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1  引言

    FF（Foundation Fieldbus，基金會現(xiàn)場總線）是一種由現(xiàn)場總線基金會研發(fā)推廣的現(xiàn)場總線協(xié)議。它符合開放的國際標準IEC-61158-2。現(xiàn)場總線基金會的目標是致力于開發(fā)出統(tǒng)一標準的現(xiàn)場總線，并且在1996年頒布了低速總線F1的標準，使H1低速總線進入了實用階段。 同時， 高速總線標準―高速以太網(wǎng)HSE也于2000年制定出來。

    SECCO是由中石化、上海石化、英國石油共同投資建設的化工企業(yè)。共有8套生產(chǎn)裝置，其中90萬噸/年 乙烯裝置是目前世界上單線產(chǎn)能最大的乙烯裝置。也是目前為止使用FF最多的裝置。投產(chǎn)時，總FF儀表的安裝數(shù)量超過了23000臺。

2  FF的結(jié)構(gòu)
 
    (1)  物理層

    FF采用了廣為人知的開放式系統(tǒng)互聯(lián) OSI 參考模型，但不同的是它隱去了其中的3～6層，并且在應用層之上又加了用戶層。

    物理層由國際電工委員會IEC 與國際測量與控制協(xié)會ISA的標準來定義。目前為止可以分為兩種：H1和HSE。 H1 的傳輸速率達31.25Kbit/s，采用雙絞線的最大傳輸距離可達到1900米。 HSE 的傳輸速率可達到100Mbit/s，應用對象為高性能、完全冗余的控制主干網(wǎng)，如H1子系統(tǒng)和高密度數(shù)據(jù)源（如PLC和分析儀）的集成。在以太網(wǎng)交換機和設備之間，HSE 標準雙絞線以太網(wǎng)電纜的最大傳輸距離為100米。

    物理層從通訊棧接受信息，并將其轉(zhuǎn)換為物理信號，然后發(fā)送到現(xiàn)場總線傳送介質(zhì)上；同樣這一過程的逆過程也是在這層實現(xiàn)的。該層的標準決定了總線的物理特性，包括：拓撲結(jié)構(gòu)、電纜距離、電壓電流、站點地址等。

    在SECCO 項目中筆者采用的就是 H1 的網(wǎng)絡。并且絕大部分的現(xiàn)場儀表是通過總線來供電的。從圖2可以清楚地看到信號的傳輸方式。傳輸設備以31.25Kbit/s 的速率向50Ohm的終端負載發(fā)送峰峰值為20mA 的電流信號，從而產(chǎn)生1V的峰－峰電壓，并調(diào)制于直流電壓上，直流電壓的范圍在9～32VDC。

圖2  信號的傳輸方式

    H1現(xiàn)場總線允許有分支存在，根據(jù)不同的現(xiàn)場情況，一般會采用樹型拓撲、分支拓撲、混合拓撲 這三種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。在這個項目中筆者采用的是樹型拓撲，如圖3所示。

圖3  樹型拓撲

    一般建議把同一個回路中的儀表放在同一個接線盒里。

    (2)  通訊棧

    通訊棧是用于實現(xiàn)總線網(wǎng)絡上各個設備之間的通訊的，也包括了現(xiàn)場儀表與Host 之間的通訊。其中有三個組成部分：數(shù)據(jù)鏈路層（也就是OSI中的數(shù)據(jù)鏈路層）、現(xiàn)場總線訪問子層及現(xiàn)場總線報文規(guī)范層，這兩層對應于OSI 中的應用層。

    數(shù)據(jù)鏈路層是通過集中式總線調(diào)度器(LAS)對總線的通訊訪問進行控制的。其功能包括了：維護調(diào)度，發(fā)送令牌給網(wǎng)絡設備；探察未使用地址，將其分配給新設備，并加到活動表上；在鏈路上周期分配數(shù)據(jù)鏈路時間和鏈路調(diào)度時間；發(fā)送授權(quán)令牌給設備，進行無調(diào)度數(shù)據(jù)傳輸控制；監(jiān)視設備響應授權(quán)令牌，從活動表上刪掉不能使用或不能退回令牌的設備。

    現(xiàn)場總線訪問子層利用數(shù)據(jù)鏈路層的調(diào)度和非調(diào)度服務來為現(xiàn)場總線報文規(guī)范層服務。其主要作用是運行用戶程序使用一套標準的報文規(guī)范通過現(xiàn)場總線相互發(fā)送信息。

    現(xiàn)場總線報文規(guī)范層描述了用戶應用所需要的通信服務、信息格式和行為狀態(tài)等；還提供了一組服務和標準的報文格式。

    (3)  用戶應用層

    現(xiàn)場總線基金會按照不同的應用功能，以功能塊為單元定義了標準的用戶應用層。其中，包括了標準功能塊參數(shù)與行為的定義以及設備描述技術DD。從而在真正意義上實現(xiàn)了總線的互操作性。

3  FF的組態(tài)過程

    SECCO 項目中所有的軟件組態(tài)都是在主機系統(tǒng)平臺上完成的，對于FF 來說，其主機系統(tǒng)都應通過主機互操作性測試（HIST），且主機系統(tǒng)應于基金會現(xiàn)場總線的一些性能實現(xiàn)集成。SECCO 采用的是艾默生過程控制有限公司研發(fā)的DeltaV 系統(tǒng)。

    由于FF 對每個網(wǎng)段上的電纜長度、設備個數(shù)、供電、儀表耗電、網(wǎng)絡拓撲都有不同的要求，因此在設計時就要經(jīng)過嚴格的計算。

    在這里使用FF Design Tool軟件，可以大大減輕對現(xiàn)場總線網(wǎng)段的設計工作，它是運行在Windows 界面下的。按照SECCO 的標準，每一個網(wǎng)段的儀表的數(shù)量不可以超過9，且同一個回路中的儀表必須放在同一網(wǎng)段。另外要注意的一點是，所有儀表信號導線不得用于接地。儀表安全接地必須通過信號電纜之外的獨立導線。在網(wǎng)絡中的任何一處，現(xiàn)場總線設備不得將雙絞線對中的任意一根導線接地。在SECCO項目中采用單點接地，現(xiàn)場接線屏蔽端不與表殼或接地端相連。

圖4  一個網(wǎng)段的接線

    圖4所示就是一個網(wǎng)段的接線，其中，MTL 5995 是FPS（Field Process Control System，現(xiàn)場過程控制系統(tǒng)），并打到內(nèi)置終端。

    軟件組態(tài)的第一步就是COMMISSION，和傳統(tǒng)的控制方法一樣，現(xiàn)場總線在進行COMMISSION 同樣需要現(xiàn)場調(diào)試人員的配合。 不同的是，調(diào)試人員可以在中控室的人機界面上實時檢測到已接入系統(tǒng)的每一塊儀表的實際狀況，因此現(xiàn)場人員只需要單純地將表連到接線箱上。完成了這一步后，所有的組態(tài)工作都可以在控制室中進行。首先，需要把表從軟件上連到它所對應的網(wǎng)段上，這時系統(tǒng)會自動分配一個節(jié)點地址給當前設備，在每個網(wǎng)段上節(jié)點地址是唯一的，是網(wǎng)段用于描述該設備的當前地址。此外，每一個現(xiàn)場總線設備都必須擁有唯一的物理設備位號，以及響應的網(wǎng)絡地址。一般這都是由儀表廠家在表出廠前就設好的。一般主系統(tǒng)留給永久設備使用的地址位16－247。需要注意的是，這里的設備位號要與控制策略組態(tài)中的相吻合，否則很容易出現(xiàn)回路中找不到輸入的情況。

    在此期間可能遇到的問題有：

    (1)  系統(tǒng)檢測不到表

    ①  這可能是由于廠家預設的地址超出了這個范圍，則系統(tǒng)將無法正確讀到該表的信息。只有等到現(xiàn)場人員用手操器將表里的網(wǎng)絡地址改到正常范圍以內(nèi)后，系統(tǒng)才可以認出該設備。

    ②  因為外供電的問題，在可能的情況下所有的現(xiàn)場設備都采用總線供電，但總線供電僅僅可以達到9～32V電壓10～30mA電流。因此對于超出此范圍的現(xiàn)場設備，就只能采用本地供電了，如艾默生過程控制有限公司的 Micromotion 就需要現(xiàn)場220V 供電。對于需要外供電的設備，必須首先確保其供電正常后才能被系統(tǒng)檢測到。

    ③  現(xiàn)場的接線錯誤，由于FF 的硬件設計和軟件組態(tài)是完全對應的，在系統(tǒng)界面上看到的網(wǎng)段其實就對應了現(xiàn)場的一個接線箱，因此，無論是表到接線箱或是接線箱到端子排的接線，錯了一處就無法在正確的位置上檢測到該設備。

    ④  表頭的接線錯誤，絕大多數(shù)現(xiàn)場總線設備的通訊信號對極性不敏感，但也不排除有一些小廠家或是老式的FF 設備有所例外。一般在操作手冊上都會有注明的。

    (2)  系統(tǒng)讀不到表中的信息

    如果系統(tǒng)只能檢測到表卻無法讀到表里的信息時，可能是由于系統(tǒng)中沒有預先裝載該表的DD文件。對于每一臺標準的現(xiàn)場總線設備廠家都應提供一份設備描述文件（DD file）。DD 可以看作是設備的驅(qū)動程序，只要有設備的DD 任何與現(xiàn)場總線兼容的控制系統(tǒng)或主機就可以操作該設備了。基金會現(xiàn)場總線的網(wǎng)站上可以找到所有FF 設備的DD 文件，但為了保證版本一致，還是建議直接問廠家索取。

    完成了第一步后，隨后就要把控制模塊分配到相應的現(xiàn)場設備中，從而實現(xiàn)控制功能的本地化。在這過程中，根據(jù)表的不同，需要對表的通道、量程轉(zhuǎn)換等參數(shù)進行一些設置。這里要注意的是，每種表的功能都不盡相同，因此在設定通道時必須嚴格按照儀表的產(chǎn)品手冊，否則很容易取錯值。由于量程的轉(zhuǎn)換是在儀表的轉(zhuǎn)換塊中實現(xiàn)的，因此，必須將量程設定在現(xiàn)場儀表可以接受的有效范圍內(nèi)。

    緊接著就是下裝，可以選擇一塊表單獨下，也可以將一個網(wǎng)段上的所有設備一起下。對于DeltaV 系統(tǒng)，最多可實現(xiàn)兩個網(wǎng)段一起下裝。這一步就是將控制器中的部分功能（如AI、AO、PID等），實際下裝到現(xiàn)場設備中去。完成了這步操作后，就可以在系統(tǒng)的流程圖中直接讀到現(xiàn)場設備上傳的實際數(shù)據(jù)了。同樣，在這里也會碰到一些問題：

    (1)  下裝報錯，這可能是由于現(xiàn)場設備的安全防護開關沒有關閉，需要現(xiàn)場人員到表頭將開關閉合。有些設備上還設有仿真開關，應此在作仿真的時候也要將此開關打開允許仿真操作。

    (2)  流程圖中讀到的值狀態(tài)不對，這就可能關聯(lián)到前面幾步操作的正確性，可能是由于現(xiàn)場一次元件的接線問題，也有可能是一次元件到表頭的線制設定問題，系統(tǒng)中的線制必須與現(xiàn)場的實際情況相一致，或者就是量程轉(zhuǎn)換的問題等等。建議這時直接到表的診斷界面中去查原因。有一點要注意的是，在對表進行組態(tài)或者維護的時候，在將轉(zhuǎn)換塊打成OOS 的同時，必須將資源塊也打成OOS 的狀態(tài)。 而在將表切回運行狀態(tài)時必須先打資源塊，否則，轉(zhuǎn)換塊的狀態(tài)始終都維持在OOS 狀態(tài)上。

    最后就是校表了，不同于傳統(tǒng)的儀表，現(xiàn)場總線設備的校驗可以全部在控制室中完成。一般FF 設備在出廠前就已經(jīng)通過校驗了，人們可以在設備的診斷界面上讀到校驗的時間、溫度、校驗值等一系列信息。因此，筆者不建議對設備進行再校驗，尤其是變送器。

4  結(jié)語

    經(jīng)過SECCO 項目，筆者覺得現(xiàn)場總線最為突出的一個亮點就是它的診斷功能。通過人機界面，維護人員可以讀到表里的所有信息，并且可以直接在系統(tǒng)平臺上對現(xiàn)場設備進行組態(tài)。這大大縮短了解決現(xiàn)場設備問題的速度，同時也減少了維護人員在現(xiàn)場可能遇到的危險。
   
參考文獻：
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[2]  陳小楓, 董景辰, 曹迎東. 過程控制現(xiàn)場總線-工程、運行與維護[M]. 清華大學出版社.