现场总线入门

现场总线很简单。如此简单，也许您会问，到底现场总线是什么呢。本文将会关注于在过程控制中两种基本的现场总线：PROFIBUS PA和FOUNDATION fieldbus™ H1。我们将会谈到现场总线如何工作，如何连接到仪器。也会解释——大多数情况下——为什么你不能像广告所宣称的可以在一个现场总线主干线上连接32个设备。
我们也会谈到PROFIBUS、基金会现场总线和FISCO的不同。实体上安全的现场总线系统，安装冗余的主干线，以及EDDL和FDT比较。

现场是怎么工作的？
在模拟控制系统中，设备生成4－20mA的输出信号，通过双绞线从远程分裂蒸馏塔、液体灌和过程单元一路传送到控制室、集成架、远程I/O集成器或是远程终端设备。相似的，4－20mA的控制信号从控制室到阀执行装置、泵和其它一些控制设备。数百有时甚至数千的电缆通过电缆盘、终端架、配电柜、场地和管道迂回前进。
低消耗的有效性、适合现场设备的强大的处理器开拓了消除大量的电缆同时增强了工厂数据的有用性的道路。

图1 传统的4－20mA的现场布线往往把电线、电缆、终端变的乱糟糟的

图2 安装现场总线大大简化了布线

不同于使用大量的独立电缆，现场总线允许大量设备只使用一根电缆，叫做主干线（图2）；每个设备作为一个分支连接到电缆上。当然，每个设备都会有连接到主干线的现场总线接口，并运行某些软件来提供现场总线通讯。
每个现场总线的主干线——无论是基金会现场总线H1还是PROFIBUS PA——是一个简单的双绞线，传输数字信号和直流电源，连接32个现场总线设备（温度、流量、水平位置、和压力传感器、智能阀、执行机构等）到DCS或是相似的控制系统。大多数装置是双线总线驱动电流是10mA到20mA，但是，也会有4线现场总线装置，通常在需要电流特别高的地方。
在控制系统，一个现场总线主干线开始于一个接口设备。在一个FOUNDATION现场总线H1（FF）系统，接口被叫做H1卡；在PROFIBUS PA系统，它是PROFIBUS DP/PA 主干线适配器。在主干线上根据信号布线和电能需求方式，FF和PA在以下几点上是一致的：
● 最小设备操作电压9V；
● 最大总线电压32V；
● 最大总线长度1900米（屏蔽双绞线）。

总线所需要的直流电源通常是通过现场总线供电，或是直流电压调节器短路时所引起的高频信号。典型的功率调节器可以在350mA到500mA之间有效，通常会在主干线－主干线之间防止干扰。对于PA，主干线适配器通常协调电源调节器的因素。在FF主干线电源调节器从H1接口卡上分离出来，通常被安装在多余的双绞线上，用来改善整体的可靠性。图3显示了典型的现场总线的主干线。
计算一个现场总线的主干线上可以安装多少个设备时，用户必须把每台设备所需要的最大电流、主干线长度（因为电压会在电缆传输过程中衰减）、和其它因素考虑进去。这个计算是简单的欧姆定律的问题，目的在于当把所有的电压衰减因素考虑进去之后，显示最少9V可以传输到主干线的终端。例如，每个需要320mA的设备以驱动20mA驱动16个设备，所以如果主干线是基于18AWG的电缆，并用25V的电源协调器供电，如果保证传到终端的电压为9V，则最大的电缆长度是1000米。注意，许多用户在9V之上指定了一个最小的操作电压，来允许意外的电流负载，以及未来的附加设备。

图3 一个现场总线主干线开始于H1接口卡，基金会现场总线的一个电源，或是PROFIBUS 主干线适配器。在一个主干线可以支持32个设备。方框中显示“T”的代表终端。

连接设备
如所表述的那样，每个现场总线设备以并列的方式连接到主干线。每个简单的分支连接成为一个“T”。简单的“T” 连接（图4）的问题就是，如果其中的一个设备出现问题，整个主干线将不能工作。在维修设备的时候，就会可能发生短路，现场的一些事故，可能会导致电气问题或是主机的一些其它问题。所以要保证现场总线的成功实施，短路保护是一个必要条件。

图4“T”配置是现场总线最简单的连接方式。然而一旦一个设备失败或是“短路”，它将会导致整个主干“瘫痪”。

另外一种方式就是通过现场总线接线。通常会涉及到“设备适配器”——例如MooreHawke™ TG200 TRUNKGUARD™（图5）——这就允许多个现场总线设备连接到一个位置。典型的情况是，用户会安装一个设备适配器，把附近的设备与之连接。现场总线那电缆将会与其它设备适配器连接。一个多设备主干可能会有几个设备适配器。
在设备适配器中使用两种典型的电子分支短路保护方法。“电流极限”和“反向保护”两种方法都可以防止主干上的分支短路错误，两种方法都可以消除错误自动回复正常。
电流极限技术短路电路的功率量，可以达到40mA到60mA（不同厂家各异）。但是它会在主干上持续保持这个错误。尽管这个设计保护了主干免于初始短路，额外的电流消耗将会剥夺其它设备从主干电源获得电能，将会可能导致主干灾难性故障。
当短路保护剥夺了其它设备的电能以后，某些设备就会因为没有足够的电能进行主要操作而失效。因而，当电流极限保护方法使用在设备适配器上时，许多终端用户要保留一个安全裕量。也就是说不要安装主干理论上所允许多个的设备，要保留一些空余分支。
例如，一个用户如果期望主干可以在有两个出错设备的情况下继续工作——失败的设备可以占用120mA的电流——主干计算时就应该假设最大电流可用值350mA减去120mA作为输出时的电流，即230mA。
虽然理论上主干可以驱动32个设备，每个设备10mA ，但是实际上，它只能支持23个这样的设备。在实际应用中，一些用户在使用电流极限时十分谨慎，只在每个主干上使用16个设备以防止大规模的主干失败。
MooreHawke 的TRUNKGUARD 设备适配器，应用了反向保护技术，从主干上断开了短路的分支，防止整个网络的损失。反向保护技术在每个分支上有一个逻辑电路（图6），检测每个分支或是设备上的短路情况，从主干上断开分支，并有红灯闪烁，以提醒维修人员。
有了反向保护设备适配器，用户可以不再为分支失败担心，可以放心的在现场总线主干线上放置更多的设备。因为H1卡的花费（2500美元）和其它主干硬件的昂贵花销，在一个主干上放置更多的设备可以节省用户不少的开支。

主干终端
每个现场总线为了通讯需要先要被两个终端中止，如果主干没有很好的中止，就会发生由于信号反射引起的通讯错误。许多设备使用手动开/关DIP开关来中止适配器，在一个主干中，最后一个设备适配器，应包含一个终端器，所有的位于最后一个适配器和H1卡之间的适配器应该把他们的终端器开关扳到关。

图5 一个设备适配器允许多个设备连接到现场总线主干线。每个分支有一个短路保护，它不会对整个网络造成危害。每个主干上可以使用多个适配器。

图6 反向短路保护有一个可以检测短路的逻辑电路，从主干上移除短路部分，并闪烁红灯。防止短路危及整个主干。

在图3和图5中标有“T”的方框显示了一个典型的主干合适的中止位置。
在启动过程中运行时经常会遇到的问题是判断终端器的位置是否正确。在安装现场总线设备时，DIP终端器的开关有时候没有在正确位置，就会在启动过程中产生问题。设备可能会运行不正常，不明原因的退出主干，通常会产生严重破坏——所有这些都是因为终端器没有设置正确。
要检查这个错误经常要对每个设备适配器进行物理检查，来判断整个主干的设备适配器是否设置正确。
在TRUNKGUARD设备适配器中所使用的自动主干终端，简化了运行和启动。当设备适配器在判断它是否是最后一个现场总线设备适配器时，它会自动启动；如果是，它就会自动把主干中止。如果不是，它不会自动中止主干，下游的设备适配器将会执行这个任务。安装人员没有必要再进行设置DIP开关这样的工作来设置主干终端了。

冗余现场总线
现场总线有一个最大的问题就是，所有的通讯和供电都基于一个简单的双绞线电缆。一旦这个电缆发生问题，它将会一次性的导致主干上所连接的所有设备失败。不但主干失去了对其上的设备的控制，各个设备之间也无法相互通讯。尽管现场总线设备再控制系统失败时仍然可以继续工作，但是任何的电缆问题（短路或是断路）都将会引起整个主干的不可操作。
这个问题当出现在严苛的工厂主干线上时将会更加严重，这个失败可能会反过来影响这个工厂和过程应用，导致昂贵的进程中止，造成紧急状况，或是向环境中释放工业物质。
在冗余主干通讯方面，任何现场总线标准都没有做出任何规定，许多现场总线供应商，包括一些大型的过程控制公司，已经研发了冗余现场总线方案，涉及到所有设备的完全复制——包括H1或是DP/PA接口、电源、总线电缆、设备适配器何以些关键的现场总线设备（图7）——还有一些复杂的软件也在这个方案之中。

图7 一些现场总线冗余技术要求对主干进行完全的复制，在一些案例中，这意味着复制整个现场总线上的设备。当一个主干失败时，DCS的逻辑判断认定有失败发生，开关由一个H1卡转换到另外一个。

“选择方案”是必要的，因为当一个现场总线主干失败是一个控制系统并不能判断出来，它只能检测出H1或是DP/PA本身的失败，或是一个特定的设备失败。如果接口始终保持供电，控制系统通过分析设备的信号（或是所缺少的信号）来判断整个主干的失败。
不必说，这种冗余计划是十分昂贵、复杂且很难维护的。当控制系统正在判断是否出错时，可能会发生灾难性的后果。
怀着对可能失去整个关键的主干的担心，终端用户在使用现场总线时总是十分小心。当一个主干包含一个对于过程来说十分关键的设备时，他们经常会把每条主干的设备数目减少到几个，或是把这些关键设备分布到许多冗余主干上。
MooreHawke已经为基金会现场总线系统解决了这个问题。
MooreHawke的 TRUNKSAFE™容错现场总线系统提供了一种高可靠的方法，当一个基金会现场总线系统的主干上某点出现问题时（短路或断路），可以保持现场设备之间和与DCS之间的持续通讯。

TRUNKSAFE（图8）包括一个双的，冗余的TPS高级现场总线电源调节器（一个为主干的每个分支供电），两个现场总线电缆。和一个TRUNKSAFE设备适配器。
电源调节器安装在DIN导轨上，大约为近一次为4个主干线供电。设备适配器可以容纳6到10个现场总线设备。

图8 TRUNKSAFE容错现场总线系统只需要一个额外的电源调节器和分支电缆，如果一个主干出现问题，它立刻转向另外一个备用主干。

在一个典型的TRUNKSAFE应用中，两个冗余的H1接口卡连接到现场总线主干的两个分支上，并且布线到现场。每个分支上的电源靠TRUNKSAFE电源调节器提供，电能再流经连接到许多现场总线设备的设备适配器。因为再安装时，现场总线电缆分开安装，所以，相同的故障（例如一个粗心的叉车司机所造成的事故）不会同时再两条电缆上同时发生。
一旦再任一电缆上发生故障时，在受影响的分之上的电源调节装置立即切断电源和H1接口，并且强制DCS转而使用另外一个H1卡。设备适配器可以被任何一个分支驱动；一旦一个分支停止供电，设备适配器自动从剩余的分支上也停止供电，并且自动实施主干终端。这些在几毫秒内自动发生。
有了TRUNKSAFE，就没有必要在重要的主干上复制所有的现场设备。如果某个设备失败时，终端用户可能还得复制此设备，但是为预防整个分支失败而进行的设备复制就不再需要了。

完全冗余的TRUNKSAFE现场总线系统的花费只是比一个标准的现场总线系统稍多，却远远低于系统的完全复制。实际上，便宜且完全容错的FF系统已经为终端用户不仅仅在重要的过程环路中提供冗余。

本质安全的操作
Entity vs.FISCO
现场总线系统适用于许多危险的场合，换句话说，任何4－20mA设备使用的地方都可以使用。所有形式的电保护措施（非易燃的，放火的，本质安全）都可以用来满足各种位置偏爱或是经历的需求，但是把大量的设备集中在一根相同的电缆上的确会导致更多的设计要求。因为很难为一个简单的仪器供电，本质安全的系统非常难实现，驱动10个或是16个设备，的确是一个挑战，目前各种的解决方案都是基于实体型。FISCO或是分支架构配置。
实体型解决方案起始于1950年左右，实体概念基于使用安全栅或是控制进入危险区域的电能量。总体上说，实体系统是高可靠的，尤其当基于简单的反电流极限时。本质安全的现场总线最初基于基金会现场总线的FF816规则，它允许现场总线实体型参数最少在24V/250mA/1.2W。最初使用安全栅只允许为燃气集团A、B、C、D提供80mA的电流，或是每个主干4个设备，这种少数量的设备在实际生产中是不允许的。

图9 实体型系统使用安全栅和一些电子技术来限制进入危险区域的电流总量。这项技术已经从1950年开始使用，是许多现场总线本质安全的基础，但是只允许在一个主干上连接4－5个设备。

FISCO代表着本质安全概念。它基于德国的国家算法委员会PTB所做的工作，涉及到物理测试整个系统来保证安全性并把一个套封的规则引入到每个应该适用的部件。要实施FISCO解决方案，系统的每个部分，包括设备、电源调节器和电缆，都必须要遵从严格的极限。PTB和其它一些组织的努力可以使FISCO电源可以为A和B组提供110mA的，C和D组250mA的电源。FISCO供电解决方案基于复杂的电子电流极限，所以会趋于昂贵和复杂，比起常规的现场总线电源调节器，有时就会有较低的平均故障间隔时间。因为在A和B只有110mA的电流，一个FISCO类型的系统在每个主干上只能支持四到五个设备（考虑到设备适配器在远程上传输电源的损失，每个设备允许最多20mA的附加电能）。在一个拥有250个设备的工厂里，这就会需要50到60个FISCO主干。考虑到每个主干需要一个H1卡（2500美元）、供电装置、设备适配器FISCO总的硬件费用大约为每个主干5000美元，在乘以50～60个主干，一共大约需250，000到300，000美元。

图10分支架构实体解决方案把安全栅的一部分放置于电源中，另一部分置于现场总线。这就允许在一个本质安全的现场总线上允许安装至16个装置

MooreHawke的ROUTE-MASTER™实体性现场总线系统基于安全栅的“分支架构”。安全栅的一部分就是隔离装置（位于后面），它的另外一部分位于适配器上。（如图10所示）。通过以这种独特的方式分解本质安全的电流极限方案， ROUTE-MASTER可以在主干上传输高达350mA的电流强度，这个电流有可能使集团C和D进入危险域，但是仍然可以使符合FF816标准的A、B集团的设备在本质上保持在安全区域，这就克服了FISCO和传统的实体可用电流的极限。而且，大约可以在主干上安装16个主干设备，约为FISCO系统的4倍，极大的节省了硬件和人员费用。
MoorHawke拥有一个主干计算器（图11），基于每个设备所需的电压和电流，帮助计算每个主干上设备的个数，主干的长度和一些其它因素。

图11 主干计算器判断每个主干的电流和电压的要求，保证所有的设备最低得到9V电压。

大多数人都在关注每台设备从主干上所得到的电流量，然而，现场设备的有效电压量也是一个重要因素。例如，如果一个主干上的设备得到了过多的电流，主干又很长，过多的电流摄取将会导致过多的电压衰减。结果，一些设备就会得到低于9V的电压。尽管有足够的电流，但是他们却得不到足够的电压。
MooreHawke的ROUTEMASTER系统可以为每个主干支持两个分支，这两个分支从电源调节器到现场设备之间独立运行，但是，它们是相同主干的部分。不是使用一个长主干，它使用两个较短的分支。所以，在每个分支上的主干长度缩短了，并且减少了电压损失量，为每个设备提供高于9V的电压。

基金会现场总线H1与PROFIBUS PA
从现场布线看基金会现场总线和PROFIBUS就有着物理上的一致性。他们使用相同的双绞线电缆和设备适配器，需要相同的主干终端，每个主干都可以处理32个设备。
其中一个主要的区别就是PROFIBUS是一个轮流检测系统，而基金会现场总线应用了循环传送。其它不同点还有：
● FF设备在预定的计划传送数据，而PA设备随机提交数据。在PA中，从设备的轮流检测涉及到总线的主机向设备询问信息，FF的连环活动一览表有一个时间表，决定了主干上的设备通讯时间。
● PA的地址分配必须在与每个设备分别通讯以后才能完成，而FF设备可以主动向总线主机通告它们的地址。
● 每个PA设备通过把它的数据返送回主机，才能把数据传递给其它设备；而FF设备可以与彼此对话，提供了对等通讯。
● FF设备有着固定的功能块，可以进行对等对话，执行控制功能，一旦与控制系统丧失通讯可以继续进行操作。PROFIBUS系统没有功能块功能。PROFIBUS设备向主机报告情况，并从其得到指令；如果到PA主机的通讯断开，设备将会处于不安全位置，或是保持他们最后的设置状态直到指令的到来。
● 在与主干控制卡连接到DCS或是控制系统时，FF和PA的方式也不相同。FF使用HSE（高速以太网）网络把H1卡连接到DCS上；PA使用PROFIBUS DP、使用RS－485或是一种基于以太网的网络PROFINET把它的PA设备连接到DCS。

DD、EDDl和FDT
FF和PA系统要求设备和控制器被“映射”到控制系统。也就是说，DCS或是控制系统必须知道主干上有些什么设备。这通常通过设备描述文件（DD）来完成，DD文件是基于文本的文件，可以从网络上下载到基于FF或是PA的控制系统。例如，从通过FF认证的FF设备上DD文件都可以通过现场总线基金会网站下载。一般情况下，DD文件是通用的，也就是说，它既可以用于FF系统也可以用于PA系统。在控制系统运行过程中，DD文件可以下载到控制系统设备配置当中。DD为设备提供了一个标准的表达方式，允许主机与设备交流，并且允许主机为设备提供一个一致的接口，而与设备的类型无关。
EDDL（Electronic Device Description Language）和FDT/DTM(Field Device Tool and Device Type Management)是编写DD文件的算法。最新一代的EDDL，为GUI显示、配置校准程序、报警和向更高一级软件的接口例如MES、SCADA和工厂历史等提供了更多的信息。EDDL是独立的设备和操作系统。
DTM是供应商与设备交互的驱动程序。DTM编写非常复杂的和程序，所以可以使用配置和管理工具例如PACTware来配置和浏览供应商专有数据。它们和主操作系统是独立的而EDDL则不是。
要运行EDDL和FDT文件，每个控制系统供应商都必须要可以阅读和理解文件。在一段时间里，在现场总线领域里出现过争论，FF供应商不能兼容FDT/DTM文件，反之亦然。好在最近大系统供应商同意修补差异，支持两个系统，所以EDDL和FDT之间的战争好像将要结束了。不久，大多数系统供应商将会既支持EDDL又支持FDT。
终端用户必须保证控制系统计划所用的所有的仪器和现场总线设备都必须符合所选的现场总线。例如，如果一个FF带EDDL的系统被选用，则所有的设备必须有EDDL或是DD文件，一个带FDT/DTM的PB系统也必须保证含有这些文件。幸好，这一点比较容易检测，只要在FF或PA的相关网站上咨询即可。

评价现场总线
最初评价现场总线是通过因为其减少布线而节省的可观费用来进行的。不同于使用成百上千的布线，现场总线只需要一些主干和分支。
近几年，电缆所节省的费用被现场总线的高额设备费用所抵消。和许多用户很不情愿把这些设备装在主干上。在强迫提供短的电路的情况下，例如，限制设备的数目，可以使他们集成在一根主干线上。在许多案例中，从硬件费用和人力使用上看，这是一个悬而未决的事，在另外的情况下，即主干的所有性能可以充分使用的情况下，硬件的节省将会变的可观。
现场总线的一个实际的优点就是可以诊断设备问题，节省维修费用，提供资产管理的信息。允许在设备水平控制和使用智能设备。一个在阿拉斯加的原油公司做了一个关于使用基金会现场系统所节省的费用，这些节省包括：
● 布线——与传统的布线方式相比，可以减少98%的电缆，因为它可以减很多设备到主控室之间的电缆。同时终端的减少幅度也达84%
● 控制室——在控制室里，终端设备的较少响应空出大约三分之二的空间，而这些空间以前因为传统的技术而被控制柜占据着。
● 调试——现场检查和QA/AC时间减少了83%。安装一个发射器的时间只需要20多分钟，而使用非现场总线技术则会需要2个小时。
● 工程制图——因为基金会现场总线、主系统的配置工具和基于目标的能力，当增加油井时，减少了92%的画图时间。

石油天然气行业是最早使用现场总线的，现在，现场总线已经在精炼厂、海洋平台和其它一些工业领域得到广泛应用。