使现场总线项目尽可能轻松

如果你了解FOUNDATION现场总线的技术，工程和设计阶段的安装可以相对快速和经济(见图1)。没有意识到FOUNDATION现场总线是一种数字技术会增加工程时间和项目成本。如果没有对数字网络的理解或适当程度的培训，开始现场总线项目可能是一个痛苦的学习经历。

幸运的是，第一次使用现场总线的用户可以利用现场总线基金会开发的大量资源来避免常见的错误。本文提供了重要的指导，并介绍了在开始现场总线项目之前需要了解的基本信息。

合格的工程合作伙伴是必不可少的

现场总线基金会强烈建议有一个知识渊博、经验丰富的工程合作伙伴，接受过如何实施现场总线网络的培训。应该强调的是，如果没有具备这些技能的工程合作伙伴，项目的成本将更大。许多工程公司认为4-20 mA模拟总线和现场总线安装之间没有太大区别。如果你不知道你在做什么，你很快就会陷入困境。

现场总线基金会通过基金会认证培训计划(FCTP)提供认证培训课程，该计划在全球拥有八家认证培训机构。询问工程合作伙伴的工程师的类型和培训水平。虽然他们可能没有参加过认证的培训课程，但他们仍然可能制作了成功的参考项目。基金会在全球安装了近2万个现场总线系统，拥有现场总线经验的工程师队伍正在不断壮大。只需花一点时间来检查工程师的推荐信、专业知识和培训，就能迅速获得回报。

毫无疑问，没有现场总线安装经验的工程合作伙伴将试图引导潜在客户远离该技术。不要让工程公司支配你的自动化策略。相反，事先制定一个连贯的策略，然后找一个可以满足你要求的合作伙伴。许多工程服务提供商是可用的，并有能力做一个很好的工作。还可以考虑保留现场总线顾问的服务。一个好的顾问可以为你的项目提供有价值的指导和多年的经验。

了解项目需求

很好地理解项目需求是基础。“AG 181系统工程指南”是由现场总线基金会提供的免费资源，可以在www.fieldbus.org/technicalguides上下载。AG 181从项目需求开始，在整个项目生命周期中提供了大量有价值的指导。该指南指出了常规项目和基金会现场总线项目之间的五个基本区别。理解以下差异有助于确保项目的成功:

1. 使用FOUNDATION现场总线，现场设备和分段成为DCS的一个组成部分。这需要集成配置、数据管理和现场网络设计的系统架构方法。您不能再将设备和过程自动化系统视为独立的自动化岛屿。
2. 基金会现场总线的系统集成方面要求在项目生命周期中更早地执行一些设计活动，并提供更详细的信息。
3. 与传统技术相比，您可以使用FOUNDATION现场总线设计实现更高级的功能。这些先进的功能为节省运营成本，改善调试和启动提供了很大的机会。
4. 系统、现场设备和分段组件测试过程比简单的模拟连接更先进。
5. 工艺和传承派生实践之间的传统权威界限应该被审查，以确定它们是否适合基金会现场总线。换句话说，这项技术将需要不同于您可能习惯的工作流程——特别是如果您想实践真正的预测性和前瞻性维护，这将节省大量运营成本。

使用注册的设备、主机

这似乎是显而易见的，但最好使用经过现场总线基金会测试和注册过程的主机系统或设备。现场总线基金会检查标记符号表示产品已经过测试和注册。但是，您应该在检查标记之外进行调查，以确定主机或设备符合的互操作性测试工具包(ITK)或主机配置文件注册过程的版本。

现场总线基金会大大加强了其测试和注册要求。在ITK最新版本6.0下测试的设备将提供更高级的诊断功能，包括用于显示诊断数据的NAMUR NE 107建议。现场总线基金会对主机配置文件注册的最新迭代使许多以前可选的要求成为强制性要求，例如支持增强的功能块和DD V5.1设备级访问。

一个好的工厂资产管理系统是必不可少的

安装哪个过程现场总线并不重要。如果您没有某种设备资产管理(PAM)应用程序来处理您将从智能设备获得的所有新诊断数据，那么您将无法实现该技术带来的重大操作和维护成本效益。PAM系统将帮助您管理数据，并将是维护人员的宝贵工具。

目前PAM系统的例子包括艾默生的AMS套件、霍尼韦尔现场设备管理器和横河PRM。PAM系统是核心应用程序，它允许您开发预测性和前瞻性的维护策略。还记得前面提到的现场总线项目的某些方面必须在生命周期的早期进行规划吗?PAM系统就是其中之一。您应该在前端工程和设计阶段的早期就开始确定如何使用PAM系统以及谁需要使用它。

再来谈谈工作流程

您应该定义由于使用基金会现场总线而可能需要的任何新的或修订的工作流程。这是现场总线项目中最常被忽视的方面之一。如果不注意正确的工作流程，可能会导致需要现场总线设备数据的人无法获得，或者您可能会停留在可以通过现场总线转换的传统维护流程中。

现场总线本质上是一个数据管道，用户必须计划海量数据的去向以及如何将其转化为有用的信息。在大多数情况下，这是在系统启动并运行后才会考虑的次要问题。由核电站受影响地区的人员组成的小组将加快这一进程。维护人员需要哪些信息?对于制药、食品和饮料行业等必须遵守法规的公司来说，数据存储和验证的问题是什么?

从设备级到需要它的相关应用程序的信息流必须在启动之前进行规划，以实现最大效益。智能现场设备实际上是数据服务器，它们的许多信息不适合控制系统操作员。如果您正在处理的供应商拥有有效的现场总线配置工具和良好的PAM应用程序集成，那么在正确的时间将正确的信息提供给正确的人的工作量将会最小化。

许多最终用户可能缺乏足够的知识来实现这些工作流程。一项新的ISA标准正在努力开发管理智能设备数据的推荐工作流程。ISA 108标准将定义组织中不同角色的工作流程，并为项目生命周期提供最佳实践。

基金会现场总线和冗余

FOUNDATION现场总线用于关键应用，可以支持要求苛刻的应用的关键功能，包括冗余。基金会现场总线支持许多级别的冗余，如果这是您的要求之一。冗余电源、冗余H1(设备级)现场总线接口卡和冗余控制器是最常见的实现方法。使用冗余H1卡，可以在不影响与冗余卡相关联的H1段的情况下，在电源下更换任意一个H1卡。也可以在不影响相关H1段通信的情况下升级H1卡软件/固件。

FOUNDATION现场总线由设备级H1网络组成。基于HSE标准的以太网网络解决了高速应用程序和设备，如电动阀门、驱动器和远程I/O。FOUNDATION HSE基于未修改的IEEE 802.3以太网，因此与标准以太网设备兼容。与单纯的环形拓扑不同，FOUNDATION HSE提供了完整的dcs风格的冗余，具有冗余网络交换机、冗余设备和冗余通信端口，以实现极高的可用性。

无线设备，远程I/O集成

HSE网络还通过FOUNDATION与ISA 100.11a和WirelessHART等无线网络集成，用于远程操作管理(ROM)程序开发(见图2)。HSE还可以作为无线或有线回程网络，用于管道SCADA和海上平台自动化等远程应用。

FOUNDATION for ROM提供对无线和远程I/O设备中的信息和诊断的直接访问。相反，FOUNDATION for ROM可以从这些设备中获取数据，并将它们放入FOUNDATION现场总线环境中进行数据管理和质量管理。

FOUNDATION现场总线功能块

除了购买经过测试和注册的产品外，设备级别的一个关键考虑因素是支持高级诊断功能和功能块。功能块的支持是FOUNDATION现场总线所独有的，它是现场控制和该技术提供的许多高级诊断功能的使能器。

函数块实际上是面向对象编程的第一个实例。它们使基金会现场总线能够采取全面的、面向对象的方法来进行过程控制。FOUNDATION现场总线支持标准功能块、高级功能块和附加功能块(见图3)。10个标准功能块包括:

• 模拟输入
• 模拟输出
• B =偏差
• 控制选择器
• 离散输入
• 离散输出
• 手动装载机
• PD =比例/导数控制
• PID =比例/积分/导数控制
• RA =比率。

高级功能块包括:

• 设备控制
• 选点坡道
• 分束器
• 输入选择器
• 信号特征
• 死时间
• 计算
• 领先/落后
• 算术
• 积分器
• 计时器
• 模拟警报。

其他功能块包括:

• 多重模拟输入
• 多重模拟输出
• 多重离散输入
• 多重离散输出。

并非所有的功能块类型都适合或适用于所有仪器。因此，在指定要包含在各种字段设备类型中的功能块时，必须进行深思熟虑的选择。虽然在控制器中托管大多数这些块是合适的，但它们在H1网络/段的现场设备中的使用可能仅限于以下块(由于设备的可用性):AI用于发射机，AO和PID用于阀门，DI/DO用于离散设备。

未来可能会添加其他功能块。因此，建议与仪器制造商检查功能块的可用性，以确保主机系统在购买时允许使用所需的功能块。应该注意的是，很少需要在所有现场设备中都有可用的所有功能块。如果有必要修改功能位置，用户还应验证主机和现场设备的兼容性。

用户应用程序块

功能块用于创建控制策略，用户应用块用于配置设备和应用。资源块描述FOUNDATION设备的特征，如设备名称、制造商和序列号。传感器块(TB)包含校准日期和传感器类型等信息。

现场设备至少需要1tb容量才能使用。tb将功能块与读取传感器和命令输出硬件所需的本地I/O功能分离。这也是设备进行参数化、校准和诊断的地方。

功率要求

现场总线的电源要求与模拟系统不同。基金会现场总线设备可以由分段(总线)供电，也可以由本地供电，这取决于设备设计。总线驱动的设备通常需要10-30 mA的电流，在9 Vdc和32 Vdc之间。任何设计为在任何设备或布线组件的最低要求电压以上低于2v运行的网络/段，通常应在网络文档中带有关于额外负载的警告。最小网络/段电压应始终显示在网络文档中。来自网络上所有设备的总电流不能超过FOUNDATION现场总线电源的额定电流。网络/段设计必须考虑以下因素:

• 总最大设备静态电流
• 1个直刺短路故障(约50 mA附加电流)
• 在前两个要求的基础上增加15% - 25%的额外电流负载(用于涌流和膨胀)
• 布线元件的电流消耗
• 测试设备(通常每个设备12ma)。

电缆

有广泛的注册基金会现场总线电缆选择。2007年11月，现场总线基金会发布了H1电缆测试规范(文档FF-844)，供制造商开发用于基金会现场总线H1 (31.25 kbit/sec)安装的电缆。基于IEC 61158-2:2003标准的a型电缆规格测试用例包括(但不限于)阻抗、电容不平衡、连接器引脚和衰减。电缆制造商向该基金会提交测试报告，该基金会提供正式的电缆注册。

注册电缆有很多选择，但也有方法来测试您安装的仪器电缆与FOUNDATION现场总线安装的兼容性。一些布线组件和测试设备供应商提供自动化工具，可以测试您现有的电缆。

网络拓扑结构

现场总线段的组件可以以各种拓扑方式连接在一起。为了降低安装成本，所选择的拓扑结构通常(但不总是)由物理设备位置驱动。因此，在现场总线段的设计中，除了p&id和仪器指标外，还使用了控制说明、平面图和风险管理考虑因素。FOUNDATION现场总线安装使用树形、支点或组合拓扑(参见图4)。不推荐使用其他拓扑。

点对点:点到点拓扑由一个最多只有两台设备的网络组成。网络可以完全在现场(例如，发射机和阀门，除了两者之外没有其他连接)，也可以是连接到主机系统的现场设备(进行控制或监控)。不应该使用这种拓扑，因为它通常不是一个经济的设计概念。

树:树形拓扑由单个现场总线段连接到公共接线盒组成网络。这种拓扑结构可用于全跑电缆的末端，如果同一段上的设备分离良好，但在接线盒的一般区域内，则是实用的。

刺激:Spur拓扑由现场总线设备组成，通过称为Spur的长度电缆连接到多降总线段。这种技术在技术上是可以接受的，但当有很多设备时，通常不是一个很好的经济选择。

这些拓扑结构的组合必须遵循现场总线网络/段的最大长度规则，并在总长度计算中包含支点长度。这些拓扑结构是使用带托盘电缆的砖的设计的首选。支线只允许从干线延伸而不允许从其他支线延伸。

什么是段?

FOUNDATION现场总线段是作为连接的现场总线设备的主要通信高速公路的网络或网络的一部分。它包括现场总线网卡接口、电源和电源调节器(如图5所示)。电缆是现场总线网络和现场总线设备之间的主要链接。它可以是现场总线网络接线的一部分，与其他部分电气独立，可能有也可能没有相关的电源(如在使用中继器时)。主干、支点和端子是FOUNDATION现场总线安装的基本部件。

干:主干是主要的通信高速公路，作为来自控制室的其他线路(马刺)的信号源。一般情况下，中继是同一段内任意两个设备之间最长的电缆路径。

刺激:支路是连接到分段的现场总线分支线。马刺可以不在直电缆的两端都有端子。一个支点的长度可以从3.28英尺到394英尺不等，这取决于支点上的设备数量。

终结者:终结者是一种阻抗匹配模块，用于段的每一端。在一个段上任意两个设备之间的最长电缆路径的每一端都需要一个终止器，以防止失真和信号错误。在一个现场总线段上只能使用两个终端。

段隔离:段隔离是FOUNDATION现场总线设计的基本要求。如果设备安装在被认为是雷击高风险的区域，则必须使用分段隔离作为额外的保护措施。高风险应用包括位于罐体顶部的储罐场、开放空间的偏远地区、需要两根以上电线的设备(温度)、周围很少或没有钢的无保护结构，以及位于柱顶部或结构顶部露天的变送器。

每段设备数量:许多用户错误地认为现场总线段上只能放置少量设备。根据经验，AG 181:系统工程指南建议，任何段(包括未来的设备)上的最大设备数量应该限制在12个，但也有可能超过12个的情况。在一些现场总线基金会的培训设施中，学生经常用多达16个设备使部分过载，并且它们继续工作。当然，不建议重载分段。AG-181建议，项目工作人员应为该项目每段的最大设备数量设定设计标准(如果小于12)。本设计标准应用作压降计算的基础，并应包括未来扩展的备用容量。

结论

设计和实现现场总线项目可能是一项令人生畏的任务。然而，花时间了解FOUNDATION现场总线技术并制定项目需求可以减少过程中的许多痛苦。

拉里·奥布莱恩是现场总线基金会的全球营销经理。他于2011年4月加入现场总线基金会，此前他在ARC Advisory Group担任了18年的过程自动化研究总监。

欲了解更多信息

• AG-181:系统工程指南可从现场总线基金会网站www.fieldbus.org的技术参考部分免费下载。
• 现场总线基金会还提供了一个名为DesignMate的免费自动化线段设计工具，也可以从技术参考资料部分下载。DesignMate自动审核段布局是否符合基础物理层规范，该规范基于国际IEC 61158-2 (Type 1)标准。这保证了终端用户的现场总线基础设施可以使用所需的参数，如电缆长度、数量、安装的设备类型和选择的电源。
• 除了fctp认证的培训合作伙伴，现场总线基金会还提供许多免费的最终用户研讨会。

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