9V可以傳輸?shù)街鞲删€的終端。例如,每個需要320mA的設備以驅(qū)動20mA驅(qū)動16個設備,所以如果主干線是基于18AWG的電纜,并用25V的電源協(xié)調(diào)器供電,如果保證傳到終端的電壓為9V,則zui大的電纜長度是1000米。注意,許多用戶在9V之上了一個zui小的操作電壓,來允許意外的電流負載,以及未來的附加設備。
  
  圖3一個現(xiàn)場總線主干線開始于H1接口卡,基金會現(xiàn)場總線的一個電源,或是PROFIBUS主干線適配器。在一個主干線可以支持32個設備。方框中顯示“T”的代表終端。
  
  連接設備
  
  如所表述的那樣,每個現(xiàn)場總線設備以并列的方式連接到主干線。每個簡單的分支連接成為一個“T”。簡單的“T”連接(圖4)的問題就是,如果其中的一個設備出現(xiàn)問題,整個主干線將不能工作。在維修設備的時候,就會可能發(fā)生短路,現(xiàn)場的一些事故,可能會導致電氣問題或是主機的一些其它問題。所以要保證現(xiàn)場總線的成功實施,短路保護是一個必要條件。
  
  圖4“T”配置是現(xiàn)場總線zui簡單的連接方式。然而一旦一個設備失敗或是“短路”,它將會導致整個主干“癱瘓”。
  
  另外一種方式就是通過現(xiàn)場總線接線。通常會涉及到“設備適配器”——例如MooreHawke™TG200TRUNKGUARD™(圖5)——這就允許多個現(xiàn)場總線設備連接到一個位置。典型的情況是,用戶會安裝一個設備適配器,把附近的設備與之連接。現(xiàn)場總線那電纜將會與其它設備適配器連接。一個多設備主干可能會有幾個設備適配器。
  
  在設備適配器中使用兩種典型的電子分支短路保護方法。“電流極限”和“反向保護”兩種方法都可以防止主干上的分支短路錯誤,兩種方法都可以消除錯誤自動回復正常。
  
  電流極限技術(shù)短路電路的功率量,可以達到40mA到60mA(不同廠家各異)。但是它會在主干上持續(xù)保持這個錯誤。盡管這個設計保護了主干免于初始短路,額外的電流消耗將會剝奪其它設備從主干電源獲得電能,將會可能導致主干災難性故障。
  
  當短路保護剝奪了其它設備的電能以后,某些設備就會因為沒有足夠的電能進行主要操作而失效。因而,當電流極限保護方法使用在設備適配器上時,許多終端用戶要保留一個安全裕量。也就是說不要安裝主干理論上所允許多個的設備,要保留一些空余分支。
  
  例如,一個用戶如果期望主干可以在有兩個出錯設備的情況下繼續(xù)工作——失敗的設備可以占用120mA的電流——主干計算時就應該假設zui大電流可用值350mA減去120mA作為輸出時的電流,即230mA。
  
  雖然理論上主干可以驅(qū)動32個設備,每個設備10mA,但是實際上,它只能支持23個這樣的設備。在實際應用中,一些用戶在使用電流極*十分謹慎,只在每個主干上使用16個設備以防止大規(guī)模的主干失敗。
  
  MooreHawke的TRUNKGUARD設備適配器,應用了反向保護技術(shù),從主干上斷開了短路的分支,防止整個網(wǎng)絡的損失。反向保護技術(shù)在每個分支上有一個邏輯電路(圖6),檢測每個分支或是設備上的短路情況,從主干上斷開分支,并有紅燈閃爍,以提醒維修人員。
  
  有了反向保護設備適配器,用戶可以不再為分支失敗擔心,可以放心的在現(xiàn)場總線主干線上放置更多的設備。因為H1卡的花費(2500美元)和其它主干硬件的昂貴花銷,在一個主干上放置更多的設備可以節(jié)省用戶不少的開支。
  
  主干終端
  
  每個現(xiàn)場總線為了通訊需要先要被兩個終端中止,如果主干沒有很好的中止,就會發(fā)生由于信號反射引起的通訊錯誤。許多設備使用手動開/關DIP開關來中止適配器,在一個主干中,zui后一個設備適配器,應包含一個終端器,所有的位于zui后一個適配器和H1卡之間的適配器應該把他們的終端器開關扳到關。
  
  圖5一個設備適配器允許多個設備連接到現(xiàn)場總線主干線。每個分支有一個短路保護,它不會對整個網(wǎng)絡造成危害。每個主干上可以使用多個適配器。
  
  圖6反向短路保護有一個可以檢測短路的邏輯電路,從主干上移除短路部分,并閃爍紅燈。防止短路危及整個主干。
  
  在圖3和圖5中標有“T”的方框顯示了一個典型的主干合適的中止位置。
  
  在啟動過程中運行時經(jīng)常會遇到的問題是判斷終端器的位置是否正確。在安裝現(xiàn)場總線設備時,DIP終端器的開關有時候沒有在正確位置,就會在啟動過程中產(chǎn)生問題。設備可能會運行不正常,不明原因的退出主干,通常會產(chǎn)生嚴重破壞——所有這些都是因為終端器沒有設置正確。
  
  要檢查這個錯誤經(jīng)常要對每個設備適配器進行物理檢查,來判斷整個主干的設備適配器是否設置正確。
  
  在TRUNKGUARD設備適配器中所使用的自動主干終端,簡化了運行和啟動。當設備適配器在判斷它是否是zui后一個現(xiàn)場總線設備適配器時,它會自動啟動;如果是,它就會自動把主干中止。如果不是,它不會自動中止主干,下游的設備適配器將會執(zhí)行這個任務。安裝人員沒有必要再進行設置DIP開關這樣的工作來設置主干終端了。
  
  冗余現(xiàn)場總線
  
  現(xiàn)場總線有一個zui大的問題就是,所有的通訊和供電都基于一個簡單的雙絞線電纜。一旦這個電纜發(fā)生問題,它將會一次性的導致主干上所連接的所有設備失敗。不但主干失去了對其上的設備的控制

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