摘要：

    现场总线基金会自1984年成立以来，经过二十几年的发展，已经形成了一个成熟的，开放的、全数字化的工业通信系统。本文通过描述基金会现场总线在宁波三菱化学有限公司的DCS系统项目中的应用，结合本人在该项目中的实际工作经历，介绍基金会现场总线的概念，并分析了它的优点与不足。
关键词：基金会现场总线，DCS系统，工厂自动化

    1.基金会现场总线的简介

    1.1 基金会现场总线的定义

    什么是基金会现场总线？基金会现场总线是一种全数字，串行，双向通信系统。它用于工厂网络底层网络或工厂自动化环境。其适用的应用场合有基本和复杂管理控制的场合，以及与上述功能相关的，带很多离散控制的应用。
目前H1是基金会现场总线最常用的方案，H1的通讯速率为31.25千字节/秒，通常用于连接现场设备。它通过双绞线实现通信和供电。在艾默生过程管理公司的DCS系统中就有H1卡件来实现基金会现场总线的功能。

    1.2 基金会现场总线的优点

    传统的模拟和离散现场仪表采用点对点连接方式，每个设备采用一对线缆。同时也受限于传送单个信息——通常是通过线缆传送过程变量或控制输出。而基金会现场总线则不会受到上述情况的制约。它具有如下优点：

    （1）多点接线。基金会现场总线的一个线缆（称为网段）上最多可带32个设备——如果采用中继器则更多。但在实际使用中，考虑到供电，过程模块化和回路执行速度等因素，一般一个H1网段上连接4到16个设备。其中阀门控制器不建议超过2个。这就意味着当有1000对设备，如果采用传统技术您需要1000对线，而采用基金会现场总线，只需要60到250对线，这将为最终用户节省大笔的接线费用成本和接线装置。

    （2）多变量仪表。一个节点上可以处理来自同一现场设备上的多个变量。例如，一个温度变送器可以与多达八个传感器的输入进行通信。它同时降低了接线和仪表费用。多个设备的功能通过一个设备来完成，还提高了安全性并降低短时排放的风险。

    （3）双向通信。此外，信息传送是双向进行的。阀门控制器可以接收来自主系统或其他控制源的控制输出，并将阀门当前位置送出去，从而实现更为精确的控制。而采用模拟量，就必须增加另一对线方可实现该功能。

    （4）新型信息。传统模拟量和离散量设备无法通知您它们是否运行正常，或是发送的过程信息是否有效。所以技术员不得不花大量的时间来确认设备的运行状态。而基金会现场总线设备不同。它们可以告诉您其运行是否正常，发送的信息状态。免除了大量的例行检查工作，还可以对重大的过程问题，可以提前发现并解决。

    2. DCS项目中基金会现场总线的应用

    2.1 MCC项目的简介

    宁波三菱化学有限公司创立于2005年4月，由日方股东宁波PTA投资株式会社(90%)(三菱化学株式会社61%、伊藤忠商事株式会社35%、三菱商事株式会社4%)和中方股东中国中信集团公司出资，主要生产和销售PTA(精对苯二甲酸)。

    2008年7月，艾默生过程控制有限公司为宁波三菱化学有限公司提供工厂自动化系统这一项目（以下简称MCC项目）正式开工。该工厂自动化系统包括DCS（离散控制系统）和SIS（紧急停车系统）两部分。本人负责的就是其中的DCS系统。整个DCS系统中，有模拟量输入点440，模拟量输出点162。其中带有现场总线的模拟量输入点就有403，占总模拟输入点的91.5%; 带有现场总线模拟量输出点158，占总模拟输出点的97.5%。所以说基金会现场总线在MCC项目中起着主导地位。

    2.2 MCC项目的系统网络结构

    （1) 操作站：控制室内包括5台操作站，1台工程师站，1台APP应用工作站（用于工厂管理），两对HUB。操作员站作为人机接口供操作人员对现场工艺过程进行监控。工程师站用于系统的开发和组态，包含系统全部数据库。应用工作站主要用于历史数据的采集与存储。中控室的这些设备通过HUB利用以太网与现场的控制机柜连接形成系统，完成组态，运行，操作等完整的控制功能。

    （2) 控制网络：为了系统的可靠，我们为该系统配置了冗余的控制网络，其为通信提供了安全性和可靠性。在中控室通过两个不同的HUB接入位于现场的两个控制机柜中的两个不同的HUB，建立了两条完全独立的网络，形成冗余的主副网络集线器，提高了系统的可靠性。
   
    （3) 控制器：系统中配有两套DCS控制机柜，每套机柜中装有一些传统卡件（AI，AO，DI，DO）和H1卡件。其中为了保证系统的稳定性，AI卡，AO卡和H1卡都是冗余的。一旦主的卡件发生故障，将立刻切换的一直处于备用状态的副的卡件。控制器为MD+控制器，具有管理所有I/O卡件的控制活动；管理所有的网络通信功能；管理时间抽样、报警、趋势对象；执行控制策略，在100ms内完成从输入通道取信号，控制策略执行，传送结果到输出通道。
每对DCS控制器下冗余H1卡可通过总线方式将现场总线设备信号连接到DCS系统中，连接电缆为屏蔽双绞线。H1卡下带有2个port，即两个干线段（segment），通过P+F安全栅模盒连接现场总线仪表，每个干线段最多带12台总线仪表。

    2.3 MCC项目中的现场总线

    2.3.1 MCC项目中的现场总线设计

    基金会现场总线的网段设计可用总线网段设计软件（Segment Design Tool）自动生成图纸，下图2就是MCC项目中的某个网段设计图纸，由H1卡件连接现场总线的电源，由电源驱动接线盒下连接的各个现场总线仪表。

                       
                               图2

    利用总线网段设计软件还可自动分析出网段中的设计是否符合规范，简化了设计流程，也为项目的设计进度赢得了宝贵的时间。

    每个网段中都会选择一台简单的不带控制策略的现场总线设备作为链路活动调度器（LAS）。LAS的功能可为网段上的设备之间维护中央的，确定性通信调度。通过强迫个设备在其预定的时间周期性传送数据，它全面提高通信的可靠性。也就是说当整个网段中的某一设备没有响应链路活动调度器的强迫数据消息，链路活动调度器将再次发送消息--强迫该设备发布信息。当链路活动调度器失效时，会由网段中的备用链路活动调度器成为主调度器，接管其功能。这就意味基金会现场总线的设计可以更好地避免系统性能衰减，并进一步增加可靠性。
MCC项目的每个网段还配备了P+F的高级诊断模块，用来实时地监控每个网段的运行状况。用户可以通过分析波形，帮助客户了解整个网段的健康状况,对于可能发生的故障有很好的预防作用。

    2.3.2 MCC项目中的现场总线仪表

    MCC项目中采用的仪表有罗斯蒙特压力变松器（3051S），罗斯蒙特压力变送器 (848T, 3144P), 还有费希尔阀门和数字阀门定位器等。其中大部分都是现场总线仪表，与常规模拟仪表控制回路不同的是：现场总线仪表的最大特点是它的控制单元在物理位置上可与测量变送单元或操作执行单元合为一体。

    PID功能既可放在变送器，也可放在阀门定位器。MCC项目中我们将所有的控制回路PID功能下放到现场总线设备中执行，提高控制安全性和准确性，缩短了控制周期，同时降低了控制器的运行符合，使得控制器有更多资源可以用于执行先进控制功能。

    MCC项目中有236个温度点，项目中使用了35台罗斯蒙特848T多点温度变送器，这些848T分布在16个H1网段上，实际使用的相关材料，工程调试等费用节省超过50%。848T多点温度变送器的使用，使得项目实际总仪表台数较传统方案降低了15%。

    2.3.3 MCC项目中的现场总线的辅助工具

    由基金会现场总线配合智能设备管理软件（AMS），为MCC项目在开车阶段降低了开车风险。通过使用AMS软件，用户可以在控制室直接发现现场设备的安全故障，并提示工程人员及时处理，将近90%的安装故障在开车前得以及时排除，节省了开车调试时间，项目比原计划提前了二十几天就顺利开车了。

    3. MCC项目中基金会现场总线应用的几点问题

    3.1 现场总线噪音问题 

    通常现场总线应用必然涉及到系统噪音问题，由于所有的现场设备完全连接到现场总线的网络当中，连接处必然使用TAP接头，这种接头长期处于现场环境较为恶劣的地方，就会出现网络噪音的现象，继而出现设备与网络连接错误的报警，而MCC项目也不例外。所以现场总线对现场的卫生条件，现场的振动条件都有严格的要求。接头每次停机都要进行检查，但是并不是检查后就可以完全消除噪音。

    3.2 维修成本较高 

    在MCC项目中我们选用的大多数都是艾默生的仪表，但也有些其它公司的仪表，经常会出现一些故障。在维修中，如果更换一台仪表都会有很昂贵的费用。减低这种费用就要选择信誉较好的厂家，使用其设备，如果设备的性能好，对环境适应能力强，同样可以达到降低生产成本的效果，改善设备运行性能。

    4. 总结

    MCC项目已在2009年6月顺利开车试运行。基金会现场总线在整个项目的运用，减少了设备组态及调试时间；回路控制精度得到提高；PID功能下装到现场设备，真正实现分散控制；现场智能设备的预警功能及时发现并排除设备潜在故障；使用AMS设备管理软件缩短了开车时间。目前开车一年多以来，没有发生过大的停车事故，保证了生产装置的稳定运行，提高了工厂的效益，受到用户的一致好评。

    目前，基金会现场总线已经成为很多工厂自动化系统的首选。相信在以后的更多工厂自动化系统中，我们可以看到基金会现场总线的身影。

    摘自《自动化博览》2011年第三期