第7讲 现场总线设备.ppt

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1、1Beijing Institute of Technology现场总线技术现场总线技术第七讲第七讲 现场总线设备现场总线设备2Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备现场总线设备现场总线设备第第一一部部分分现场总线设备分类现场总线设备分类3Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备现场总线设备分类现场总线设备分类7.1.1现场总线设备的分类现场总线设备的分类现场总线设备是指连接在现场总线上的各种仪表或设备，按现场总线设备是指连接在现场总线上的各种仪表或设备，按功能可分为六类：功能可分为六类：p变送器类变

2、送器类：用于检测生产过程的变量，并具有将过程变量信号转换为：用于检测生产过程的变量，并具有将过程变量信号转换为现场总线信号的功能。如：温度变送器；现场总线信号的功能。如：温度变送器；p执行器类执行器类：用于对生产过程进行操作和控制，用于改变控制系统的操：用于对生产过程进行操作和控制，用于改变控制系统的操纵变量。如气动执行器、电动执行器等；纵变量。如气动执行器、电动执行器等；p转换器类转换器类：现场总线：现场总线/电流转换器、现场总线电流转换器、现场总线/气压转换器等；气压转换器等；p接口类接口类：计算机和控制器与现场总线之间的接口设备；：计算机和控制器与现场总线之间的接口设备；p电源类电源类：

3、现场总线仪表供电电源设备、电源调整器设备等；：现场总线仪表供电电源设备、电源调整器设备等；p附件类附件类：如终端器、中继器、安全栅等。：如终端器、中继器、安全栅等。4Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备现场总线设备分类现场总线设备分类7.1.2现场总线设备的特点现场总线设备的特点p全数字性；全数字性；p精度高；精度高；p抗干扰能力强；抗干扰能力强；p内嵌控制功能；内嵌控制功能；p高速通信；高速通信；p多变量测量和传输；多变量测量和传输；p系统综合成本低；系统综合成本低；p真正的可互操作性；真正的可互操作性；p真正的分散控制真正的分散控制5Bei

4、jing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备现场总线设备分类现场总线设备分类7.1.3现场总线设备的特点现场总线设备的特点p两种通信方式精度的比较两种通信方式精度的比较6Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备现场总线设备分类现场总线设备分类7.1.4本质安全型本质安全型(Intrinsicsafety)仪表仪表又叫安全火花型仪表。它的特点是仪表在正常状态下和故障状态下，电又叫安全火花型仪表。它的特点是仪表在正常状态下和故障状态下，电路、系统产生的火花和达到的温度都不会引燃爆炸性混合物。它的防爆路、系统产生的火花

5、和达到的温度都不会引燃爆炸性混合物。它的防爆主要由以下措施来实现：主要由以下措施来实现：本制安全型仪表的防爆性能不是采用通风、充气、充油、隔爆等外部措施实现的，本制安全型仪表的防爆性能不是采用通风、充气、充油、隔爆等外部措施实现的，而是由电路本身实现的，因而是本质安全的。它能适用于一切危险场所和一切爆而是由电路本身实现的，因而是本质安全的。它能适用于一切危险场所和一切爆炸性气体、蒸气混合物，并可以在通电的情况下进行维修和调整。但是，它不能炸性气体、蒸气混合物，并可以在通电的情况下进行维修和调整。但是，它不能单独使用必须和本安关联设备（安全栅）、外部配线一起组成本安电路，才能发单独使用必须和本安

6、关联设备（安全栅）、外部配线一起组成本安电路，才能发挥防爆功能。挥防爆功能。p采用新型集成电路元件等组成仪表电路，在较低的工作电压和较采用新型集成电路元件等组成仪表电路，在较低的工作电压和较小的工作电流下工作小的工作电流下工作；p用安全栅把危险场所和非危险场所的电路分隔开，限制由非危险用安全栅把危险场所和非危险场所的电路分隔开，限制由非危险场所传递到危险场所去的能量场所传递到危险场所去的能量；p仪表的连接导线不得形成过大的分布电感和分布电容，以减少电仪表的连接导线不得形成过大的分布电感和分布电容，以减少电路中的储能路中的储能；7Beijing Institute of Technology现场

7、总线设备现场总线设备现场总线设备现场总线设备第第二二部部分分现场总线变送器类设备现场总线变送器类设备8Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备现场总线变送器类设备现场总线变送器类设备7.2.1现场总线差压变送器现场总线差压变送器压差传感器分为电容式和压电式等压差传感器分为电容式和压电式等4种类型，电容式适用于测量差种类型，电容式适用于测量差压和表压，常用于表压、流量和液位测量。压和表压，常用于表压、流量和液位测量。9Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备现场总线变送器类设备现场总线变送器类设备7.2.

8、1现场总线电容式压差传感器工作原理现场总线电容式压差传感器工作原理PhPlChdCl:电容极板之间电解质的介电常数电容极板之间电解质的介电常数A:极板面积极板面积d:Ch和和Cl固定膜片之间的距离固定膜片之间的距离10Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备现场总线变送器类设备现场总线变送器类设备电源隔离显示控制器振荡器EEPROM本机调整电源信号整形CPUEEPROMPROMRAM通信控制器EEPROM信号隔离温度变送器主电路板传感器组件板显示板7.2.1LD302压力变送器硬件构成框图压力变送器硬件构成框图11Beijing Institute

9、 of Technology现场总线设备现场总线设备现场总线变送器类设备现场总线变送器类设备功能块应用折线块输入选择块模拟输入块计算块PID块累积块显示块资源块传感器转换块输入硬件7.2.1LD302压力变送器内装模块图压力变送器内装模块图12Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备现场总线变送器类设备现场总线变送器类设备现场总线前向通路反向通路TOTAIPIDAO前向通路LD302CAS_ININOUTBKCAL_INBKCAL_IN执行器串级结构7.2.1LD302压力变送器控制应用压力变送器控制应用13Beijing Institute of

10、 Technology现场总线设备现场总线设备现场总线变送器类设备现场总线变送器类设备7.2.2现场总线温度变送器现场总线温度变送器TT30214Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备热电阻连接的三种方法热电阻连接的三种方法7.2.2现场总线温度变送器现场总线温度变送器TT302RTDRTDRTDRx2Rx3Rx4两线制：两线制：U2=(RTD+2R)xI三线制：三线制：U2=(RTD+R)xIU1=IxRU2-U1=IxRTD四线制：四线制：U2=RTDxI长距离传输或导线经过温度变化区域时采用三线或四线制长距离传输或导线经过温度变化区域时采用

11、三线或四线制15Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备现场总线设备现场总线设备第第三三部部分分现场总线执行器类设备现场总线执行器类设备16Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.3.1现场总线阀门定位器现场总线阀门定位器17Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.3.1现场总线阀门定位器现场总线阀门定位器FY302控制电路使压电挡板靠近控制电路使压电挡板靠近喷嘴喷嘴伺服室气压增大伺服室气压增大伺服膜片受力增大伺服膜片受力增大滑阀下移滑阀下移气源来的

12、压缩空气从滑气源来的压缩空气从滑阀中间的气路径孔阀中间的气路径孔2进入进入气动执行器的一侧气室，气动执行器的一侧气室，孔孔1和排气孔和排气孔1连通排气连通排气执行机构由于压差产生执行机构由于压差产生位移位移工作原理工作原理18Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备现场总线设备现场总线设备第第四四部部分分现场总线信号转换类设备现场总线信号转换类设备19Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.4.1电流电流-现场总线转换器现场总线转换器IF302外形及外接线图外形及外接线图将将3路路4-20mA电流信

13、号转换为现场总线信号电流信号转换为现场总线信号20Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.4.1电流电流-现场总线转换器现场总线转换器IF302硬件构成框图硬件构成框图21Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.4.2现场总线现场总线-电流转换器电流转换器FI302硬件构成框图硬件构成框图将现场总线信号转换为将现场总线信号转换为4-20mA电流信号输出电流信号输出22Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备输出电路板和外部接线输出电路板和外部接线7.

14、4.2现场总线现场总线-电流转换器电流转换器FI30223Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.4.3现场总线现场总线-气压转换器气压转换器FP302接收现场总线控制信号，转换为接收现场总线控制信号，转换为20-100kPa气压信号，用于控制气动控制阀气压信号，用于控制气动控制阀主要功能块：输出功能块、主要功能块：输出功能块、PID功能块等功能块等24Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.4.3现场总线现场总线-气压转换器气压转换器FP302增压过程：增压过程：控制电路使压电挡板靠近喷嘴控制

15、电路使压电挡板靠近喷嘴喷嘴背压增加喷嘴背压增加控制室气压增大控制室气压增大提升阀芯下移提升阀芯下移提升阀打开，提升阀打开，气源提供的压缩空气流入输出室气源提供的压缩空气流入输出室输出气压增加输出气压增加减压过程：减压过程：压电挡板上移压电挡板上移控制室气压降低控制室气压降低提升阀上移，开度减小提升阀上移，开度减小输出输出气压减小气压减小工作原理工作原理25Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备现场总线设备现场总线设备第第五五部部分分现场总线接口类设备现场总线接口类设备26Beijing Institute of Technology现场总线设备现

16、场总线设备7.5.1概述概述用于将其它总线连接到现场总线系统用于将其它总线连接到现场总线系统Smar公司公司ISA现场总线现场总线(H1)接口卡：接口卡：PCI302Smar公司公司现场总线现场总线(FF)/以太网以太网(Ethernet)通用网桥通用网桥：DFI302Smar公司公司HART/FF接口：接口：HI30227Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.5.2SmarDFI302现场总线通用网桥现场总线通用网桥p集成的集成的SYSTEM302一部分；一部分；p单一的集成单元，包括接口、链路设备、网桥、控制单一的集成单元，包括接口、链路

17、设备、网桥、控制器、网关、现场总线电源和器、网关、现场总线电源和I/O子系统；子系统；p使用基金会现场总线和使用基金会现场总线和OPC，将不同制造商的设备和，将不同制造商的设备和软件高度集成；软件高度集成；p通过传统通过传统I/O和和Modbus通讯连接现有设备；通讯连接现有设备；p完全的冗余和故障隔离，很高的安全性和不间断运行；完全的冗余和故障隔离，很高的安全性和不间断运行；p紧凑且高效低成本的结构；紧凑且高效低成本的结构；p大量信息遍布从底层开始的整个企业大量信息遍布从底层开始的整个企业。28Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.5.3S

18、mar公司公司SYSTEM302企业企业自动化系统自动化系统29Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备现场总线设备现场总线设备第第六六部部分分现场总线电源类设备现场总线电源类设备30Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.6.1概述概述p具有提供现场总线设备的直流电源功能；具有提供现场总线设备的直流电源功能；p具有防止现场总线信号流过电源造成电源短路的功能；具有防止现场总线信号流过电源造成电源短路的功能；功能功能p谐波电压峰峰值应小于谐波电压峰峰值应小于0.1V；p具有短路保护功能；具有短路保护功

19、能；p具有电涌保护器、具有过流和过压保护器；具有电涌保护器、具有过流和过压保护器；p具有隔离交变信号和直流电源的电源调整器；具有隔离交变信号和直流电源的电源调整器；p必要时设置冗余电源。必要时设置冗余电源。对电源的要求对电源的要求现场总线供电系统包括现场总线现场总线供电系统包括现场总线终端器终端器、电源调整器电源调整器和和直流供电电源直流供电电源等等31Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.6.1概述概述Smar公司现场总线终端器公司现场总线终端器:BT302Smar公司公司现场总线电源阻抗匹配器现场总线电源阻抗匹配器:DF53/DF49现场

20、总线电源阻抗匹配器是一种非隔离的有源电源阻抗控制设备，它带有一个输出阻抗匹配器，两个总线端子(一个100ohm电阻与一个uF电容串行)。纯阻性的线缆阻抗和较宽的频率带宽可防止由通讯 信号波动导致的信号衰减和失真。BT302用来防止现场总线网络中的信号反射和噪声Smar公司电源模块公司电源模块:DF52(PS302)32Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.6.2现场总线终端器工作原理现场总线终端器工作原理电压反射系数电压反射系数=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)电压透过系数电压透过系数=1-(Z2-Z1)/(Z2+Z1)=2*Z1/(Z2+Z1

21、)p传输线路存在传输线路存在反射反射，通常在传输线路末端反射尤为明显；，通常在传输线路末端反射尤为明显；p线路的反射与传输线路的特征阻抗有关，当传输介质在某线路的反射与传输线路的特征阻抗有关，当传输介质在某点点特征阻抗特征阻抗发生变化时，信号的一部分能量就会在此被反发生变化时，信号的一部分能量就会在此被反射，另一部分能量会透过此点。射，另一部分能量会透过此点。特征阻抗特征阻抗=Z1特征阻抗特征阻抗=Z233Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.6.2现场总线终端器工作原理现场总线终端器工作原理p若传输电缆各段特征阻抗不同，差值越大反射信号的幅

22、值若传输电缆各段特征阻抗不同，差值越大反射信号的幅值越强，叠加在传输信号上会引起信号畸变越强，叠加在传输信号上会引起信号畸变p若线路末端没有终端电阻，则若线路末端没有终端电阻，则Z2等于无穷，此时电压透等于无穷，此时电压透过系数为过系数为0，反射系数为，反射系数为1(全部反射全部反射),反射信号会引起很反射信号会引起很大干扰；大干扰；p若在线路末端接一个与传输电缆的特征阻抗相同的电阻则若在线路末端接一个与传输电缆的特征阻抗相同的电阻则不会产生反射。因为不会产生反射。因为Z2=Z1，电压反射系数为，电压反射系数为0，信号如，信号如同接入一个无限长电缆；同接入一个无限长电缆；p在线路末端接入一个电

23、阻并使之与电缆的特征阻抗相等也在线路末端接入一个电阻并使之与电缆的特征阻抗相等也称为称为阻抗匹配阻抗匹配，这个线路末端电阻称为，这个线路末端电阻称为终端器终端器特征阻抗特征阻抗=Z1特征阻抗特征阻抗=Z2电压反射系数电压反射系数=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)电压透过系数电压透过系数=1-(Z2-Z1)/(Z2+Z1)=2*Z1/(Z2+Z1)34Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.6.2现场总线终端器工作原理现场总线终端器工作原理p为防止在现场总线上反射信号的产生，在总线最远端安装为防止在现场总线上反射信号的产生，在总线最远端安装终端电阻

24、，终端电阻应等于导线的特征阻抗值；终端电阻，终端电阻应等于导线的特征阻抗值；p在同时传送交变信号和直流电源的总线上，为避免电源在在同时传送交变信号和直流电源的总线上，为避免电源在终端电阻上的能量消耗，应串连电容。终端电阻上的能量消耗，应串连电容。基金会现场总线终端器：基金会现场总线终端器：100欧1uF现场总线需两个终端器，分别设置在导线的最远端。为简化，可内置在现场总线需两个终端器，分别设置在导线的最远端。为简化，可内置在电源调整器内。电源调整器内。35Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.6.2现场总线现场总线终端器终端器(BT302)电

25、阻：电阻：1002%，频频率范率范围围：7.8kHz-39kHz。FFH1信号频率：信号频率：31.25kHz100欧1uF36Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.6.3电源调整器工作原理电源调整器工作原理p在同时供电和传送信号的总线上，直流电源为了保持其输在同时供电和传送信号的总线上，直流电源为了保持其输出电压的恒定，将吸收现场总线信号；出电压的恒定，将吸收现场总线信号；p电源调整器用于防止现场总线信号进入直流电源；电源调整器用于防止现场总线信号进入直流电源；p简单的方法是在电源和现场总线之间串接一个电感。同时，简单的方法是在电源和现场总

26、线之间串接一个电感。同时，为防止与终端器中电容产生振荡，需为防止与终端器中电容产生振荡，需串连电阻串连电阻；p实际电路中并不采用电感，而是用等效电路，其优点是限实际电路中并不采用电感，而是用等效电路，其优点是限制电流，防止因现场总线电缆短路造成对网段供电电流制电流，防止因现场总线电缆短路造成对网段供电电流的超限。的超限。37Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备PSI302组成框图组成框图7.6.4现场总线电源阻抗器现场总线电源阻抗器(PSI302)p普通电源直接连接会使数字通信信号通过直流电源而短路；普通电源直接连接会使数字通信信号通过直流电源

27、而短路；p接入电阻和电感串联的无源阻抗器会引起损耗，且电感阻接入电阻和电感串联的无源阻抗器会引起损耗，且电感阻尼效应会造成信号失真和振荡；尼效应会造成信号失真和振荡；p有源阻抗对交流呈高阻，直流呈低阻，并可降低电功率损有源阻抗对交流呈高阻，直流呈低阻，并可降低电功率损耗，避免电源电压降落。耗，避免电源电压降落。输入输入保护保护电压电压调节调节器器阻抗控制阻抗控制输出保护输出保护终端器终端器直流直流24V信号信号+信号信号-屏蔽屏蔽地地38Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.6.5现场总线现场总线直流供电电源直流供电电源电气原理图电气原理图P

28、FC：PowerFactorCorrection，功率因数校正。，功率因数校正。对于桥式整流电路，由于电容滤波会使AC输入电流产生严重的波形畸变，向电网注入大量的高次谐波，因此网侧的功率因数不高，并对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰，此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种，一种为被动式PFC（也称无源PFC）和主动式PFC（也称有源式PFC）39Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.6.5电源、终端电阻、电源阻抗器连接电源、终端电阻、电源阻抗器连接总线型拓扑结构总线型拓扑结构40Beijing Institute of

29、Technology现场总线设备现场总线设备7.6.5电源、终端电阻、电源阻抗器连接电源、终端电阻、电源阻抗器连接树型拓扑结构树型拓扑结构41Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备现场总线仪表与现场总线仪表与PS302的连接图的连接图42Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备现场总线设备现场总线设备第第七七部部分分现场总线附件类设备现场总线附件类设备43Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备现场总线附件类设备现场总线附件类设备p原理原理l齐纳安全栅的防

30、爆原理是用齐纳二级管控制输出电压，齐纳安全栅的防爆原理是用齐纳二级管控制输出电压，用电阻限制输出电流，电路相对简单。由快速熔断器、用电阻限制输出电流，电路相对简单。由快速熔断器、限压电路和限流电路三部份组成。限压电路和限流电路三部份组成。l隔离安全栅是通过光、电、磁隔离技术来实现开关量、隔离安全栅是通过光、电、磁隔离技术来实现开关量、模拟量以及数字通信的电气隔离。主要包括电源隔离模拟量以及数字通信的电气隔离。主要包括电源隔离和信号隔离两部分。和信号隔离两部分。p特点特点l当分支短路时，只有该分支输出电流才受到限制，网当分支短路时，只有该分支输出电流才受到限制，网段其他部分仍可正常运行；段其他部

31、分仍可正常运行；l本安应用时，仅需非本安的网段耦合器，不需要再用本安应用时，仅需非本安的网段耦合器，不需要再用本安型网段耦合器。本安型网段耦合器。7.7.1现场总线本安栅现场总线本安栅44Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备p隔离型防爆仪表隔离型防爆仪表仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内，即使仪表仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内，即使仪表因事故在表壳内部产生燃烧或爆炸时，火焰穿过缝隙过因事故在表壳内部产生燃烧或爆炸时，火焰穿过缝隙过程中受缝隙壁吸热机阻滞作用，不会引起外部爆炸。程中受缝隙壁吸热机阻滞作用，不会引起外部爆炸。p本质安全型

32、防爆仪表本质安全型防爆仪表在正常状态下或规定的故障状态下产生的电火花和热效在正常状态下或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不会引起规定的易爆气体混合物爆炸。应均不会引起规定的易爆气体混合物爆炸。p防爆栅防爆栅(安全栅安全栅)隔离现场仪表和控制室仪表隔离现场仪表和控制室仪表7.7.1现场总线本安栅现场总线本安栅45Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.7.2现场总线本安栅现场总线本安栅(SB302)原理图原理图pREPEATER：中继器，用作放大器或中继器作用。可以延长总线通信中继器，用作放大器或中继器作用。可以延长总线通信距离。由于能量限

33、制，距离。由于能量限制，SB302最多可连接最多可连接4台台Smar302系列仪表；系列仪表；p电阻：限流；齐纳二极管：限压；保护熔断器：短路或过流。和在一电阻：限流；齐纳二极管：限压；保护熔断器：短路或过流。和在一起阻止大电压或电流进入危险区。起阻止大电压或电流进入危险区。46Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.7.2现场总线本安栅电气原理图现场总线本安栅电气原理图47Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备隔离栅(MTL5000系列)48Beijing Institute of Techno

34、logy现场总线设备现场总线设备现场总线附件类设备现场总线附件类设备7.7.2现场总线本安栅现场总线本安栅DF47Smar公司本安栅公司本安栅DF47电源电源49Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备7.7.3现场总线本安栅连接示意图现场总线本安栅连接示意图安全区安全区危险区危险区认证的接口认证的接口未认证的设备未认证的设备认证的危险区设备认证的危险区设备本安系统本安系统50Beijing Institute of Technology现场总线设备现场总线设备现场安现场安装仪表装仪表隔离隔离的内的内部元件部元件设备接地连线设备接地连线仪表系统仪表系统LEN7.7.3现场总线本安栅连接示意图现场总线本安栅连接示意图