1、现场总线的设计和应用 Emerson 姚永斌,现场总线的构成单元,工作站,变送器,人机界面,终端电阻,供电,接线盒,H1 Bus 电缆,以太网电缆,电源调节器,阀门定位器,HSE 链路设备,终端电阻,H1 Bus,如何设计H1网段？,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 安全/HAZOP（危险与可操作性 ）约束 执行速度要求 宏循环 回路/模块执行要求,初步的 P&ID图,了解设备的分布和相关性,过程和仪表配置图,表示工艺流程，仪表与不同管道、容器和设备互联位置 多变量变送器 相同的数字编号，加功能标识字母 用相连的仪表球表示 主测量：
2、粗体；在上部 现场总线仪表 FF信号线用虚线加实心球表示 标出逻辑/控制功能球 相同的数字编号，加上功能标识,FT123,TT123,过程和仪表配置图,串级回路的P&ID图,使用P & ID 图纸来帮助确定现场总线的接线,根据仪表位置、关联性初步划分网段走向 配管配线平面图 仪表槽板敷设图,估计网段长度,按上表中最大值选择长度,常规应用,现场,控制室,控制系统,24Vdc,24Vdc,电源调节器,OR,安全区,现场接线器,危险区应用,现场,控制室,24Vdc,控制系统,危险区,基金会现场总线设备,现场接线器,?,保护 ?,FISCO Solution,Fieldbus Intrinsic Sa
3、fety Concept 用于总线本质安全的一种新的技术 以IEC61158-2现场总线装置物理层标准的概念为基础. 与较早的 Entity 模型相比, 可以向本安型主干提供更的的电流,因此可以连接更多的设备. 不需要电缆参数的计算 减少设备清单中的安全文件 不需要检查安全文件即可增加设备 允许使用更大电容的更长的电缆,FISCO power supply,Field,Control room,Control system,FISCO field devices,Zone 1 Division 1,24Vdc,24Vdc,Ex i Trunk Live-workable,Ex i spur L
4、ive-workable,FISCO 可应用于Zone1或Zone0的环境,现场接线器,可连接多少现场设备?,MTL5053 (Entity), IIC/IIB Gas Groups,FISCO, IIC Gas Groups,FISCO, IIB Gas Groups,80mA available, typically 4 or 5 devices,120mA available, typically 8 devices,265mA available, typically 17 devices,Zone 1/Division 1,假设每台设备15mA,FNICO方案,Fieldbus No
5、n-Incendive Concept FNICO特征: 总线应用在 Zone 2 / Division 2 危险区域 不需确认易燃气体即可在线维护, 就像本质安全一样 基于 FISCO, 总线本质安全概念 易于安装与维护 FNICO的主干和分支都是非易燃型的 目前由 IEC 60079-27标准定义,FNICO power supply,Field,Control room,Ex nL spur Live-workable,Control system,Ex nL or Intrinsically Safe Field devices,Safe/Zone 2 Division 2,24Vdc
6、,24Vdc,Ex nL Trunk Live-workable,FNICO E x nL主干和分支,Ex d 现场设备用于Zone 1,Control Room,Control System,24Vdc,Power Conditioner,Field,Ex d Field devices,Safe/Zone2/ 1 Division2/1,Junctionbox: Ex d/Explosionproof,Ex nA Trunk No live-workable,Ex nA Trunk No live-workable,高能量、冗余电源调节器应用于FNICO,Control Room,Cont
7、rol System,24Vdc,24Vdc,Power Conditioner,Field,Ex nL or Intrinsically Safe field devices,Safe/Zone 2 Division 2,Ex nA Trunk No live-workable,Ex nL spur Live-workable,Field,Control room,Ex i spur Live-workable,Control system,FISCO or Entity field devices,Zone 2/Zone 1,Ex e Trunk,24Vdc,Power condition
8、er,Zone 0/Zone 1,24Vdc,24Vdc,现场隔离安全栅,现场接线模块,高能量主干混合连接方案,Zone 2,Zone 0,Ex d,1632V,230VAC,Ex e,Ex ia (FISCO and Entity),现场隔离安全栅,Zone 0,Ex n / FNICO,Zone 1,Ex d,电缆类型,类型 电缆特征 规格 最大长度A 屏蔽, 单对双绞 #18 AWG 1900mB 多对双绞，总屏蔽 #22 AWG 1200mC 多对双绞，不带屏蔽 #26 AWG 400mD 多芯不双绞，不带屏蔽 #16 AWG 200m,越高的质量,越长的距离,国内FF H1总线电缆,
9、测试报告（节略）,测试结论 由国家电线电缆质量监督检验中心提供的测试结果可以看到，参与测试的国产电缆的电气参数满足H1现场总线物理层规范要求。 从传输性能的测试结果看，在31.25KHz标准正弦信号测试条件下，其性能从优到劣依次为：天津安琪尔A、安徽天康、BELDEN、天津安琪尔B和常州八益；在31.25KHz的H1网段条件测试下，其性能从优到劣依次为：天津安琪尔A、BELDEN、安徽天康和常州八益。因此有些国产电缆的传输性能并不亚于国外电缆。 从电缆的实物图上可以看到国产电缆大多为铠装电缆，铠装电缆具有抗拉伸、机械强度大等优点，可以直埋铺设且适用于户外较恶劣的环境下安装，可作为现场总线的主干
10、电缆。但由于其硬度和横截面积大，导致其柔性差，不适合在空间狭小的范围内安装，与现场仪表的连接困难。如果去掉这些国产电缆的铠装外层封装，且能保证其电气参数和传输性能不降低，则国产电缆完全可以适用于FF现场总线系统。,如何设计H1网段？,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 安全/HAZOP（危险与可操作性 ）约束 执行速度要求 宏循环 回路/模块执行要求,PT,101,LT,103,PI,102,TI,102,例：能量限制,网段 1,X,PT,101,LT,103,PI,102,TI,102,网段 1,网段 2,例：能量限制,PT,101
11、,LT,103,PI,102,TI,102,网段1,网段 2,例：能量限制,终端电阻,终端电阻,总线电源 调节器,T,T,24VDC,控制系统,冗余的考虑因素,三重冗余功能,LAS,BLAS,过程安全级别要求,1 级阀门 1 级阀门失效将导致整个系统故障,引起整个装置停车,或其他超过1 千万美元的不可避免的损失。该类故障可采用常规阀门故障模式。 设计要求: 1级阀门及其相关的测量设备(变送器)挂接在只用于1级控制的同一H1网络上。若服务是独立的,网段上可以有一个1 级阀门以及与之相关的变送器；若服务是关联的,可以有两个1级阀门以及与之相关的变送器。关联意味着两个阀门中的任一个都可以关闭相同的设
12、备(如火焰加热器的流量)。为确保互操作性,需要考虑如下事项:回路中所有1级现场设备由一个供应商提供。主机接口插件和所有1级回路的现场设备都应进行单独的互操作性测试。网络的整个寿命周期内,设备和接口插件的版本都应能够兼容。如有必要,升级应在工厂检修期间进行。2 级阀门 2级阀门故障将导致整个系统故障,引起整个装置停车,或其他超过$100K的不可避免损失。但2 级阀门的过程动态时间允许由故障状态快速恢复,可以是快速修复故障或采取手动控制。相关容器的材料和能量容量、地理位置,以及此类阀门的操作性能也是必须予以考虑。1级和2级阀门的取决于针对单个故障所反应出的可操作性。 设计要求: 2 级阀门及其相关
13、的测量设备(变送器)应挂接在只用于控制的同一H1网络上。若服务是独立的,网段上可以有一个2级阀门和相关的变送器；若服务是关联的,可以有两个1 级阀门,或一个2 级和一个3 级阀门以及与之相关的变送器。关联意味着两个阀门中的任一个都可以关闭相同的设备(如火焰加热器的流量)。为确保互操作性,需要考虑如下事项:回路中所有2级现场设备由一个供应商提供。主机接口插件和所有2级回路的现场设备都应进行单独的互操作性测试。网络的整个寿命周期内,设备和接口插件的版本都应能够兼容。如有必要,升级应在工厂检修期间进行。,3 级阀门 此类阀门失效时,短期内不会造成任何整个装置停车或重大损失。3级阀门可以切入其故障位置
14、,无需操作员采取立即措施。 设计要求: 3级阀门最多可以与其他三个3级阀门驻留在插件或网络/网段上,或是和一个2级阀门位于同一个网段上(有关网段上阀门数量的其他限制可参见6.7.2节)。包含3级控制的网络可以采用多家(经认可)销售商的产品,包括只测量设备。 网段/网段图纸上应标出关键程度等级,并且显著标明该网络/网段上不得添加任何附加设备。,过程安全级别要求（续）,客户实际要求,举例 按客户实际要求而变化,注解： 1. 阀V-102和V-104必须在不同的网段上2. 阀V-101和V-103不允许安置于阀V-102的网段上,如何设计H1网段？,网段负载 会受以下各因素的影响： 工厂的布局 距离
15、 (电压降) 危险区（防爆措施） 控制关联性 安全/HAZOP（危险与可操作性 ）约束 执行速度要求 宏循环 回路/模块执行要求,执行速度,服务器客户端方式 分配汇报方式 出版方/预定者 (强制数据),出版方/预定者,在控制器中执行PID 3 CD VCRs,PID 在控制器中,出版方/预定者,在变送器中执行PID 2 CD VCRs,PID 在变送器中,出版方/预定者,在阀门定位器中执行PID 1 CD VCR,PID 在阀门中,PID在控制器中执行的宏循环,AI 在变送器中执行 执行速度 30 ms PID 在控制器中执行 AO 在阀门定位器中执行 执行速度 80 ms 30 ms 为最小
16、的时序间隔 连接8台变送器和8台阀门定位器共16个FF设备， 组成8对单回路控制,1 Loop 220 2 Loops 360 3 loops 450 4 loops 590 5 loops 730 6 loops 820 7 loops 960 8 loops 1100,PID在阀门定位器中执行的情况,1 Loop 300 2 Loops 330 3 loops 360 4 loops 390 5 loops 420 6 loops 450 7 loops 480 8 loops 510,AI 在变送器中执行 执行速度 30 ms PID 在阀门定位器中执行 执行速度 160 ms AO 在
17、阀门定位器中执行 执行速度 80 ms 30 ms 为最小的时序间隔 连接8台变送器和8台阀门定位器共16个FF设备， 组成8对单回路控制,下放到现场的控制功能,PID Input Selector（输入选择） Control Selector（控制选择） RA（比值） Characterizer（特征曲线） Integrator (累计功能) Timer（记时） MAI（多路模拟输入）等30多种功能块,所有的基本控制功能可以在现场设备中执行,80 20 规则,网段设计工具,网段回路图,FF 仪表组态,More accurate values / more information 更精确的数值
18、/更多的信息,CPU,CPU,CPU,CPU,PLC / DCS,Function Block功能块,Path of signal in a fieldbus device现场总线设备的信号传输,AI Block 模拟量输入块,Pressure 压力,H1 FOUNDATION Fieldbus,mV,OUT,Function Block功能块,AI block模拟量输入模块,simulation,scaling,fault values,limits,Value,OUT,XD_Scale L_TYPE OUT_Scale,HH H L LL,Channel,IO_OPTS,总线仪表的多参数功
19、能,MMI质量流量计,电动阀,充分利用FF总线设备的特有功能,仪表规格表中应该包括以下内容,工作电压 (9-32 volts) 从总线上消耗的最大工作电流 功能块的要求 功能块的执行速度 标准/先进 的诊断功能要求 互操作性测试认证(ITK5.0 FF 基本 标准) 仪表对总线电缆极性要求 LAS 能力 设备软硬件版本 可组态的通道数 现场多参数指示功能,改进的维护方式 One person can easily:组态下载执行自诊断完成回路检测检查接线,采用智能设备管理来投运仪表,Rack Room,调试时间减少70%以上日常维护时间降低了 67%,节约效果:,现场总线系统调试步骤,电缆、接线
20、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 过程连接压力测试和检查 现场设备（物理安装） 阀门校准 回路整定,总线网段检测表,屏蔽接地,屏蔽接地十分重要，现场90%以上通讯问题来自于不正确的屏蔽接地。 最常用的就是单端接地！,FF 投运的检测工具,示波器,AC 200mV/Division 10ms/Division,Fluke 199,电源调节器内嵌高级诊断功能,系统内置的网段和设备通讯诊断,维护,现场维护 电缆和机盖检查 更换故障设备 调零（如果需要） 安全设备认证测试 相关机械工作,维护,中央维护工具，系统的一部分 组态、校验、监测、高级诊断功能 单一数据库 所有总线设备组态 当前和历史数据,维护,当前和原先组态数据比较、调和 审计跟踪 设备警示 设备模板创立 设备位号命名和搜索 在线帮助 数据库导入/导出 诊断增加功能 OPC到第三方数据库,培训,定义性概念 详细设计 实施 客户现场人员 承包商标书准备(评估者) 承包商 检验/试运行 开车 承包商 客户 操作 提供不同层次的服务要求,对FF采用传统的方法使用的结果 只能将先进的FF设备组件发挥传统仪表的性能,FOUNDATION Fieldbus Seminar,Thanks for your audience 感谢您的参与,
