1  引言

    FF（Foundation Fieldbus，基金会现场总线）是一种由现场总线基金会研发推广的现场总线协议。它符合开放的国际标准IEC-61158-2。现场总线基金会的目标是致力于开发出统一标准的现场总线，并且在1996年颁布了低速总线F1的标准，使H1低速总线进入了实用阶段。 同时， 高速总线标准―高速以太网HSE也于2000年制定出来。

    SECCO是由中石化、上海石化、英国石油共同投资建设的化工企业。共有8套生产装置，其中90万吨/年 乙烯装置是目前世界上单线产能最大的乙烯装置。也是目前为止使用FF最多的装置。投产时，总FF仪表的安装数量超过了23000台。

2  FF的结构
 
    (1)  物理层

    FF采用了广为人知的开放式系统互联 OSI 参考模型，但不同的是它隐去了其中的3～6层，并且在应用层之上又加了用户层。

    物理层由国际电工委员会IEC 与国际测量与控制协会ISA的标准来定义。目前为止可以分为两种：H1和HSE。 H1 的传输速率达31.25Kbit/s，采用双绞线的最大传输距离可达到1900米。 HSE 的传输速率可达到100Mbit/s，应用对象为高性能、完全冗余的控制主干网，如H1子系统和高密度数据源（如PLC和分析仪）的集成。在以太网交换机和设备之间，HSE 标准双绞线以太网电缆的最大传输距离为100米。

    物理层从通讯栈接受信息，并将其转换为物理信号，然后发送到现场总线传送介质上；同样这一过程的逆过程也是在这层实现的。该层的标准决定了总线的物理特性，包括：拓扑结构、电缆距离、电压电流、站点地址等。

    在SECCO 项目中笔者采用的就是 H1 的网络。并且绝大部分的现场仪表是通过总线来供电的。从图2可以清楚地看到信号的传输方式。传输设备以31.25Kbit/s 的速率向50Ohm的终端负载发送峰峰值为20mA 的电流信号，从而产生1V的峰－峰电压，并调制于直流电压上，直流电压的范围在9～32VDC。

图2  信号的传输方式

    H1现场总线允许有分支存在，根据不同的现场情况，一般会采用树型拓扑、分支拓扑、混合拓扑 这三种网络拓扑结构。在这个项目中笔者采用的是树型拓扑，如图3所示。

图3  树型拓扑

    一般建议把同一个回路中的仪表放在同一个接线盒里。

    (2)  通讯栈

    通讯栈是用于实现总线网络上各个设备之间的通讯的，也包括了现场仪表与Host 之间的通讯。其中有三个组成部分：数据链路层（也就是OSI中的数据链路层）、现场总线访问子层及现场总线报文规范层，这两层对应于OSI 中的应用层。

    数据链路层是通过集中式总线调度器(LAS)对总线的通讯访问进行控制的。其功能包括了：维护调度，发送令牌给网络设备；探察未使用地址，将其分配给新设备，并加到活动表上；在链路上周期分配数据链路时间和链路调度时间；发送授权令牌给设备，进行无调度数据传输控制；监视设备响应授权令牌，从活动表上删掉不能使用或不能退回令牌的设备。

    现场总线访问子层利用数据链路层的调度和非调度服务来为现场总线报文规范层服务。其主要作用是运行用户程序使用一套标准的报文规范通过现场总线相互发送信息。

    现场总线报文规范层描述了用户应用所需要的通信服务、信息格式和行为状态等；还提供了一组服务和标准的报文格式。

    (3)  用户应用层

    现场总线基金会按照不同的应用功能，以功能块为单元定义了标准的用户应用层。其中，包括了标准功能块参数与行为的定义以及设备描述技术DD。从而在真正意义上实现了总线的互操作性。

3  FF的组态过程

    SECCO 项目中所有的软件组态都是在主机系统平台上完成的，对于FF 来说，其主机系统都应通过主机互操作性测试（HIST），且主机系统应于基金会现场总线的一些性能实现集成。SECCO 采用的是艾默生过程控制有限公司研发的DeltaV 系统。

    由于FF 对每个网段上的电缆长度、设备个数、供电、仪表耗电、网络拓扑都有不同的要求，因此在设计时就要经过严格的计算。

    在这里使用FF Design Tool软件，可以大大减轻对现场总线网段的设计工作，它是运行在Windows 界面下的。按照SECCO 的标准，每一个网段的仪表的数量不可以超过9，且同一个回路中的仪表必须放在同一网段。另外要注意的一点是，所有仪表信号导线不得用于接地。仪表安全接地必须通过信号电缆之外的独立导线。在网络中的任何一处，现场总线设备不得将双绞线对中的任意一根导线接地。在SECCO项目中采用单点接地，现场接线屏蔽端不与表壳或接地端相连。

图4  一个网段的接线

    图4所示就是一个网段的接线，其中，MTL 5995 是FPS（Field Process Control System，现场过程控制系统），并打到内置终端。

    软件组态的第一步就是COMMISSION，和传统的控制方法一样，现场总线在进行COMMISSION 同样需要现场调试人员的配合。 不同的是，调试人员可以在中控室的人机界面上实时检测到已接入系统的每一块仪表的实际状况，因此现场人员只需要单纯地将表连到接线箱上。完成了这一步后，所有的组态工作都可以在控制室中进行。首先，需要把表从软件上连到它所对应的网段上，这时系统会自动分配一个节点地址给当前设备，在每个网段上节点地址是唯一的，是网段用于描述该设备的当前地址。此外，每一个现场总线设备都必须拥有唯一的物理设备位号，以及响应的网络地址。一般这都是由仪表厂家在表出厂前就设好的。一般主系统留给永久设备使用的地址位16－247。需要注意的是，这里的设备位号要与控制策略组态中的相吻合，否则很容易出现回路中找不到输入的情况。

    在此期间可能遇到的问题有：

    (1)  系统检测不到表

    ①  这可能是由于厂家预设的地址超出了这个范围，则系统将无法正确读到该表的信息。只有等到现场人员用手操器将表里的网络地址改到正常范围以内后，系统才可以认出该设备。

    ②  因为外供电的问题，在可能的情况下所有的现场设备都采用总线供电，但总线供电仅仅可以达到9～32V电压10～30mA电流。因此对于超出此范围的现场设备，就只能采用本地供电了，如艾默生过程控制有限公司的 Micromotion 就需要现场220V 供电。对于需要外供电的设备，必须首先确保其供电正常后才能被系统检测到。

    ③  现场的接线错误，由于FF 的硬件设计和软件组态是完全对应的，在系统界面上看到的网段其实就对应了现场的一个接线箱，因此，无论是表到接线箱或是接线箱到端子排的接线，错了一处就无法在正确的位置上检测到该设备。

    ④  表头的接线错误，绝大多数现场总线设备的通讯信号对极性不敏感，但也不排除有一些小厂家或是老式的FF 设备有所例外。一般在操作手册上都会有注明的。

    (2)  系统读不到表中的信息

    如果系统只能检测到表却无法读到表里的信息时，可能是由于系统中没有预先装载该表的DD文件。对于每一台标准的现场总线设备厂家都应提供一份设备描述文件（DD file）。DD 可以看作是设备的驱动程序，只要有设备的DD 任何与现场总线兼容的控制系统或主机就可以操作该设备了。基金会现场总线的网站上可以找到所有FF 设备的DD 文件，但为了保证版本一致，还是建议直接问厂家索取。

    完成了第一步后，随后就要把控制模块分配到相应的现场设备中，从而实现控制功能的本地化。在这过程中，根据表的不同，需要对表的通道、量程转换等参数进行一些设置。这里要注意的是，每种表的功能都不尽相同，因此在设定通道时必须严格按照仪表的产品手册，否则很容易取错值。由于量程的转换是在仪表的转换块中实现的，因此，必须将量程设定在现场仪表可以接受的有效范围内。

    紧接着就是下装，可以选择一块表单独下，也可以将一个网段上的所有设备一起下。对于DeltaV 系统，最多可实现两个网段一起下装。这一步就是将控制器中的部分功能（如AI、AO、PID等），实际下装到现场设备中去。完成了这步操作后，就可以在系统的流程图中直接读到现场设备上传的实际数据了。同样，在这里也会碰到一些问题：

    (1)  下装报错，这可能是由于现场设备的安全防护开关没有关闭，需要现场人员到表头将开关闭合。有些设备上还设有仿真开关，应此在作仿真的时候也要将此开关打开允许仿真操作。

    (2)  流程图中读到的值状态不对，这就可能关联到前面几步操作的正确性，可能是由于现场一次元件的接线问题，也有可能是一次元件到表头的线制设定问题，系统中的线制必须与现场的实际情况相一致，或者就是量程转换的问题等等。建议这时直接到表的诊断界面中去查原因。有一点要注意的是，在对表进行组态或者维护的时候，在将转换块打成OOS 的同时，必须将资源块也打成OOS 的状态。 而在将表切回运行状态时必须先打资源块，否则，转换块的状态始终都维持在OOS 状态上。

    最后就是校表了，不同于传统的仪表，现场总线设备的校验可以全部在控制室中完成。一般FF 设备在出厂前就已经通过校验了，人们可以在设备的诊断界面上读到校验的时间、温度、校验值等一系列信息。因此，笔者不建议对设备进行再校验，尤其是变送器。

4  结语

    经过SECCO 项目，笔者觉得现场总线最为突出的一个亮点就是它的诊断功能。通过人机界面，维护人员可以读到表里的所有信息，并且可以直接在系统平台上对现场设备进行组态。这大大缩短了解决现场设备问题的速度，同时也减少了维护人员在现场可能遇到的危险。
   
参考文献：
[1]  阳宪惠. 现场总线技术及其应用[M]. 清华大学出版社.
[2]  陈小枫, 董景辰, 曹迎东. 过程控制现场总线-工程、运行与维护[M]. 清华大学出版社.