基金会现场总线基础识.docx
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基金会现场总线基础识
现场总线101
基金会现场总线简介
•概述
•什么是基金会现场总线？
•数字总线的优点
•已制定的标准
•互操作性
•安全、高效的过程控制
概述
为何要关心基金会现场总线？
如果您完全认识到基金会现场总线有助于您提高过程和工厂的性能，您将不会发出如此疑问。
事实是：
它确实能提高过程和工作的性能。
与传统模拟和离散接线方式甚至是其他类型的数字总线相比，其优点十分明显：
总安装成本和运行费用更低。
基金会现场总线能够带来上述好处是因为它与传统通信技术本质不同。
但这并不意味着它更难以掌握和使用—只是有所区别而已。
为帮助您理解上述区别，本介绍课程将简要说明基金会现场总线及其主要优点。
在其他课程中我们将详细说明该技术及其好处，以及您在使用基金会现场总线时所需注意的事项。
提示：
当您浏览本课程的主题时，请留心如下问题的答案：
•基金会现场总线为何能够比4-20mA接线传送更多的信息？
•谁控制着基金会现场总线技术？
•基金会现场总线最初的设计目标是针对何类应用场合？
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。
其适合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。
为满足过程自动化环境中不同的需求，引入两个与基金会现场总线相关的应用方式。
这两种应用方式采用不同的物理媒介和通信速度。
•H1的通信速率为31.25千字节/秒，通常用于连接现场设备。
它通过标准的双绞线实现通信和供电。
H1是目前最常采用的方案，因而也是本课程的重点部分。
•HSE（高速以太网）的通信速率为100兆字节/秒，通常用于连接输入/输出子系统，主系统，连接设备，网关和采用标准以太网电缆的现场设备。
目前它并不能通过电缆提供供电，尽管该项工作正在研发。
数字总线的优点
传统的模拟和离散现场仪表采用点对点接线方式：
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。
数字总线则不同，基金会现场总线并不受到上述情况的制约。
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。
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，一般每个H1网段上连接4到16个设备。
这意味着当您有1000个设备，如果采用传统技术您需要1000对线，而采用基金会现场总线时，您只需60到250对线。
这将为您节省大笔的接线费用成本（和接线装置）。
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。
其他的好处还包括：
多个设备的功能可以通过一个设备完成，这样可减少导线管。
（提高安全性并降低短时排放的风险）并可降低工程费用。
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，并将阀门当前位置发送出去，从而实现更为精确的控制。
而采用模拟量时，则必须增加另一对线方可实现该功能。
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。
其结果是：
技术员不得不花大量的时间来确认设备的运行状态。
基金会现场总线设备则不同，它们可以告诉您其运行是否正常，发送的信息是好、差或不定状态。
这可使您免除大多数的例行检查工作，并有助于您在重大的过程问题发生之前发现故障情况。
PlantWeb的优点
采用PlantWeb结构体系时，艾默生的现场设备可提供状态信息，这可免除您的例行检查工作，从而有助于降低维护费用。
预诊断：
在发生故障之前，检测或预测性能的恶化和失效状态。
这也有助于您提高工厂的正常运行时间和性能。
现场控制。
基金会现场总线也可以实现现场设备中完成部分或全部的控制算法选项，而不是由中央主系统来完成。
根据应用场合的不同，现场控制可降低成本并提高性能—即使是发生与主系统相关的失效时也可保证连续的自动控制。
已建立的标准
基金会现场总线包括如下三大组织的标准：
•ANSI/ISA50.02
•IEC61158
•CENELECEN50170:
1996/A1
其技术由不受约束的、非盈利性组织现场总线协会管理，其150多个会员公司包括用户和所有全球主要的过程自动化供应商。
一些供应商甚至已经致力于将现场总线相关的专利技术融入到现场总线基金会，从而鼓励所有的基金会成员更多地采用现场这项技术。
可互操作性
可互操作性使得基金会现场总线设备和主系统能够协调工作，同时能保证每个组件都能发挥各自的全部性能。
您如何知道设备的可操作性？
通过严格的测试证明其满足可互操作性的要求，仪表才可以获得“注册”状态（以及获得基金会现场总线认证标志）。
为确保用户能够自由选择现场总线产品，基金会并不会承认设备满足基金会现场总线可互操作性“认证”，除非至少有两个不同供应商的同类型产品通过其测试。
主机可互操作性测试。
主系统通过基金会监督的测试以证明它支持明确的可互操作性功能。
特定主系统支持基金会网站上列出的性能，但并不说明主系统已经注册或获得认证标志。
PlantWeb的优点
PlantWeb结构中采用的智能型现场设备是最先获得基金会的“认证”标志的产品之一。
我们的DeltaVTM自动化系统也是成功通过主系统测试的产品。
如今艾默生已经成为多销售商可互操作性的最重要成员。
因而，我们的设备和系统不但性能和可靠性众所周知，而且您还可将可互操作方案整合，以满足您需要的灵活性。
此外，一些自动化供应商和用户已经合作开发不同品牌仪表和主系统之间的可扩展的互操作性测试—包括实验室和实际工厂中的测试。
可互操作性并不等同于可互换性。
可互换性意味着您可以随意用一个设备取代另一个设备，同时设备的功能相同。
另一方面，可互操作性则是不同生产商的不同设备可以协调工作—但各设备的功能可能不尽相同。
例如，您有两个不同生产商的压力变送器。
其中一个只具有模拟量输入功能，而另一个变送器还具备PID控制和客户诊断功能。
用功能少的变送器取代功能强的变送器时，您并不能保证整体性能不变。
但两个变送器可以协调工作在同一个现场总线段上。
现场总线201包括涵盖可互操作性的更详尽信息。
安全和高效的过程控制
一些通信协议最初是为工厂或办公自动化而设计，并且只适用于加工工厂的特定生态应用场合。
设计之初，没有一种协议考虑到过程控制的全部要求。
因而它们都不是实现安全而高效的过程控制的最佳选择。
然而，基金会现场总线H1则是为满足过程工业的要求而专门设计的。
•它能够适应加工厂中恶劣而危险的环境。
•它能够通过同一对线进行供电和通信。
•它可以利用工厂中现有的接线。
•它支持本质安全。
简而言之，它是为您的生产过程量身打造。
值得您信赖的控制。
基金会现场总线还提供确定性过程控制：
按时间顺序控制通信，不会受到总线上其他通信量的影响而延迟。
如果消息没能成功发送，它将再次尝试。
控制的安全性并不仅于此。
当现场总线设备与主系统的连接断开时，它们能够通过总线维持安全而高效的控制。
及时通知用户。
基金会现场总线设备可告知设备信息是否良好，并且发送该状态信息与过程变量。
要使工厂运行在最安全的模式下，控制策略和操作员都需要知道这种通过主机发送的状态信息，因而在故障模式下他们可以安全而及时地采用相应的措施。
最为重要的一点：
基金会现场总线的性能和可靠性能满足实时性要求高的过程控制的需要。
现场总线102
现场总线通信
•概述
•通信模型
•物理层
•数据链路层和应用层
•用户层
•受调度通信
•非调度通信
•参数状态
•应用时钟
•链路活动调度器
•设备地址分配
•搜索标签服务
概述
数据如何在适当的时刻发送到需要的地方？
基金会现场总线的一个最重要特点是：
它具有采集和传输大量信息的能力—不只是过程变量和控制信号，还包括其他类型的仪表和过程数据
在实现不同生产商设备间可互操作性和与现有接线兼容的同时，它还实现了一致性和可靠性。
本课程将描述实现该功能的关系技术特点。
提示：
当您浏览本课程的主题时，请留心如下问题的答案：
•非调度通信方式可以传输何种类型的信息？
•基金会现场总线如何提高报警和事件的时间标记的？
•基金会现场总线中用于描述过程参数状态的三种标注是哪些？
基金会现场总线通信模式可分为如下三部分：
•物理层
•数据链路层
•用户层
物理层、数据链路层和应用层共同组成通信协议栈。
应用层位于该栈的最上方，它允许您与其他层和系统中的其他应用程序进行数据交换。
使用基金会现场总线时，您无需记住通信模型的这些细节。
但上述信息和下面三页中的内容将有助于您理解现场总线技术中各面之间的关系。
物理层
通信模型
基金会现场总线通信模型中第一个功能层就是物理层，它将线缆上的消息转换成物理信号或是将物理信号转换成消息。
物理层还为所有基金会现场总线设备提供公共的电气接口。
现场总线H1总线要求9-32伏直流供电并且每个设备的供电电流约为12-20mA。
其通信速度约为31.25kbaud.
基金会现场总线的物理层由经认证的标准定义（IEC1158-2和ANSI/ISA50.02,part2）。
它能够在现有的现场接线作长距离运行，支持两线制设备，并提供本质安全选项。
简而言之，它是常规的过程自动化环境的理想选择。
数据链路层和应用层
通信模型中的第二部分结合多种技术控制现场总线上的数据传输。
数据链路层和应用层支持标准的数据“打包”方式，以及通信时间的管理和功能块的执行。
它们在实现过程控制的同时实现了标准化和可互操作性。
用户层
用户层位于通信栈的上层，它允许您与其他层和其他应用进行数据交换。
用户层包括资源块，传感器块和功能块，它描述、执行设备功能，比如控制和诊断。
无需客户编程，设备描述可支持主系统与上述块进之间的识别与数据交换。
在后面的章节中将对各种块和设备描述语言进行更为详尽的说明。
计划性数据通信
基金会现场总线上的所有设备和功能块以固定的重复周期对过程控制信息进行执行和通信。
该类通信的定时由链路活动调度器中的主进度表决定，它是一种驻留在主系统或总线上的一个设备中。
在本课程的稍后部分，您将了解到有关链路活动调度器更为详尽的信息。
该计划性数据（亦称“周期性数据”）通信采用发布/索取方式。
这意味着数据只需通过总线传送或“发布”一次，所有请求该数据的设备都将接收或“索取”到相同的传输信息。
因而，根据您的需要，特定的参数可被多个设备或功能块所利用，它不会增加总线的通信负担或影响控制性能。
这种通信方式也称为确定性通信。
其通信总是以预定的时间发送，因而信息可以按其需要的时间精确在广播（和接收）。
其结果是通信和控制能够以有序方式得以精确执行，进而减少过程差异。
对于快速或实时性要求高的控制回路，基金会现场总线可以提高工厂性能。
非计划性数据通信
基金会现场总线支持过程回路控制数据的大量信息。
信息包括：
•发送给设备或中央数据库的组态信息
•报警、事件和数据趋势
•操作员显示信息
•诊断和状态信息
其信息流量虽然较大，但不同于实时性要求高的回路控制信息。
如果在一个通信周期内信息提前1/8秒和下个周期延时1/8秒，它不会对过程控制或工厂运行造成影响。
灵活的时间安排。
基金会现场总线网段上信息的优先级低于计划性数据的控制回路相关的通信。
然而，为确保传输信息时，网段上的负载不至过大，一个通信周期内为非计划性数据（“非周期”）通信预留一定的时间。
在该段时间内，令牌传送方式使得该网段上的每个设备都有机会传送消息，直至传送完成或分配的时间截止。
参数状态
基金会现场总线支持多种数据冗余校验以避免消息位错误。
为确保数据可靠性，其新增的两种功能有：
应用时钟（本课程的下一个主题）以及与每个参数相关联的状态。
每个设备都能够对其发送的数据进行故障检验并作相应的标签。
该状态标记将显示数据质量是好、差还是不定。
例如，坏状态信号表明可能发生设备故障，比如温度变送器上的传感器失效。
不定状态则表明数据质量是未知的。
比如，压力变送器的读数为设备上限值的110％，该值可能准确，也可能不准确。
因为设备此时已经高度饱和，实际值可能比读数更高。
工作要点
主系统可获得设备状态信息，但并不是所有的主系统都会利用该信息。
因而在任何主系统中，您应当检验该功能。
主系统应能够为操作员显示该状态信息，并且支持利用该信息对控制动作进行必要的校正。
PlantWeb的优点
在PlantWeb结构体系中，DeltaV系统读取状态信息并通过系统进行广播。
其结果是：
•决策时，操作员知道信息的可靠性。
•控制策略可以根据设备信息状态进行组态，从而对控制动作进行修改。
•采用先进控制策略时，比如模型预测控制或神经网络控制，可以获悉其采用的数据是无效或是可疑。
•AMS资产管理软件可为维护人员提供信息，以便于他们确认运行是否正常，或是快速分析并找出当前或预测的故障情况。
应用时钟
基金会现场总线网段上的所有设备都采用相同的时基。
系统管理功能指令应用时钟周期性地向所有设备广播该时间，可以是当地时间或世界标准时间。
各设备利用其内部时钟与该同步广播时间保持一致。
设备中时间标记方式的报警和事件记录其发生地点、时间—不迟于历史记录、报警日志或主系统上的其他应用程序。
由于采用上述方法，基金会现场总线为各项活动提供更高的时间分辩度和精度，比如事件顺序的记录和分析。
链路活动调度器
链路活动调度器（LAS）功能可为网段上的设备之间维护中央的、确定性通信调度。
通过强迫各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。
重新发送消息也可以提高通信可靠性。
如果某一设备没有响应链路活动调度器的“强迫数据”消息—例如，由于瞬时产生的不稳定电流，设备没有进行通信。
链路活动调度器将再次发送该消息以强迫该设备发布其信息。
链路活动调度器驻留在网段上的设备或主系统元件中（比如H1接口插件）。
当链路活动调度器失效时，另一个设备或主系统元件中的备用链路活动调度器将成为主调度器，接管其功能。
一个网段上可能不止一个备用链路活动调度器。
如果第一个备用链路活动调度器失效，第二个将取代现有的链路活动调度器，依此类推。
这意味着基金会现场总线的设计可以更好以避免系统性能衰减，并进一步增加可靠性。
设备地址分配
作为数字化、多点式总线，基金会现场总线可通过同一电缆向多个设备发送或发出信号。
为分清信息与设备的对应关系，需为每一个设备分配地址。
根据通信协议的不同，可以采用多种方式进行地址分配。
主要有.DIP开关、离线地址分配或在线自动分配。
采用诸如DIP开关或离线地址分配时，存在人为因素的错误，比如因疏忽将一个地址分配给多个设备。
这种地址分配上的错误可能导致通信故障，在极端的情况下总线将无法运行。
这也是为何基金会现场总线不允许上述地址分配方案的原因。
在线分配地址有助于避免出错，比如将同一地址分配给多个设备之类的问题。
但其本身并不能确保绝不会发生地址分配错误。
将每个设备连到同一网段上时，通过组态工具或主系统自动分配地址，您可以避免上述风险。
PlantWeb的优点
在PlantWeb结构体系中，DeltaV控制工作室组态工具自动分配设备地址，从而减少了不必要的工作并降低了重复地址分配的可能。
基金会现场总线为主系统和临时设备，如维护工具，预留了一些地址。
DeltaV自动地址分配确认上述预留地址没有被错误地分配。
标签搜索服务
许多通信协议要求用户辨识设备和参数，并将它们通过地址和/或注册进行分配。
该操作过程对某些用户可能较为困难并容易出错。
而基金会现场总线是一种采用标签的总线。
它无需硬件或注册地址，可通过变量标签（例如“FT-101”）搜索设备。
要查找某一标签，总线将发出搜索标签请求。
每个设备都将接收到该请求，并将自身标签与请求的标签相对照。
当设备发现该标签时，它发回完整的路径信息，以及与此标签相关联的所有必要的参数和描述符。
然后主系统或维护工具将利用该路径访问标签数据。
该功能也有助于避免重复标签分配。
现场总线103
回路调度
•概述
•时间调度
•同一网段上的多点回路
概述
如何做到适当的时刻启动各自的控制动作？
高质量的过程控制应当是时控方式。
如果控制动作不能在其所需的时间发生，其造成的过程偏差将导致能耗和原料的增加，产量降低和产品质量下降。
通过确定性的、实时调度表执行控制，基金会现场总线成功解决了上述问题。
其技术的设计目标是提供您在控制环境下可能遇到的全部问题的解决方案。
本课程将总结基金会现场总线是如何上述目标。
提示：
当您浏览本课程的主题时，请留心如下问题的答案：
•什么决定功能块或通信动作的开始时间？
•当同一网段存在多个回路时，您如何避免重叠通信？
•如何满足快速和慢速响应回路的需要？
时间调度
在基金会现场总线中，控制相关的通信和功能块以精确定义的时间间隔执行，并且按照正常的过程控制次序进行。
有关如何确保现场总线通信的方法包括应用时钟和链路活动调度器—在前面的课程中已经谈过。
后面的课程中将详细介绍功能块。
本节将说明两者是如何同步从而实现最佳的控制性能。
全局的调度称为宏周期。
同一网段上所有设备的宏周期都准确地预定并采用相同的绝对开始时间。
功能块和通信以规定的绝对时间偏移量执行。
下图给出一个典型回路的时间调度，其中PID功能块位于阀门控制器中（设备2）。
各执行动作都以规定的、距绝对开始时间的偏移量启动。
典型的回路调度
该循环以准确、及时的时间执行。
当计划性消息不处于发送状态时，非计划性（非周期性）消息可随时进行通信。
需注意的事项
使用计划性回路时须注意某些事项。
功能将以您定义的次序执行，即使该次序是错误的。
当您将的调度次数为：
AO第一、PID其次，而AI最后时，会加大整个回路处理时不必要的时间延时。
PlantWeb的优点
PlantWeb结构体系使得回路处理的时间安排变得极为简便。
DeltaV控制工作室将自动进行调度处理。
您只需在图形组态表中用鼠标拖放操作即可。
当您将块放到相应的位置时，系统将自动为其编制执行次序，并自动计算宏周期。
如果您是按照执行次序建立的，则无需再进行时间上的安排。
如果您想更改执行次序，DeltaV控制工作室工具允许您进行该项操作。
您只需按照您期望执行的次序逐个点击各块即可。
同一网段上的多个回路
多回路调试
如上例如示，在同一网段上可能存在多个功能块需要同时执行，假定它们位于不同的设备中并且起始时间也不同。
该例中包括三个回路，并且PID位于阀门控制器中。
然而，您不可能让同一总线上的多个设备同时进行通信。
上例中的时间调度可防止通信重叠影响功能块的起始通信时间，因而一个块必须要在其前一个块执行完毕方可执行。
为简便起见，上图只列出块执行的次序，并且无处理时间上的重叠。
实际上，只要各个块位于不同设备中，它们还是能够同时执行的。
处理完毕后，数据就可以进行通信。
只是多个设备不能同时进行通信。
需注意的事项
不要想当然地认为所有设备具备相同的性能。
不同设备执行功能块所需的时间也不尽相同。
例如，一个设备可能需要30ms来执行一个PID块，而另一个则可能需要75ms。
请咨询您的供应商以了解他们是否提供自动时间安排的工具软件，并且该工具已经考虑到不同设备的执行时间。
现场总线104
现场总线块
•概述
•什么是资源块？
•什么是传感器块？
•什么是功能块？
•基金会现场总线功能块
•基本的基金会现场总线功能块
•先进的基金会现场总线功能块
•功能块是如何放到设备中？
•将块初始化到设备中
•设备描述
概述
什么是现场总线块？
它们能实现哪些功能？
您可以将现场总线块看作是小型的、密封软件模块。
每个块都定义了一套特定功能或信息类型的输入和/或输出。
您不必管理它们是如何将输入转换成输出的内部处理过程，那是供应商考虑的事情，他们将这些块作为现场总线设备或主系统一部分提供给您。
基金会现场总线采用三种块：
•资源块
•传感器块
•功能块
各块的功能。
资源块和传感器块提供大量与设备、传感器、执行机构及其性能相关的信息。
功能块是实现开放、可互操作性且独立于设备控制的引擎。
同时，这三种块更便于您提高设备性能和过程控制。
本课程将为您介绍这三种块及如何使用它们。
提示：
当您浏览本课程的主题时，请留心如下问题的答案
•资源块能提供何种类型的信息？
传感器块又是怎样的情况？
•功能的关键性能是什么？
是不是所有的功能块都以相同的方式运行？
•在特定设备中，什么决定每种类型块的数量？
什么是资源块？
资源块与整个设备相关联。
它包含诸如生产商、设备类型和序列号之类的信息。
每个设备都包含一个资源块。
此外，资源块还常常提供设备健康状态或状况的整个信息。
访问该附加信息可能是基金会现场总线最为重要的功能之一。
因为根据该信息，您可以在生产过程受以影响之前，检测到将要发生的设备故障。
在项目执行期间，资源块用于辨识设备、加贴标签和调试。
在运行期间，维护人员可利用它获利整个设备的组态信息和状态信息，以及运行一些特定设备的诊断程序。
每个设备都带一个资源块
什么是传感器块？
传感器块与设备的“浸湿部分”打交道。
它提供用于读取传感器的本地输入/输出功能，并控制执行结构、显示器其他输出硬件。
它是传感器和执行机构的实体世界和过程控制的“数字世界”的连接部分。
传感器块包含诸如校准数据、传感器类型、结构材料之类的信息，在很多情况下还包括执行机构和传感器的健康和运行状况数据。
PlantWeb的优点
PlantWeb结构体系中的FIELDVUE?
数字阀门控制器，例如，传感器块提供的信息用于阀门签名诊断，以及检查阀门粘连之类的性能问题。
同样，变送器中的传感器块可用于检查多种传感器失效情况。
专用的传感器块也可以用于统计过程监视，预测传感器使用寿命，检测堵塞的引压管线以及类似的功能。
项目执行期间，传感器块可用于设备校准，装置设置，以及其他与实现准确而可靠的输入或输出有关的任务。
运行时，维护技术员利用上块进行设备故障排除和标定，执行诊断检查，以及维护设备健康和性能的其他任务。
单个设备中可能包含多个传感器块。
例如，一个传感器块用于控制传感器或执行结构，另一个用于就地显示，而第三个用于诊断。
PlantWeb结构体系的设计充分利用大量可用的诊断信息资源和传感器块—从0到100％阀门行程的故障诊断，传感器寿命和性能诊断，以及诸如冲击管道之类的外部设备诊断。
通过AMS软件包，维护时更是便于您充分利用信息资源，并且操作员可在操作界面的右方查看设备状态。
什么是功能块？
功能块提供现场总线环境下的控制系统行为特征。
模拟量和离散量输入和输出块，以及诸如表征器、分路器或PID之类的控制算法，通过现场总线连接以执行过程控制。
在很多情况下，甚至不需主系统参与，在现场设备中就可以运行控制回路。
简单设备可能仅有单个的输入/输入功能块。
更为复杂的设备则可能带有多个输入/输出块，以及用于监视和控制的功能块。
项目执行期间，控制工程师利用功能块实现控制策略。
而正在运行的操作中，功能块提供过程控制信息和操作员用于工厂运行所需的功能。
PlantWeb的优点
从设计伊始到现场总线功能块的使用，PlantWeb的设计理念贯穿于整个结构体系—从设备到主DeltaV系统。
无论功能位于何处，您都可以采用相同的工具对所有功能块进行组态。
您还可将功能块从一个设备中移动
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