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案例頻道1 引言
FF（Foundation Fieldbus，基金會現場總線）是一種由現場總線基金會研發推廣的現場總線協議。它符合開放的國際標準IEC-61158-2。現場總線基金會的目標是致力于開發出統一標準的現場總線，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。共有8套生產裝置，其中90萬噸/年 乙烯裝置是目前世界上單線產能最大的乙烯裝置。也是目前為止使用FF最多的裝置。投產時，總FF儀表的安裝數量超過了23000臺。
2 FF的結構
(1) 物理層
FF采用了廣為人知的開放式系統互聯 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，如H1子系統和高密度數據源（如PLC和分析儀）的集成。在以太網交換機和設備之間，HSE 標準雙絞線以太網電纜的最大傳輸距離為100米。
物理層從通訊棧接受信息，并將其轉換為物理信號，然后發送到現場總線傳送介質上；同樣這一過程的逆過程也是在這層實現的。該層的標準決定了總線的物理特性，包括：拓撲結構、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 的網絡。并且絕大部分的現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的終端負載發送峰峰值為20mA 的電流信號，從而產生1V的峰－峰電壓，并調制于直流電壓上，直流電壓的范圍在9～32VDC。
圖2 信號的傳輸方式
H1現場總線允許有分支存在，根據不同的現場情況，一般會采用樹型拓撲、分支拓撲、混合拓撲 這三種網絡拓撲結構。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
通訊棧是用于實現總線網絡上各個設備之間的通訊的，也包括了現場儀表與Host 之間的通訊。其中有三個組成部分：數據鏈路層（也就是OSI中的數據鏈路層）、現場總線訪問子層及現場總線報文規范層，這兩層對應于OSI 中的應用層。
數據鏈路層是通過集中式總線調度器(LAS)對總線的通訊訪問進行控制的。其功能包括了：維護調度，發送令牌給網絡設備；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據鏈路時間和鏈路調度時間；發送授權令牌給設備，進行無調度數據傳輸控制；監視設備響應授權令牌，從活動表上刪掉不能使用或不能退回令牌的設備。
現場總線訪問子層利用數據鏈路層的調度和非調度服務來為現場總線報文規范層服務。其主要作用是運行用戶程序使用一套標準的報文規范通過現場總線相互發送信息。
現場總線報文規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等；還提供了一組服務和標準的報文格式。
(3) 用戶應用層
現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了總線的互操作性。
3 FF的組態過程
SECCO 項目中所有的軟件組態都是在主機系統平臺上完成的，對于FF 來說，其主機系統都應通過主機互操作性測試（HIST），且主機系統應于基金會現場總線的一些性能實現集成。SECCO 采用的是艾默生過程控制有限公司研發的DeltaV 系統。
由于FF 對每個網段上的電纜長度、設備個數、供電、儀表耗電、網絡拓撲都有不同的要求，因此在設計時就要經過嚴格的計算。
在這里使用FF Design Tool軟件，可以大大減輕對現場總線網段的設計工作，它是運行在Windows 界面下的。按照SECCO 的標準，每一個網段的儀表的數量不可以超過9，且同一個回路中的儀表必須放在同一網段。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。在網絡中的任何一處，現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，現場接線屏蔽端不與表殼或接地端相連。
圖4 一個網段的接線
圖4所示就是一個網段的接線，其中，MTL 5995 是FPS（Field Process Control System，現場過程控制系統），并打到內置終端。
軟件組態的第一步就是COMMISSION，和傳統的控制方法一樣，現場總線在進行COMMISSION 同樣需要現場調試人員的配合。 不同的是，調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的每一塊儀表的實際狀況，因此現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段上，這時系統會自動分配一個節點地址給當前設備，在每個網段上節點地址是唯一的，是網段用于描述該設備的當前地址。此外，每一個現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中的相吻合，否則很容易出現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，則系統將無法正確讀到該表的信息。只有等到現場人員用手操器將表里的網絡地址改到正常范圍以內后，系統才可以認出該設備。
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檢測到。
③ 現場的接線錯誤，由于FF 的硬件設計和軟件組態是完全對應的，在系統界面上看到的網段其實就對應了現場的一個接線箱，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，絕大多數現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) 系統讀不到表中的信息
如果系統只能檢測到表卻無法讀到表里的信息時，可能是由于系統中沒有預先裝載該表的DD文件。對于每一臺標準的現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動程序，只要有設備的DD 任何與現場總線兼容的控制系統或主機就可以操作該設備了。基金會現場總線的網站上可以找到所有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場設備中，從而實現控制功能的本地化。在這過程中，根據表的不同，需要對表的通道、量程轉換等參數進行一些設置。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品手冊，否則很容易取錯值。由于量程的轉換是在儀表的轉換塊中實現的，因此，必須將量程設定在現場儀表可以接受的有效范圍內。
緊接著就是下裝，可以選擇一塊表單獨下，也可以將一個網段上的所有設備一起下。對于DeltaV 系統，最多可實現兩個網段一起下裝。這一步就是將控制器中的部分功能（如AI、AO、PID等），實際下裝到現場設備中去。完成了這步操作后，就可以在系統的流程圖中直接讀到現場設備上傳的實際數據了。同樣，在這里也會碰到一些問題：
(1) 下裝報錯，這可能是由于現場設備的安全防護開關沒有關閉，需要現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不對，這就可能關聯到前面幾步操作的正確性，可能是由于現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，系統中的線制必須與現場的實際情況相一致，或者就是量程轉換的問題等等。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，在對表進行組態或者維護的時候，在將轉換塊打成OOS 的同時，必須將資源塊也打成OOS 的狀態。 而在將表切回運行狀態時必須先打資源塊，否則，轉換塊的狀態始終都維持在OOS 狀態上。
最后就是校表了，不同于傳統的儀表，現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 結語
經過SECCO 項目，筆者覺得現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平臺上對現場設備進行組態。這大大縮短了解決現場設備問題的速度，同時也減少了維護人員在現場可能遇到的危險。
參考文獻：
[1] 陽憲惠. 現場總線技術及其應用[M]. 清華大學出版社.
[2] 陳小楓, 董景辰, 曹迎東. 過程控制現場總線-工程、運行與維護[M]. 清華大學出版社.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號