FF现场总线剖析课件

1、基金会现场总线工程指南与应用沈阳中科博微自动化技术有限公司内容提纲基金会现场总线系统概述基础知识系统实施过程系统配置与组态系统调试工程实例FF现场总线系统概述H1低速总线31.25kbps高速以太网100Mbps压力仪表马达启动执行器阀门HSE网关温度仪表内容提纲基金会现场总线系统概述基础知识系统实施过程系统硬件配置系统组态系统调试工程实例FF现场总线设备类型HSE主机设备：运行于控制计算机之上现场设备：可带一定I/O点的设备链接设备：带有H1接口的设备H1基本设备：符合基本的FF规范链路主设备：具备LAS功能网桥设备：连接两个网段FF现场总线设备标识DeviceID设备ID，唯一标识设备No

2、de Address设备节点地址，网段内唯一PD-TAG设备物理位号，一个助记符，系统内唯一FF现场总线设备状态没有位号（No TAG）设置位号后进入No Address设置地址后进入可操作状态（Operational）FF现场总线设备通讯状态离线状态（Offline）接收PN后进入复制链路参数（LearnLinkVariables）复制完成后进入等待节点探测（WaitForPN）接收相应节点地址PN并发送PR后进入等待节点激活（WaitForNodeActivation）接收节点激活报文后进入在线状态（Online）FF现场总线设备通讯类型客户机/服务器1对1queued/user-trig

3、gered/bidirectional(QUB)用于读写等服务报告分发1对多queued/user-triggered/unidirectional(QUU)用于报警和趋势服务发布者/订阅者1对多buffered/network-scheduled/unidirectional(BNU)用于功能块之间通讯FF现场总线系统时间LS-Time链路活动时间，链路开始的相对时间单位为1/32msLAS通过TD报文进行同步宏周期的调度使用这个时间Application Clock应用时钟，是当前的绝对时间单位为1/32ms时钟发布者负责发送Clock_message进行同步报警和趋势等时间戳使用这个时间

4、现场设备 2现场设备 1用户层用户层物理层物理层通信栈通信栈“协议栈”处理通信用户通过“功能块”来进行交互现场网络设备连接到网络 FF现场总线通讯协议FF现场总线功能块功能块:包含基本的自动控制功能位于现场设备或主机中可以组态连接并实现确定的控制系统FCHMIProcessH1 FieldbusFTFCHMIProcessH1 FieldbusFTPID-110AO-110AI-110 每个设备：资源块变换块 功能块FF现场总线功能块参数功能块的模态（Mode）功能块的标识（TAG）功能块的报警（Alarm）功能块的趋势（Trend）功能块的输入输出（）功能块的量程（SCALE）FF现场总线设

5、备描述技术用户只需要用一种版本的用户界面程序就能在主机上操作不同厂家的设备设备描述现场总线 主机来自A厂家的设备来自B厂家的设备设备描述（DD,Device Description）：为主机系统提供现场设备的一种清晰、明确的描述FF现场总线设备描述技术值、精度工程单位变量名称内容提纲基金会现场总线系统概述基础知识系统实施过程系统硬件配置系统组态系统调试工程实例FF现场总线工程工作流程项目定义工厂工程设计标准设备规格书供应商投标说明书现场总线网段设计工程图接线方式组态项目时间安排调试与开车现场总线项目执行过程:示例 (1/3)里程碑由需方提供的由供方提供的 开 工 会1)项目执行计划2) PJT

6、 组织3) PJT 进度表4) QA/QC计划5) 技术 与 商务报价 6) 供货材料清单 (BOM)1) PJT 进度表2) PJT 组织3) 询价说明4) FF设计要求A基础系统设计 - FF 段落设计理念 硬 件 设 计 说 明1) DCS 系统配置 2) DCS硬件设备说明3) 设备规格4) 电力供应/接 5) 子系统/辅助设备 硬件设计 FF 系统设计说明- FF 段落设计说明设计要求1) 控制台&辅助机柜2) 子系统 3) 辅助设备 1) 仪表索引2) I/O点数3) 回路图现场总线执行过程 : 示例 (2/3)里程碑由设计院/工程公司提供由供方提供1) 硬 件 设 计 规 格 图

7、 纸2) 硬 件 清 单3) I/O 卡 分 配4) 典 型 回 路 图 订 单 与 生 产FF 设计信息1) 设 备 清 单 和 类 型2) 功 能 块 分 配3) 设 备 分 组4) 希 望 电 缆 长 度5) 电 缆 规 格AB 软件设计 软 件 设 计 规 格1) 控 制 功 能 2) 人 机 介 面 功 能3) 警 报 功 能4) 界 面 与 安 全 功 能5) 流 程 图 与 报 表 6) 子 系 统 介 面 FF 部分具体设计 1) 复 杂 回 路 流 程2) 复 杂 回 路 概 述 和 功 能 块3) 顺 控 和 连 锁 逻 辑4) 流 程 图5) 子 系 统 通 信 规 格

8、现场总线项目执行过程 : 示例(3/3)里程碑由设计院/工程公司提供由供方提供1) 通 信 数 据 清 单2) 流 程 图 表 数 据 清 单3) 报 表 格 式4) 功 能 键 设 定5) 组 别 设 定6) 趋 势 图 组 别 设 定 系 统 实 行1) 接 线 箱 与 机 柜 要 求2) 电 线 电 缆 需 求3) 详 细 安 装B 工 厂 验 收1) 回 路 图 2) 接 线 箱 端 子 设 定 内 部 测 试交付 工 厂 验 收 步 骤 软 件 生 成工程设计标准修改现有的工程标准文件，使它包含FF现场总线，这是非常重要的。例如：仪表清单和仪表设备规格书总线网段（Segment)设计

9、 - 技术、负载, 备用容量P&IDs 及设备回路图线缆 颜色 和标签的规定PID 模块的运行位置（在现场的控制）LAS 的后备要求FF现场总线系统实施原则没有“唯一正确”的实施方法不存在难点, 仅仅存在“不同思路”学习和掌握并不需要高昂成本将FF总线方案的利益最大化的关键：尽早进行技术、产品和应用的了解理解并掌握与传统方案的差异建立符合需要的设计标准，文档方式培训操作和维护技术人员对日常工作和维护方法的改进FF现场总线典型主机系统以工控机插卡的形式接入NI Configurator以HSE/H1网关形式接入ABBSofting以H1模块或者HSE模块形式接入ABB AC800FEmerson

10、 DeltaVMicrocyber NCS4000FF现场总线现场设备符合FF现场总线标准，具备FF“设备认证”标志具备所需功能块具备设备诊断功能具备总线供电，要求10-30mA电流和9-32V电压具备本质安全特性，通过国家认证测试极性不敏感-快速、安全的现场连接内容提纲基金会现场总线系统概述基础知识系统实施过程系统硬件配置系统组态系统调试工程实例现场总线电源100 Ohms 10 mH滤波器, 等效接地，仪表和总线共地Fieldbus电源普通的电源供电会吸收回路中的电信号需要维护恒定电压电源要用总线电源现场总线电源每个现场总线网络/网段都需要电源给总线电缆提供的电压能够高达 32 V设备电压

11、可以低达9V以保证正常的操作Iq1V1Iq3V3Iq2V2IqnVnVPCVPS电源电压调节TTVPS - VPC 9 v现场总线终端R-C电路包括一个与100 电阻串联的1F电容。防止信号在线缆的终端失真或丢失总线终端总线终端100 Ohms 1uF电源网段分支接地电源调节FF现场总线现场总线接线盒所有主干和分支都在现场接线盒中连接，可以采用不带接线盒的防风雨的“模块”，工厂定制插拔接头采用FF现场总线网络专用的“接线端子”为终端主干线的输入/输出电缆分设2组独立专用的连接分支端子集成短路保护器基金会现场总线中继器计算网络现场设备数量时，中继器相当于一个现场设备。它允许接入一个完全等效的新网

12、段，有效地将网络切分成多个较小的网段。添加中继器后，可以连接新的网段，新网段的两端都需安装终端器。中继器还可以增加网络带载设备的数量，最大设备数可达240个。注：在达到物理上的最大设备数之前，可能已经超出主系统和网络调度的限度。FF现场总线电缆采用现场总线专用电缆电缆种类特点最大流通面积电缆总长度A型屏蔽双绞线0.8mm21900mB型总屏多对双绞线0.32mm21200mC型多对双绞线0.13mm2400mD型单对双绞线1.25mm2200m没有安装中继器网段总长度=主干长度+所有分支长度最大允许长度1900米FF现场总线电缆连接仪表数量分支长度（本安型）分支长度（非本安型）19-2430m

13、30m15-1830m60m13-1430m90m1-1230m120m分支电缆的最大长度FF现场总线通用组件压盖封盖 接线终端接线盒电缆FF现场总线网络拓扑结构控制总线现场总路线 I/O接线盒端到端分支菊花链树型网段设计拓扑结构建议采用树形、分支或混合拓扑结构树形拓扑结构适用场合改造项目现场设备密度高的特定区域采用高速以太网分支拓扑结构适用场合首次安装现场设备密度低的特定区域不建议采用菊花链拓扑不适于维护运行状态下，如果不中断其他设备的服务，不能从网段上添加或者删除设备现场总线网段设计替换 传统I/O 分配任务基于经济和标准的原则，将设备分组主要包括：电缆类型选择总线拓扑图方式仪表设备的种类

14、、规格总线供电类型FF现场总线网段设计极性由于某些现场总线设备对极性敏感，导线极性很关键。导线极性颠倒，设备可能不工作。接地仪表信号导线不得用于接地。仪表安全接地必须通过信号电缆之外的独立导线。屏蔽仪表屏蔽线应在编组柜中、网络的主机末端处结束，并且不得在任何其他位置接地。FF现场总线网段设计防雷/冲击电压保护在必须提供浪涌电压保护的场合（如闪电多发生地区，或大感性负载启动和停止的应用），应提供浪涌电压保护。浪涌电压抑制装置由小电容的硅雪崩二极管或放电器组成，可采用常规和公共保护方式接线，并与电气安全接地网相连防短路功能采用预先接好线的接线盒实现。FF现场总线本安配置通常IS现场总线配置的设计必

15、须遵循与非IS装置同样的原则。两者的主要区别在于维持本质安全时的功率限制/约束。该限制的标称值为80 mA。对IS应用，电缆应满足如下要求：符合IS电感/阻抗比限制。遵循IS电路在颜色方面的规定。网段设计网络负载网段负载 会受以下各因素的影响：工厂的布局距离 (电压降)危险区（防爆措施）控制关联性风险管理标准约束执行速度要求宏循环回路/模块执行要求FF现场总线网段电流计算设备电流消耗量 (mA)压力表17.5温度表17 or 22质量流量计11涡街流量计18.5电磁流量计11.3pH计22阀门控制器26可获得的最大网段电流末端仪表设备的供电电压应不小于9VFF现场总线网段电流计算I (mA)I

16、q116 20 mAI (mA)Iq2Iq3I (mA)总的总线网段电流 = Iq1 + lq2 + lq3 +末端仪表设备的供电电压应不小于9V冗余设计在要求高可靠性的应用场合，可考虑采用下列冗余组件提供冗余电源。带20分钟备用电池的主配电冗余电源。冗余的系统控制器电源。冗余的系统控制器。冗余的基金会现场总线H1插件。内容提纲基金会现场总线系统概述基础知识系统实施过程系统硬件配置系统组态系统调试工程实例FF现场总线分布式控制FF设备支持现场控制不需要DCS或控制器的完全集中控制PID INOUT BKCAL_INFIELDVUEAOBKCAL_OUT CAS_INAIOUT 主机系统执行器传

17、感器FF现场总线系统组态设备组态设备地址组态设备位号组态功能块组态功能块的实例化和删除功能块参数默认值组态宏周期组态FF现场总线系统组态通讯组态调度组态调度表组态功能块执行组态链接对象组态本地链接远程链接VCR组态备份LAS组态时钟发布组态FF现场总线的调度组态非周期报警/事件维护/诊断信息程序调用许可/互锁显示信息趋势信息组态功能块执行周期通信 发布非周期通信AI110PID110AO110周期回路 110 执行周期FF现场总线数据传输调度宏周期宏周期序列元素子调度FF现场总线功能块执行时间调度30ms60msAIPIDAO45msLAS 指令强制数据 周期传送PublishDataAIEx

18、ecPIDExecAOExec压缩的数据CDDataCDmacrocycleDataCDFF现场总线备用LAS组态HSEH1Link Active SchedulerLAS备用 LASFF系统能自动从LAS切换到备用LAS当LAS失灵，后备的LAS仍可安排现场总线网段上的所有通讯时间片简便的组态方式组态过程导入H1设备库创建控制策略模块分配模块到控制器创建H1通讯模块创建H1虚拟设备创建H1功能块控制模块组态H1设备映射H1设备下载NCS4000控制系统支持符合FF H1协议规范的H1设备 可以节省大量的程序编制时间内容提纲基金会现场总线系统概述基础知识系统实施过程系统硬件配置系统组态系统调试

19、工程实例FF现场总线系统调试电缆、接线盒、连通性、接地及隔离测试现场设备连接和信号分析设备下装/软件检查总线监测，波形捕获阀门校准设备配置组态下载回路整定FF现场总线系统调试当第1台设备连接好后，整条总线的主干都会被检验不存在量程的不匹配更快的故障排除使用FF系统，只需检查网络接线并连接设备后，在控制软件中进行设备调试，项目的调试时间节省了80-90%内容提纲基金会现场总线系统概述基础知识系统实施过程系统硬件配置系统组态系统调试工程实例工程应用实例项目概述唐钢炼焦制气厂位于唐山市丰润区，自用焦炉煤气脱硫项目总投资7900万元，焦炉煤气处理量为200万立方米/天2009年1月投产运行。部分采用基

20、金会现场总线技术项目概述工程应用实例-生产工艺炼焦制气是典型的连续生产过程从焦炉炭化室出来的荒煤气在冷鼓工段被氨水和冷却水冷却后，温度由700800度降到25度，由鼓风机送至硫铵工段在硫铵工段经蒸汽预热后进入喷淋式饱和器的上段喷淋室，脱除氨和酸雾后送往粗苯工段在脱苯工段经洗苯塔与洗油逆流接触，洗涤煤气中的苯洗涤后的煤气送去脱硫工段，再经脱硫工段脱硫后送去气柜供城市用气。焦炉煤气冷鼓工段煤气硫胺工段煤气粗笨工段煤气萃取脱酚工段气柜脱硫工段氨水煤气 脱硫工段控制系统采用FF现场总线技术，生产流程为：来自粗笨工段的煤气进入脱硫塔底部，与脱硫塔上部下来的脱硫溶液反应，吸收煤气中H2S,吸收了H2S后的

21、脱硫溶液进入溶液循环槽，用溶液循环泵将脱硫溶液通过溶液加热器加热后送至再生塔，在再生塔中与空气站来的压缩空气进行再生，再生后的脱硫溶液进入脱硫塔循环使用，再生塔内产生的硫泡沫进入硫泡沫槽，经过离心机处理，产生硫磺。工程应用实例-生产工艺工程应用实例-系统结构光纤接线盒操作员站设备管理工程师站H1仪表与阀门交换机连接到调度中心H1仪表与阀门H1仪表与阀门现场总线专用电缆工程应用实例-系统结构厂办公大楼设有调度中心，负责全厂生产的统一管理和调度。每个生产车间设有现场的控制室，通过光纤与调度中心连接。脱硫车间应用FF现场总线技术，构成车间级的控制系统，工程师站、操作员站、设备管理与NCS4000控制

22、站间通过FF HSE（高速以太网）进行连接，实现数据通信。NCS4000控制站的控制器通过无源背板总线连接FF-H1现场总线模块，FF-H1现场总线模块通过现场总线专用电缆与H1仪表、阀门连接，采集FF-H1仪表信息和控制FF-H1阀门。工程应用实例-系统结构工程师站安装有现场总线设备组态软件，完成对FF-H1设备进行组态、下载、在线监测等功能；同时，工程师站可以用来存储历史数据。操作员站安装有工业监控组态软件，具有标准OPC接口，可以监控现场设备。设备管理计算机中安装有智能设备管理软件，可以对现场的基金会现场总线智能仪表进行在线检测、维护、故障诊断，而不必去设备现场检查，具有WINDOWS

23、XP的界面，操作界面更加友好，操作更加简易直观。工程应用实例-现场仪表脱硫工段共计使用了71台FF-H1仪表，包括20个温度仪表，23个压力仪表，14个流量仪表，8个液位仪表，6台现场总线电流转换仪表。温度：博微公司的NCS-TT105智能温度变送器压力：博微公司的NCS-PT105智能压力变送器流量：艾默生液位：博微公司的NCS-PT105II系列智能差压变送器信号转换表：NCS-FI105现场总线电流输出变送器 NCS-IF105现场总线电流输入变送器工程应用实例-控制回路进再生塔脱硫溶液流量的控制进再生塔压缩空气再生塔的温度控制回路再生塔的压力控制回路脱硫塔的温度控制回路脱硫塔的压力控制

24、回路工程应用实例-网段设计3个NCS4000控制站每个控制站通过无源串行总线背板连接3个FF-H1现场总线模块一个现场总线模块具有2个端口，一个端口可以连接1个网段，共计18个网段共计71台FF-H1现场总线设备，平均每个网段挂接4台现场总线设备，（设计时，每个网段可以挂接8台现场总线设备，留有4台现场总线设备的余量）具体网段设计如下：工程应用实例-网段设计生产装置网段测点脱硫塔A2脱硫塔顶部温度、压力，底部温度、压力，进脱硫塔煤气温度、压力，进脱硫塔脱硫溶液温度、流量，出脱硫塔煤气压力，9个脱硫塔B2脱硫塔顶部温度、压力，底部温度、压力，进脱硫塔煤气温度、压力，进脱硫塔脱硫溶液温度、流量，出脱硫塔煤气压力，9个脱硫塔C2脱硫塔顶部温度、压力，底部温度、压力，进脱硫塔煤气温度、压力，进脱硫塔脱硫溶液温度、流量，出脱硫塔煤气压力，9个溶液循环槽房2溶液循环槽A、B、C温度和液位，溶液事故槽温度，7个溶液加热器房2溶液加热器A、B、C温度和压力，低位槽液位，7个再生塔A2进再生塔脱硫液流量，再生塔液位，进再生塔压缩空气压力、流量，现场总线电流变送器，6个再生塔B2进再生塔脱硫液流量，再生塔液位，进再生塔压缩空气压力、流量，现场总线电流变送器，6个再生塔C2进再生塔脱硫液流量，再生塔液位，进再生塔压缩空气压力、流量