单元十二现场总线系统布线设计与安装技术

单元十二现场总线系统布线设计与安装技术第一页，共32页。单元十二现场总线系统布线设计与安装技术第二页，共32页。主要内容12.1现场总线系统的产生、概念和工程应用12.2现场总线系统的设计原则12.3现场总线系统的设计步骤和方法12.4现场总线系统的基本构成12.5现场总线系统的安装技术12.6典型行业应用案例12.7工程经验12.8练习题12.9实训项目1.了解现场总线系统的基本概念和特点。2.掌握现场总线系统布线原则和设计方法。重点第三页，共32页。12.1现场总线系统的产生、概念和工程应用12.1.1现场总线的产生20世纪中期开始出现自动化仪表的雏形——气动式仪表。20世纪70年代，随着数字计算机的介入，产生了“集中控制”的中央控制计算机系统，而信号传输系统依然沿用模拟信号。不久人们也发现了伴随着“集中控制”，该系统存在着易失控、可靠性低的缺点，并很快将其发展为分布式控制系统（DCS，DistributedControlSystem分布式控制系统）。随着微处理器的快速发展和广泛的应用，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，产生了以微处理器为核心，使用集成电路代替常规电子线路，实施信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备。由此，产生了现场总线。12.1.2现场总线的概念国际电工委员会IEC标准和基金会现场总线（FF）定义:现场总线是指，连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络。第四页，共32页。12.1现场总线系统的产生、概念和工程应用12.1.3现场总线的现状目前世界上存在着大约四十余种现场总线，大都用于过程自动化、医药、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域。特性CANLonWorksWorldFIPPROFIBUSHARTFF应用对象离散控制所有方面过程控制过程控制一次仪表所有方面OSI层次1,2,71-71,2,71,2,71,2,71,2,7系统类型总线网络总线总线总线总线介质访问CSMA/CACSMA/CA主从、令牌主从、令牌主从、令牌主从、令牌错误校正CRCCRCCRCCRCCRCCRC通信介质双绞线、光纤同轴电缆、电源线、光纤、无线电、红外线双绞线、光纤双绞线、光纤双绞线、光纤双绞线、光纤、红外发射寻址方式单点、多点、广播广播广播单点、多点、广播单点、多点、广播单点、多点、广播传输距离10km2.7km10km100m-10km3km0.5-1.9km传输速率5kb/s-1Mb/s300b/s-1.5Mb/s2.5Mb/s9.6kb/s-12Mb/s3updates/s31.25kb/s-2.5Mb/s网络供电不是是是是是不是优先级支持支持支持支持支持支持系统控制命令命令、状态命令、状态状态命令、状态命令、状态表12-1几种典型现场总线技术的特性对照表第五页，共32页。12.2现场总线系统的设计原则1.现场设备分配原则同一控制回路的仪表应尽量连接在一个网段上；对同一个工段做多点测量的情况，如温度、压力、液位多重监测时，应将测量点分配到不同的网段中。总线网段的设计主要是根据工艺流程要求进行的。2.短路保护原则3.接地和屏蔽原则4.过压保护原则图12-2过压保护装置第六页，共32页。12.2现场总线系统的设计原则5.电缆两端连接终端电阻原则终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射。在通信过程中，有阻抗不连续和阻抗不匹配两种原因导致信号反射。为解决阻抗不连续的问题，必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续，如图12-3所示。为解决阻抗不匹配的问题，端接电阻需增加下拉电阻Rd（与数据地DGND连接）和上拉电阻Ru（与正电压VP连接）做补充。当没有站点进行传输时，这个补充迫使不同的状态电压（即导体间的电压）趋于一个确定值,如图12-4所示。图12-3网络中的设备连接和终端电阻图12-4终端电阻的组成第七页，共32页。12.3现场总线系统的设计步骤和方法1.需求分析2.技术交流3.阅读建筑物图纸4.规划和设计现场总线系统的线缆连接了众多现场设备和控制器，因此一旦发生故障，影响巨大。为此必须十分重视现场总线系统的设计工作。以PROFIBUS总线为例，设计时需注意：（1）每个物理网段最多32个物理站点设备，物理网段两终端需设置终端电阻或使用有源终端电阻；（2）每个网段的通讯距离或者设备数如果超限，需要增加RS485中继器进行网络拓展，中继器最多可串联9个；（3）每个网络理论上最多可连接127个物理站点，其中包括主站、从站及中继设备；第八页，共32页。12.3现场总线系统的设计步骤和方法4.规划和设计（4）网络的通讯波特率9.6kbps~12Mbps，通讯波特率与通讯的距离具有一定的对应关系，见表12-2。表12-2不同传输速度时的电缆长度（5）每个中继设备（RS485中继器、OLM）也作为网络中的一个物理站点，但没站号；（6）网络支持多主站，但在同一网络中，不建议多于3个主站；（7）在Step6软件中进行PROFIBUS网络组态时，应当按照从小到大的顺序设置从站站号，且应该连续；（8）一般0是PG的地址，1~2为主站地址，126为某些从站默认的地址，127是广播地址，这些地址一般不再分配给从站，DP从站最多可连接124个，站号设置一般为3~125。波特率/[kb/s]9.6~93.97187.550015003000~12000A型电缆长度(m)12001000400200100B型电缆长度(m)120060020070第九页，共32页。12.4现场总线系统的基本构成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,另一种是单独供电的现场设备。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。3.电缆现场总线电缆一般采用双绞线或多对双绞线。4.总线电源为总线供电的现场总线设备提供电源。5.中继器它用于扩展现场总线网络。6.网桥用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。7.网关用于将现场总线的网段连向其它通信协议的网段,。8.现场总线接口卡用于现场总线与操作站(PC)的连接。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。第十页，共32页。12.5现场总线系统的安装技术12.5.1布线规则1.不同电压等级的电缆分线槽布线高电压、大电流的动力电缆，与小电压、小电流的电缆应该是分线槽布线，同时线槽应盖上盖板，尽量全封闭；如果现场无法分线槽布线，则将两类电缆尽量远离，中间加金属隔板进行隔离，同时金属线槽要做接地处理，如图12-6所示。电缆槽架之间也应保证用金属连接部件大面积连接处理，同时注意“接地”的连接。图12-6电缆槽架以及电缆在线槽内的处理图12-7现场布线第十一页，共32页。12.5现场总线系统的安装技术12.5.1布线规则2.通讯电缆单独在线槽外布线可根据情况采用穿金属管的方式，既可以保护通讯电缆不被损坏，对于防止电磁兼容干扰也有好处，但注意外部金属管需接地，如图12-8；图12-9中的电缆通讯直接暴露在外面，很容易被压断，可考虑局部或者全部穿管。图12-8电缆桥架之间的连接以及接地处理图12-9现场的通讯电缆第十二页，共32页。12.5现场总线系统的安装技术12.5.1布线规则3.通讯电缆与动力电缆避免长距离平行布线由于平行布线的两根电缆之间需要考虑空间电容耦合，因此为了避免相互之间的影响，应避免平行布线，图12-10中，通讯电缆不仅没有满足1和2两条原则，反而与比较大的动力电缆平行布线，这会导致该电缆比较容易受到动力电缆的干扰。可以交叉布线，如图12-11。图12-10通讯电缆在线槽内与动力电缆平行走线图12-11第十三页，共32页。12.5现场总线系统的安装技术12.5.1布线规则4.尽量将电缆贴近大面积的金属板，如图12-12所示。5.通讯电缆过长时，不要形成环状。此时如果有磁力线从环中间穿过时，根据“右手定律”，容易产生干扰信号。在图12-13中，尽管背板是比较大的金属板，但由于项目已经完成，因而不存在电缆长度变化的可能，因此还是建议用户将过长的电缆剪短，放入柜内的电缆槽内。图12-12通讯电缆贴近金属板图12-13通讯电缆形成环第十四页，共32页。12.5现场总线系统的安装技术12.5.1布线规则6.通讯线连接的设备应做等电势连接现场总线连接的站点可能分布较广，为了保证通讯的质量，一般要求所有通讯站点都应该处于同一个电压等级上，即应当都是“等电势”的，如图12-14所示。如果由于接地点本身的原因造成了通讯不稳定，比如某个系统的“地”本身存在着很强的干扰，则在此处将屏蔽层接地反而会对通讯造成影响，此时应该考虑首先处理好“地”，然后再将屏蔽层接地。图12-14通讯站点之间应做“等电势”处理图12-15系统进行良好的接地设计和实施第十五页，共32页。12.5现场总线系统的安装技术12.5.1布线规则7.通讯线在电柜内的布线通讯电缆在电柜内布线时，也应该遵循之前的原则，即远离干扰源。在柜内的走线应当进行精心的设计，尽量避免与高电压、大电流的电缆在同一线槽内走线，如图12-16所示，同时，不要在柜内形成“环”，特别时避免将变频器等干扰源包围在“环”内。图12-16通讯电缆与动力电缆在电柜内的受干扰情况第十六页，共32页。12.5现场总线系统的安装技术12.5.2通讯电缆的屏蔽层在电柜内的处理需要将屏蔽层压在插头的金属部分，还需要注意屏蔽层不要剥开的太长，否则会暴露在空间，成为容易受干扰的“天线”，如图12-17所示。通讯电缆的屏蔽层在进/出电气柜时，都应该进行屏蔽层接地处理。屏蔽层应该保证与接地铜排进行大面积的接触，如图12-18所示。图12-17屏蔽层暴露在空间容易接收干扰图12-18屏蔽层的接地第十七页，共32页。12.5现场总线系统的安装技术12.5.2通讯电缆的屏蔽层在电柜内的处理如果通讯电缆在柜内需要经过端子进行连接，则屏蔽层最好在端子排的两侧分别进行连接，如图12-20所示。图12-19屏蔽层在柜内进行接地处理第十八页，共32页。12.5现场总线系统的安装技术12.5.2通讯电缆的屏蔽层在电柜内的处理如果通讯电缆在柜内需要经过端子进行连接，则屏蔽层最好在端子排的两侧分别进行连接，如图12-20所示。而此时应当避免的做法是将屏蔽层剥开，拧成一根连接到端子，如图12-21所示，这种方式在EMC领域有个名称叫做“猪尾巴”。图12-20通讯电缆通过端子连接时的屏蔽层处理图12-21屏蔽电缆接头处的“猪尾巴效应”第十九页，共32页。12.5现场总线系统的安装技术12.5.2通讯电缆的屏蔽层在电柜内的处理在现场的连接中，如果将屏蔽层剥开过长，则通讯电缆将有很长一段没有被屏蔽层“保护”，而屏蔽层拧成一根后将形成天线，更容易将干扰引入系统，如图12-22。图12-22屏蔽电缆的“猪尾巴”连接第二十页，共32页。12.5现场总线系统的安装技术12.5.3屏蔽层多点接地电缆在插头内接线时，须将屏蔽层剥开，压在插头内的金属部分，该金属部分与当Sub-D插头外部的金属部分相连，当将插头插在CPU或者ET200M等设备的DP口上时，则通过设备连接到了安装底板，而安装底板一般是连接在柜壳上并接地的，从而实现了屏蔽层的接地。由于接地有利于保护PLC设备以及DP通讯口，因此对于所有的PROFIBUS站点都要求进行接地处理，即“多点接地”。图12-23插头内部接线即屏蔽层的处理第二十一页，共32页。12.5现场总线系统的安装技术12.5.4减小变频器等干扰源设备对通讯的影响变频器等比较大功率的设备除了通过干扰电源、通过空间辐射干扰影响设备正常运行外，随着变频器等设备具有通讯的能力，这些设备产生的干扰也有可能直接进入通讯系统，因而应该对变频器进行电磁兼容（EMC）的处理。首先是变频器的安装。在电柜内，尽量用镀锌底板替代喷漆底板作为安装背板，如图12-24，以改善EMC特性。变频器的出线，都应该进行相应的EMC处理，比如采用通讯电缆采用屏蔽电缆接地，动力电缆采用屏蔽电缆接地或者采用铁氧体磁环进行滤波处理等，如图12-25所示。图12-24使用镀锌安装底板代替喷漆底板图12-25对变频器的电缆进行规范的EMC处理第二十二页，共32页。12.6典型行业应用案例办公楼总线系统的设计办公楼分为主楼和配楼，由办公室、多功能厅、餐厅及接待室等组成。主楼建筑面积26000平方米，地下一层地上九层。配楼建筑面积7600平方米，地下一层地上五层。本工程属于旧楼改造项目，改造后大楼将实现楼宇设备的自动控制，并降低设备耗电。本楼宇自动化系统包括：冷水系统、新风机组、空调机组、给排水系统、变配电系统、电梯系统、照明系统、有害气体检测系统和热交换系统九部分。整个系统分为三个子网，主楼部分两个：21台新风机组组成一个子网，其它照明、给排水、变配电等系统为另一个子网；配楼所一个子网。考虑到以后与其它功能子系统的集成，决定采用LonWorks技术作为本系统的技术平台。平台上集成了来自三个不同厂商的基于LonWorks技术的产品，分别是：美国SIEBE公司的I/A系列新风、空调控制器；澳大利亚AUSLON公司的DI-10E1；Echelon公司的LonPoint系列产品(DI-10、DO-10、AI-10、SCH-10和LPR-10路由器模块)。网线采用双绞线。子网之间采用路由器相互隔离。第二十三页，共32页。12.6典型行业应用案例办公楼总线系统的设计1.冷冻水系统自动监测冷水机组、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵的工作状态、故障情况，由实际冷负荷控制冷水机组的开启台数，并对相应的阀门和水泵进行联动控制，根据供回水压差PID控制旁通阀的开度，保持供回水压差平衡。2.新风机组监测新风机组的新风温度、送风温度、送风湿度、新风阀门和风机的运行状态，并累计风机的运行时间和机组的启停次数。监测并报警过滤网阻塞、防冻开关和风机故障信息。当有报警发生时对新风阀门、风机和冷/热水阀进行联动控制。根据送风温度PID调节冷/热水阀门的开度，保持送风温度在一定范围内。在冬季运行模式下，根据送风湿度控制加湿阀的开关，保持送风湿度在一定范围内。第二十四页，共32页。12.6典型行业应用案例办公楼总线系统的设计3.空调机组监测空调机组的新风温度和湿度、回风温度和湿度、新/回风阀门开度和风机的运行状态，并累计风机的运行时间和机组的启停次数。监测并报警过滤网阻塞、防冻开关和风机故障信息。当有报警发生时对新/回风阀门、风机和冷/热水阀进行联动控制。根据新风焓值和回内焓值PID调节冷/热水阀门的开度，保持回风温度在一定范围内。冬季运行模式下，根据送风湿度控制加湿阀的开关，保持送风湿度在一定范围内。4.照明系统主要对主楼和配楼的公共照明、应急照明和泛光照明进行监控。5.变配电系统监测并记录高压进线和低压出线的电压、电流、功率、有功功率和无功功率和电度，监视断路器和高/低母联开关的工作状态和报警状态，监视4台变压器的高温报警和超高温报警状态，监测变电室的室内温度。第二十五页，共32页。12.6典型行业应用案例办公楼总线系统的设计6.人机界面(HumanMachineInterface，HMI)由美国WonderWare公司的Intouch组态软件经二次设计完成。通过Echelon公司提供的PCLTA-10网络接口卡和LNSDDEServer动态数据交换软件，人机界面可以从LonWorks网络上采集信息，也可以发控制命令发送给网络上的控制节点。在这个楼宇自动化系统中，还包括给排水、电梯、热交换、有害气体检测、送/排风等系统，这些系统大都是对相关的设备进行状态监测。正常运行情况下，由LonPoint的SCH-10模块控制这些系统。在人机界面(HMI)上，可实时地观察到各系统运行参数，并可强制启/停。虽然现场总线的标准统一还有种种问题，但是现场总线系统的发展却已是一个不争的事实。随着现场总线思想的深入人心，基于现场总线的产品和应用不断增多，发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题，国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程，这对我国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，也是一次严峻的挑战。第二十六页，共32页。12.6典型行业应用案例办公楼总线系统的设计在全国智能委2011年工作年会上，专门邀请欧洲标准化委员会委员和专家，介绍了LonWorks等相关现场总线最新技术以及LonMarks标准在智能建筑行业中的应用。图12-26为西安开元电子实业有限公司王公儒教授、南京大学陆伟良教授与欧标委委员在全国智标委2011年工作年会上合影。图12-26王公儒教授、陆伟良教授与欧标委委员在全国智标委2011年工作年会合影第二十七页，共32页。12.7工程经验1.当传输速率在1.5M时，要保证两台设备间距离至少1米，因为两个设备的输入电容都会被线缆补偿以维持共同的阻抗。当设备非常近时，输入的电容容易导致数据通讯的反射（很小的反射电流），这个影响在1.5M传输速率以下时很小。2.中继和活动的终端电阻最好独立供电。3.在难以避免和强电的交叉时，采用屏蔽软管穿线方式，而且屏蔽软管一定要可靠接地，注意接地不要和设备或者车间的地混在一起。4.布线时最好提前将从站地址调好，不然事后不好调，安装好之后不要急于将连接器接到从站上，要采用测试工具测试电