基金会现场总线：开放、集成化的现场总线结构

发布时间：2004-04-07 中国现场总线基金会

　　工厂优化是所有组织机构的战略目标之一。全球化竞争迫使工厂不断提高产品质量，降低成品成本、缩短工厂停产时间、提高工厂安全性、缩短产品上市周期，并且增强工厂的灵活性。工厂优化不但能够减少工厂结构（如图1所示）中各类网络、网关和系统的数量，而且可以增强自动化系统和管理信息系统（MIS）之间的信息集成。高性价比的系统建立在标准、大容量、低成本的网络技术基础上。
　　采用单个开放和集成化的现场总线取代专用的自动化系统和网络，支持传感器、设备和高速子系统的直接集成，系统结构转变为图1右边的结构。开放的技术标准支持众多供应商的各类可互操作产品。

　　基金会现场总线－－开放、集成化的现场总线结构
　　基金会现场总线采用广为人知的开放式系统互联（OSI）参考模型，如图2所示，OSI模型按层对网络进行描述。
　　物理层
　　基金会现场总线提供两类物理层，用户可根据应用需要选择H1或HSE。H1的传输速率达31.25 kbit/s，它针对过程控制和混合应用场合进行优化设计。H1支持总线电源的本质安全应用场合，可采用实体式和现场总线本质安全概念（FISCO）模型。H1双绞线的传输距离可达1900米，采用光纤电缆时，传输距离为1600米。
　　HSE（高速以太网）的传输速率可达100 Mbit/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和分析仪等）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，全双工光纤电缆的最大传输距离为2000米。

　　通信栈
　　“通信栈”（第2层到第7层）将信息由A点传送到B点，这与飞机将乘客由一个国家运送到另一个国家很相似。H1物理层和栈都是IEC 61508国际标准的一部分。物理层和低层面栈中，HSE采用IEEE 802.3和互联网工程任务组（IETF）标准。现场设备访问代理（FDA）应用层的标准请参见IEC 61508。

　　用户层－分布式控制
　　要实现真正意义上的互操作性，基金会现场总线采用“用户层”定义现场设备中控制功能的框架。设备描述（DD）对参数信息的内容进行描述，无论是哪一家供应商的产品，主机都可以理解并显示过程数据。设备描述由IEC 61804-2国际标准定义。
　　用户层允许控制功能分散到现场设备中（参见图3）。这样可以省去大多数的I/O转换子系统，控制器的硬件和接线成本显著降低，整个系统的电源指标降低，控制柜空间缩小。由于消除了单一集中的故障点，从而降低了整个系统发生故障的风险；如果某一设备发生故障，强大的诊断功能可迅速找出故障点，从而缩短维修时间并提高系统的正常运行时间和工厂安全性能。
　　要实现分布式控制，诸如流量变送器中的模拟量输入（AI）或阀门中的模拟量输出（AO）应采用功能块实现。比例、积分和微分（PID）控制功能也可以嵌入到功能块中，并在现场设备中运行。如图3所示，PID和AO块在阀门中实现。对基本控制块而言，输入和输出的数量和类型由基金会现场总线技术规范预定义。更复杂的功能，如批量控制、同步驱动控制、I/O网关和PLC时序，可采用特定的灵活功能块（FFB）。FFB的输入和输出，以及FFB控制算法则由最终用户组态。

　　设备测试和注册
　　现场总线采用严格的测试以确认设备是否符合相应的技术规范，所有控制设备、设备描述文件、功能块、通信栈和物理层都需加以确认，通过测试的设备将加上产品注册的“校验标记”。
　　最终用户应选用通过现场总线测试程序的设备。通过设备注册和主机HIST测试的设备清单列在现场总线网站上：www.fieldbus.org。

　　基金会现场总线的应用
　　图4给出基金会现场总线的应用范围。针对基本和先进过程控制应用场合，基金会现场总线列出21种标准功能块，更多的功能块仍在研发中。前面提到的灵活功能块（FFB）是一种针对特定应用场合而设计的功能块，以实现各类控制策略，如监视数据采集、批量控制、PLC时序、锅炉管理、同步驱动和先进I/O接口。FFB采用诸如IEC 61131-3标准的编程工具创建。FFB还可以将其他网络的信息（如传感器总线）传送到基金会现场总线的开放结构中。
　　集成化和互操作性
　　互操作性对于工厂优化至关重要，因为它保证用户能够从多家供应商那里获得所需的各类设备。现场总线采用开放、集成化的现场总线结构体系，从而确保工厂结构中，设备层、子系统层和数据服务器层实现集成和互操作。

　　现场设备集成
　　如图5所示，H1可对不同供应商的现场设备进行优化集成。由于采用功能块、设备描述和通用通信栈技术，无需客户进行软件编程，注册设备可在H1现场总线上实现“即插即用”。
　　子系统集成
　　HSE与自动化子系统的集成如图6所示。与现场设备集成后，子系统集成时无需客户进行软件编程。HSE是一种高性能主干网，它采用低成本的工业标准以太网设备。链接设备将H1子系统集成到HSE主干网中。
　　采用各类广域网设备和服务，或光纤电缆，远程工厂也可以集成到企业主干网中。标准的防火墙技术可用于实现工厂网络的安全。

　　总结
　　基金会现场总线提供工厂所需的开放式、集成化的现场总线结构。H1支持现场设备集成的优化方案。HSE将H1和其他控制子系统与高性能的100 Mbit/s控制主干网相集成。基金会现场总线的功能块确保结构中所有层面的数据采用相同的表示方式。功能块、设备描述技术和标准网络的结合，不同生产商的设备在H1和HSE实现互操作。严格的测试程序可确保注册的H1和HSE设备实现互操作。