现场总线控制系统在水泥工业应用设计

现场总线控制系统在水泥工业应用设计 现场总线控制系统在水泥工业应用设计 邱文斗 合肥水泥研究设计院自动化所 l 概述 现场总线控制系统在近几年来得到了迅速发展，越来越受到自动化方面制造商与用户 的极大关注。现场总线的出现将给工业生产过程自动化领域棚}来了又,次革命，开创了自 bm C仰州syst?，将逐)动化的新纪元。基于现场总线及智能化仪的控制系统FCS(F瑚d 步取代传统的DCS。己成为发展趋势。 现场总线就是建立一种全数字化、高性能、多支路 通讯的能应用于实际生产与其他领 域的通讯技术。它能将模拟信号数字化这一工作从计算机端移到现场仪表端，计算机与现 场仪表间传达的不是模拟信号(丽是数字信息。它也保证连接可相互操作的产品并能把控 制功能分散到现场仪表中去，实现数字形式宽范围的通讯。它也必须是完全开放的，用户 能自由选择不同厂家的现场仪表与执行器，利用现场总线构成自己的自动化系统，且实现 了可互操作性、可互换性、可移植性与多平台支持(系统集成大大简化，维护十分方便，投 资将大幅度下降(据发达国家有关资料显示，现场总线系统与DCS相比，可节约投资6d,， 就我国目前情况来看，数字化现场仪表大部分靠引进技术生产或直接引进产品，成本 因此，节约幅度不如图外那么高，但是，随着我国仪表制造技术的不断发展，其程较高。 日趋与国外市场,致。现场总线是,个计算机网络，每个节点或是一台智能化仪表度也将 台控制执行装置或是一个0N(0F开关等。计算机网络有两个特点:一是在阿上传或是一 号都是数字信号，二是多个节点可以共用一个弁质，介质的共用使得传输距离加长输的信 联线的成本，而数字化使得检错、纠错手段得以实现，提高了传输的可靠性。国际并降低 ISO 制定了开放系统互联模型，即OsI计算机弼络分为七层，而现场总线规约中一标准 第一层(即物理层)、第二层(即数据链路层)和第七层(即应用层)这三个层次。 般只包括 现场总线概念的引入将导致传统的DCs{蠡入输出结构被现场总线所取代。 现场总线简 化了仪表信号或状态信号线的布线工作，可以节省大量金属导线。模拟信号在现场端直接转化为数字信号，极大地提高了信号转换的精度和可靠性，在传输过程中 避免了模拟信号的衰减精度降低干扰信号的引入等长期难以解决的问。由于数字信息传 输具有完善的纠错技术使得信息传输的误差大大降低。传输介质的多种性:如双绞线、光 纤、无线电波、红外线等，大大提高了在不同现场条件下信息传输的适应性。 现场总线的开发与应用，起源于欧洲，后来发展到北美与南美，到现在为止，各类型 的现场总线约有柏多种(其中有的成为本国国家标准或企业标准r还有三种己成为欧洲 标准。为了使自己的产品能占领世界市场(因此，围绕着现场总线的国际标准展开了一场 争夺战，其结果形成了二个相持的标准，即现场总线基金会FF与PROFmUS。从目 前的 形势看，FF占有明显的优势周此，以下介绍的现场总线知识是基于基金会现场总线FF。2 FCS应用预备知识 2(I OsI模型与现场总线模型比较 大家知道?oSI通讯模型按分为七层，依序为:物理层、数 字链路层、网络层、传输层、 会话层、表示层、应用层。而基金会现场总线技术由三层组成:1)物理层，基口OSI的第 一61— 一层;物理屡从通信栈接收报文，并将其转换成在现场总线通信介质上传输的物理介质上 传输的物理信号(反之亦然。转换任务包括加上和除去前同步信号起始定界符和结束定界 符。2)通讯“栈”，它实际上是由Osl的第二层(即数字链路层DDL)与第七层(即应 用 3)用户应用层。它是采用开放系统互联层次通信模型来模型 化层:现场总线报文: OSI的第三、四、五、六部分它的访问子层(FAs)将 这些组成部分。现场总线不用 报文规范(FMS)映射到DDL上。 2 2 不同速率现场总线的用途、信号与布线 2(2(1 31_25kbit,s现场总线(H1) 31(25kbit,s现场总线可用于温度、物位和流量控制磐控制场合。其没备可由现场 总线直接供电，也能在原有的4,20?IA设备的线路上运行;也以总线供电设备方式支持本 质安全的。为此，应在区域的电源和危险区域的本质安全设蔷之间加上本质安全栅。 3I(25kbi t,s现场总线信号，发送设备以31(25I【bit,s述率将10mA电流信号传送给 一个50欧姆的等效负载，产生一个调制在Dc电源电压范围为9—32V、lV峰一峰值的电压 号。然而(对于安全本质应用场合，允许的电源电压应由安全栅额定值给定。 信 31(25抽i c,s现场总线的布线允许抽头或“支线”，总线的长度由通信速率电缆型号 线 经总线供电方式等选择决定。 终端器安装在干线的每一端点。 在支线上每加一台设备，支线长度必须减短30米。 现场总线可挂接的设备数将依赖于 所用电缆类型(是否使用中缮 诸如每台设备功耗， 器等因素。见下图表。 堂备!宣2 塞堡益厘!苤2 25?32 l 19(24 30 好 15-1660 13(14 90 1-12 120 共? 一r?啦?,一 电缆长度=干线长度+所有支线长度 晟太长度;1900米“A”型电缆 2 2 2 l卟仰i洮和2 5Mbit，s现场总线(H2) I oMbi以和2(5Mbi以现场总线一般用于高级过程控制、远程输入懒出和高速的工厂自动化场合。尽管物理屡标准允许设备由总线供电，但大步数应用中设备将自接电源或 由现场总线上单独电源线供电(也就是四芯电缆)。 1 0^髓迁，s和2(5加'i以0A曲i以和2(5Mbic，s现场总线采用电压模式信号。发送设备以l 速率将60rnA电流信号传送75欧姆等效负载上，在现场总线上产保持9V峰(峰值的电压信 号。 1 oMbn，s和2(5Mb“，s现场总线的布线。因其速率较高，只支持总线结构，不允许支 线(因为会引起信号反射，导致现场总线信号的畸变。现场总线可挂接的设备数将依赖于 诸如每台设备的功耗，所用电缆类型，是否使用中继罂等原因。见下图表。 一52一 速度 电缆长度 设备台数 l OMbi魄 750m 2-32 2。5Mbi以 500rn 2 32 电缆长度=干线长度 主干线的每 一端安装一只终端器 2(3 用户应用与DCs之主要不同 2_3 l用户应用模块及调度。现场总线FCs定义了标准的基于模块的应用。模块描述了不 同类型应用的功能。Dcs也定义了一些标准功能块。两者所不同的是现场总线采用分散 到现场仪表，可称为功能块分布。而DCS的功能块集中在过程控制站。见下图。 基 罩蚩 缸亏瑁忙i[豆 当前ocs中的功能疑 现场总线:功能块可{;1分布刭设鲁中 FCS定义了如下基本功能块;离散输入糯出块一D班)o:模拟输入,输出块(叫AO; 控 制块PD(PI，I，P(PD:控制选择块(C?Sel;手动装载块(ML;偏差，增益?BG;比例 RA 等。 一 功能块调度是由链路活动调度器(LAS)按照一张传输时刻表实现了LAS调度宏 环，又叫受调度通信。同时，FCs所有设备都有机会在调度报文之间发送非调度报文循 (这 里不详述)。 2 2 3设备描述fDD)。FCS的关键特性是可互操作性，这也是DCS所不具备的。 标准功能模块参数行为定义外，还采用了设各描述技术。它是对用于远程观察对象字典除 描述的本地设备数字披称为虚拟现场设备(?:D)的每个对象提供了一个扩展描述。它中 包括标定和诊断功能的人机接口的数字意义。FF为所有标准功能块提供DD。FF还也 了设备描述服务(DDS)以及定义了DD的层次结构，使用任何设备描述服务解释采用 主机(能通过读设备的DD与所有的已在设备中的参数进行互操作。 程序的 3 FCS的工程应用设计 3(1 工程设计与安装时注重几点与DCS不同的考虑。1)必须纵合考滤系统的可靠性、 安全性、经济台理性等多种因素画出系统的拓扑结构图:2)综合考虑设备参数与电缆型 号、长度等因素的关系，实现设计的合理性与可靠性;3)在网上增加设备，要了解网上设 备类型:基本设备，链路设备与网桥，一台中继器作为网上一台设备，但是这意味着您获得了新 的开始，您又可以加上另一条1900恤电缆(知道这些后才能正确限制一个给定的同络段中 线对的总长度(在干线上任意一点引出分支或延伸它，支线越短越好渤终端器是使用在传 5)FCS允许输线上的每个末端或附近的阻抗匹配模块，每个总线段都要两个终端器i 讯混用电缆(但必须遵循L?h旺x(H:Y抽“Y(1(LX，I，Y:两种不同电缆的长度;m8X通 ?: 两种不同电缆的允许值)的要求;6)FCS的电源既可以是内置式也可以是外置式，但电 源的阻抗需要与网络匹配，这个网络都是电阻，电感网络(总线电源不算网络设备(7)接 地，当使用屏蔽电缆时，必须将各条支线与干线的屏蔽连接扣:一起集中一点接? 水泥厂应用 DCS已有十年的历史(在设计及编程方面都圳祟了一些经验(有了许多成功 的例子。，根据以上对Fc„s的介绍与目前发展情况，首先确定FcS在水泥厂的应用范围与 控制方案，以及选择比较台适的水泥生产规模，是十分重要柏:其次要确定Fcs的网络 建立与计算。 j 2水泥厂FCS设计方 案 就目前FCs的产品开发看(离散控制产品还尚无产，l^可选，H2高速两发展缓慢。 FF计划将】00?bl“s的以太网来增强H2的方案98年底出台，但迄今为止，也未见到产 品进入市场(就水泥厂工艺过程与控翩特点丽言，开关量DI,DO所占圪倒较大，模拟量 主要集中在烧成段。因此(FCs应用范围不宜过大，水泥生产线规模不宣过大(初期应用 易选择700(1000T仍的熟料生产线上(且烧戒系统。据此，茸先绘出1000沛生产线烧 系统的控制与检测流程图，在这里仅给出预热器分解炉系统控制流程囤作为例子如下。 成 (二鸯 控制器可以采用工业控制计算机Ipc，IPc端可选择内置终端器Pc卡f每条网络一个)。 也可咀另加控制器。也可以采用PLc作为控制器，上位机采用IpC组成全厂控制系统。 3 3 确定啊络建立方案 Fcs的网络拓扑结构基本形式有;带支线的总线拓扑结杠J:菊花链结构:材形拓扑与 湿台拓扑结构。如下图。 按照拓扑结构规则(受电缆总长度、每台设备功耗、供电电源、设备数量与结构形 式等限制。按设备种类(据FCS要求划成事实分的网上设备层次)以及所处区域划分阿 络段并列表如下 网络1 网络2 网络3 现场设备 玎】瑚9盯啪tzTj埘灯I瑚 阀门 不1303 町1311盯1304，n306，不1308(PT 压力变送器 1310 TTl，06 TTl加毫订1310(TTl316'TT 温度变送器 1314 器i搿毖獬搿”?不 rrl3lO 电流变送器 STl301 速度变送器 Anl302 废气分析仪 77 10 设备数量 督_芷路的总蛙树形 带支路的总蛙 网络拓扑 u型B型 B型 电缆类型 据此(绘出拓扑结构图(省略)。 3(4分析说明 应该说明，|三l上的设计是十分保守的。因为，按计算机网络l的电缆总长(干线 +支线) 不超过400_ln(网络2的电缆总长不超过350m，网络3的电缆总长不超过450m。电缆 选型既可以B型也可以C型，鉴于首次使用，采用B型电缆。按照设备功耗以及据的 长度计算线缆电压降看，以上三个两络段完全可以并为两个网络段。因此，在实际应电缆 计过程中，应根据您所选定的网络设备(如变送器、阀门、网挢、中继器的数量与它用设 经济合 功耗以几供电电源方式等相关因素，认真计算网络参数以保证该系统设计既 们的 又安全可靠运行。 理 现场总线控制系统在水泥工业应用设计 摘要:本文介 FF现场总线(Fcs)的技术特点、发展前景与工程应用设计知识。 旨在加快推动绍了 FcS技术在我国自动化领域的发展与开发应用。 ication of FCS i n Cement and Design lndustry Appl and of FcS introduce the technical features broad thi Abstract:In s prospects paper，we FF of of its andengineering application(A儿this expected 。tknowledge of FcS in automationand the technology great development ap口lication impose industry(