在基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)（Ff）技術(shù)開(kāi)始推廣應用的初期，生產(chǎn)廠(chǎng)商、工程公司、工廠(chǎng)技術(shù)人員付出了艱苦努力，通過(guò)學(xué)習和實(shí)踐，以掌握總線(xiàn)技術(shù)、產(chǎn)品性能，積累工程經(jīng)驗。在經(jīng)歷上千個(gè)基金會(huì )總線(xiàn)項目的系統安裝應用之后，技術(shù)人員已經(jīng)能夠快速而經(jīng)濟地實(shí)施現場(chǎng)總線(xiàn)的工程項目，對現場(chǎng)總線(xiàn)提供技術(shù)支持的能力也得到加強，對于應用總線(xiàn)項目的工廠(chǎng)，在工程投資和運營(yíng)操作方面都獲得了預期的結果。通過(guò)十多年持續不斷地改進(jìn)，在控制系統運行期間，任何一個(gè)階段要采用基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)都變得更加容易?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)日益成熟，相應的知識積累和用戶(hù)群體也隨之成長(cháng)，這種自動(dòng)化技術(shù)已不再僅僅是屬于專(zhuān)家們的專(zhuān)利。 

    現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的應用，使得工程項目投資成本節省達到30%，項目投運后，可以使工廠(chǎng)運營(yíng)效益獲得2%的提高，認識到這樣的結果，你就不會(huì )對基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)的成長(cháng)感到驚訝了，它通過(guò)數字化工廠(chǎng)架構，充分利用現場(chǎng)智能設備，大大提高工廠(chǎng)的運營(yíng)能力。

    在化工、油氣、煉油、石化、電力，以及紙漿造紙行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)中，越來(lái)越多的工廠(chǎng)采用基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，是否采用現場(chǎng)總線(xiàn)，成為新建項目的標準。 

    大部分過(guò)程自動(dòng)化廠(chǎng)商現在都支持基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。 例如，艾默生PlantWeb數字工廠(chǎng)結構采用基金會(huì )技術(shù)，建立整個(gè)工廠(chǎng)的數字化控制網(wǎng)絡(luò )。推崇技術(shù)領(lǐng)先的工程公司已經(jīng)接收數字化工廠(chǎng)的概念，并已實(shí)施了很多現場(chǎng)總線(xiàn)項目，累了豐富的總線(xiàn)項目經(jīng)驗。相關(guān)自動(dòng)化項目部門(mén)也已認可現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，并制定了工程方面的相關(guān)規范，以保證總線(xiàn)項目實(shí)現其最佳性能。 

    為了加速現場(chǎng)總線(xiàn)在控制系統中的實(shí)施，應將其納入到規范當中，通過(guò)采用當今最新的技術(shù)和產(chǎn)品的新功能，將有助于工程獲得最佳效果。

啟動(dòng)和診斷

    利用基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的互操作性能，可以將工廠(chǎng)中來(lái)自于不同廠(chǎng)商的各種類(lèi)型的Ff儀表整合到同一系統。這些設備包括諸如溫度變送器、分析儀表、閥門(mén)定位器、雷達液位計及機械設備健康狀態(tài)檢測儀等等。
EDDL技術(shù)的應用，使得技術(shù)人員可以讀取現場(chǎng)總線(xiàn)設備的所有功能，對設備的高級設置及復雜診斷，也可以通過(guò)圖形方式來(lái)實(shí)現和表示，清晰明了，較之以前的表格方式有了很大的改觀(guān)。 

    1992年提出的DD（設備描述）技術(shù)沒(méi)有圖形顯示，不能支持某些復雜的現場(chǎng)總線(xiàn)設備的高級設置和診斷功能。發(fā)展中期的技術(shù)方案中包含圖形功能，但是受限于制造商的控制系統，不具備通用性。另一種解決方案則要求安裝第三方設備的驅動(dòng)程序，在DCS控制系統運行時(shí)是不能進(jìn)行軟件安裝的，即使有了驅動(dòng)軟件，設備也不能正常使用。 

    基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)最重大的改進(jìn)就是增強型的電子設備描述語(yǔ)言（EDDL）的應用，它的前身是設備描述語(yǔ)言DDL，EDDL被賦予了強大的圖形功能，以彌補之前的不足。 （請參看“亞洲控制工程”，2007年9月，第24-29頁(yè)）。 

    基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)向前邁出如此重要的一步，得益于它同HART 通信基金會(huì )、Profibus國際組織以及OPC 基金會(huì )共同組成的EDDL 協(xié)作團隊（ECT）。應用EDDL之后，設備信息可以通過(guò)波形圖、趨勢圖、圖表、圖形、餅圖、柱狀圖以及表格等形式表現出來(lái)。設備供貨商方面的專(zhuān)家可以通過(guò)圖像、文本等將他們擁有的知識教授給其它技術(shù)人員， 而且因為有了各種標簽卡片、標簽樹(shù)形圖、標簽框架以及彈出窗口等菜單，使得設備診斷過(guò)程更加容易。 

    目前，對于來(lái)自各個(gè)廠(chǎng)商的現場(chǎng)總線(xiàn)設備，無(wú)論是簡(jiǎn)單還是復雜，EDDL都可以采用同一個(gè)軟件或手操器方便地對其進(jìn)行監視、組態(tài)/設置和診斷。對于現場(chǎng)總線(xiàn)設備，設備廠(chǎng)商可提供設備描述的EDDL是文本文件，而不是應用程序軟件，可以將現場(chǎng)總線(xiàn)設備的診斷功能同控制系統操作站整合到一起。EDDL使現場(chǎng)總線(xiàn)設備的設置和校準更加容易，即便不是技術(shù)專(zhuān)家，也能夠對設備進(jìn)行操作。 

    例如，由設備廠(chǎng)商寫(xiě)入設備管理軟件和手操器中的“方法”，以向導“Wizard”的方式呈現，可以引導技術(shù)人員進(jìn)行設備的操作，如消除雷達液位計的假回波等復雜程序，并且將錯誤發(fā)生的概率降到最低。同樣，對于設備進(jìn)行校準的過(guò)程，也可以通過(guò)“Wizard”引導進(jìn)行，簡(jiǎn)化了現場(chǎng)總線(xiàn)設備的操作。 

    按照常規的校驗方法，對壓力變送器的校準要求有兩位技術(shù)人員通過(guò)對講機相互聯(lián)系，一位在現場(chǎng)工作，一位在控制室進(jìn)行操作。對總線(xiàn)設備，利用手操器，只要一位技術(shù)人員就可以完成同樣的工作。有了EDDL，一臺通訊器就可以對所有現場(chǎng)總線(xiàn)設備進(jìn)行操作。

互操作性測試

    在一些大型工廠(chǎng)或裝置中，會(huì )應用不同廠(chǎng)商不同型號的現場(chǎng)總線(xiàn)設備，這些現場(chǎng)總線(xiàn)設備必須能夠進(jìn)行互操作，并與控制系統軟件兼容。但在現場(chǎng)總線(xiàn)發(fā)展初期，總線(xiàn)設備沒(méi)有進(jìn)行互操作測試，這就導致了某些現場(chǎng)總線(xiàn)設備和系統不能兼容，因此不能和系統整合。

    針對上述情況，基金會(huì )提出了嚴格的互操作性測試程序。在總線(xiàn)設備發(fā)布之前，現場(chǎng)總線(xiàn)設備及其EDDL文件必須接受互操作性測試。由專(zhuān)業(yè)人士組成的現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )的成員密切協(xié)作，解決技術(shù)問(wèn)題，而規范和測試也在不斷升級。對基金會(huì )總線(xiàn)的其它關(guān)聯(lián)設備，例如總線(xiàn)電源和現場(chǎng)連接器等，也須進(jìn)行互操作性測試。 

    新推出的主機系統注冊程序（HRP）是一種更為嚴格的對控制系統主機測試的方法,用于確保系統完全支持現場(chǎng)總線(xiàn)設備,并能夠從現場(chǎng)總線(xiàn)設備中獲得全部信息，例如擁有EDDL圖形的能力。 

    正是由于有了這些嚴格的測試過(guò)程和持續不斷的改進(jìn)，才減少了現場(chǎng)總線(xiàn)設備和控制系統不兼容的風(fēng)險，使整合過(guò)程變得更加容易,同時(shí)也降低了相關(guān)網(wǎng)絡(luò )硬件產(chǎn)生問(wèn)題的風(fēng)險。對于設備、主系統以及網(wǎng)絡(luò )硬件的互操作性測試，基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)已經(jīng)達到了其它任何總線(xiàn)技術(shù)所不可及的水平。

本質(zhì)安全

    對于油氣、精煉、化工，以及處理易燃液體的區域被認為是危險區域。針對危險區域有一種常用的自動(dòng)化方法，就是本質(zhì)安全性。 早期，本質(zhì)安全建立在“實(shí)體”概念,除了對設備數量和接線(xiàn)距離有嚴格限制外，技術(shù)人員要為所有部件實(shí)體的參數進(jìn)行建檔，并核實(shí)電容和電感，工程量較大。 

    領(lǐng)先的安全柵及網(wǎng)絡(luò )硬件供應商為基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)在危險區域的應用提供了新的解決方案，即現場(chǎng)總線(xiàn)本質(zhì)安全的概念（FISCO)，應用FISCO概念,允許在本安區域使用更大的功率、更多的設備，同時(shí)大大地簡(jiǎn)化了設計工作?！皩?shí)體”參數制表已經(jīng)不再需要, FISCO的概念使設備的選擇和文件編制得以簡(jiǎn)化。

網(wǎng)段設計

    對系統設計工程師而言，進(jìn)行總線(xiàn)網(wǎng)段設計時(shí)，計算支線(xiàn)的總線(xiàn)設備電壓，尤其是對于本安設備電壓的計算，是一個(gè)較為煩瑣的過(guò)程。最初的設計計算應用電子數據表格實(shí)現，既冗長(cháng)，又容易產(chǎn)生錯誤。 

    現在則不同，利用艾默生公司提供的網(wǎng)段設計工具，就可以自動(dòng)進(jìn)行總線(xiàn)網(wǎng)段設計及驗證。 工程人員利用工具軟件，依次選擇網(wǎng)段所在危險區域的等級，以及電源、安全柵、總線(xiàn)連接器、現場(chǎng)總線(xiàn)設備等，即可完成網(wǎng)段的設計。 相關(guān)總線(xiàn)產(chǎn)品的數據被放置到軟件數據庫中，從而減少了煩瑣的計算工作。該軟件根據有關(guān)分支、總長(cháng)、電流電壓限制等等的規則來(lái)對網(wǎng)段設計進(jìn)行驗證，生成報告，作為系統設計文件的一部分。 

    網(wǎng)段設計工具軟件的應用，使得總線(xiàn)網(wǎng)段設計及驗證變得簡(jiǎn)單易行，降低了工程成本，加快了項目的實(shí)施。（登陸www.emersonprocess.com/systems/support/segment網(wǎng)站，可免費下載現場(chǎng)總線(xiàn)設計工具）。

控制策略組態(tài)

    基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)的功能塊編程語(yǔ)言符合國際標準IEC 61804-2?，F場(chǎng)總線(xiàn)設備的功能塊和自動(dòng)化系統控制器之間無(wú)縫連接，并包括了防積分飽和、無(wú)擾動(dòng)切換的控制策略，無(wú)論在控制器還是在現場(chǎng)設備實(shí)現控制策略，其組態(tài)方式完全相同，無(wú)需使用兩種組態(tài)工具。 

    組態(tài)工具可自動(dòng)完成總線(xiàn)宏周期時(shí)間表，實(shí)現基金會(huì )總線(xiàn)精確的周期性控制和通訊的功能，精確的周期通訊對于PID回路來(lái)說(shuō)是致關(guān)重要的。 最新的控制系統允許同一條總線(xiàn)上混合不同處理周期的控制回路，例如周期分別為250ms和1000ms的回路。宏周期時(shí)間表的可視化，使驗證也變得很方便，確保了優(yōu)化操作的順序正確，為總線(xiàn)的通信負荷配置保留充足的空間，以備非實(shí)時(shí)通信功能之所需。軟件功能的增強加快了系統組態(tài)和驗證速度。

熱升級（運行中設備升級）

    工廠(chǎng)內已經(jīng)安裝了成百上千的現場(chǎng)總線(xiàn)設備，這些設備運行非常穩定，其使用壽命可達到數十年之久，技術(shù)的不斷進(jìn)步，設備的功能也在不斷改進(jìn)，隨之新版本出現。在操作中對現場(chǎng)總線(xiàn)設備進(jìn)行升級，并通過(guò)應用新功能，改進(jìn)現有解決方案，是非常合理的要求，但在過(guò)去，不能對設備固件升級，即使作升級，也必須將設備拿到工廠(chǎng)來(lái)完成升級過(guò)程。 

    基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)的周期性通信的執行和傳輸確保了實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)通信進(jìn)行， 設備固件文件可以在不影響實(shí)時(shí)控制的前提下進(jìn)行下載。比如先進(jìn)的閥門(mén)定位器可以在操作運行中接收新的固件，并在不干擾過(guò)程的前提下切換到新固件的應用。 

    這樣工廠(chǎng)不用更換舊設備，也能獲得現場(chǎng)總線(xiàn)設備的新功能。由于基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)是唯一能夠提供本質(zhì)安全的總線(xiàn)，因此它能夠把實(shí)時(shí)通信與非實(shí)時(shí)通信根據定制分離開(kāi)來(lái)，其它類(lèi)型的總線(xiàn)設備均無(wú)法達到相同效果。

執行時(shí)間

    在某些行業(yè)中，過(guò)程控制要求設置快速回路，例如流量和液位控制回路，以250ms的時(shí)間為周期執行。在早期，由于總線(xiàn)上功能塊通信數據量很大，只有當總線(xiàn)段上掛接的設備較少時(shí)，才可能實(shí)現快速響應，這樣，總線(xiàn)獲得的成本效益就比較低。 

    新的現場(chǎng)總線(xiàn)設備功能有了較大改進(jìn)，可以以高達20-30ms的時(shí)間來(lái)執行功能塊算法。 控制系統支持現場(chǎng)控制（CIF）以減少通信要求。目前在工程方面無(wú)需付出過(guò)多的努力，就可以使控制周期達到250ms。 

    基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)是唯一支持在現場(chǎng)實(shí)現控制功能的總線(xiàn)，過(guò)程控制中，80%以上的回路可以在閥門(mén)定位器及其它設備中實(shí)現PID等算法功能。對于相關(guān)到其它總線(xiàn)和連鎖回路的控制算法，仍然在控制器中執行，因此，一個(gè)系統的控制策略實(shí)際上是DCS控制器和現場(chǎng)控制同時(shí)存在。

仿真測試

    對新項目的控制系統進(jìn)行工廠(chǎng)驗收測試（FAT）時(shí)， 必須模擬現場(chǎng)信號，以便對流程圖數據動(dòng)態(tài)鏈接、控制策略以及報警的設置是否正確進(jìn)行驗證。早期對回路進(jìn)行測試的唯一方法， 是將所有實(shí)際的現場(chǎng)總線(xiàn)設備都連接到系統中去進(jìn)行測試。 這些測試只能在項目的后期進(jìn)行，因此，項目執行時(shí)對重要的回路才進(jìn)行測試。 

    現在，大多數控制系統都具備對現場(chǎng)總線(xiàn)設備和功能塊進(jìn)行模擬的能力，因此可以實(shí)現對過(guò)程及報警狀況模擬，驗證系統的組態(tài)軟件功能，在工廠(chǎng)驗收測試（FAT）中對整個(gè)回路進(jìn)行測試，降低了現場(chǎng)開(kāi)車(chē)的風(fēng)險。

自整定

    一個(gè)控制系統可能包括上百個(gè)PID控制回路， 對這些回路必須進(jìn)行“整定”以使工藝過(guò)程運行在最佳狀態(tài)。 整定對于現場(chǎng)總線(xiàn)設備的PID回路同樣適用。 控制系統的自整定軟件，僅用于控制器的回路整定，現場(chǎng)的就地PID回路則需要手動(dòng)調節。 

    在某些控制系統中，自整定軟件也用于整定現場(chǎng)總線(xiàn)設備中的PID參數，而不會(huì )影響到控制效果。 因此，通過(guò)對現場(chǎng)設備中的PID算法進(jìn)行整定，可提高回路性能。

快速更換

    由于工藝裝置規模不同，一個(gè)工廠(chǎng)的儀表設備可能介于數百到數千臺之間。若平均無(wú)故障時(shí)間為200年，則工廠(chǎng)每個(gè)月都會(huì )有一次設備故障。故障設備必須快速進(jìn)行更換，以保證生產(chǎn)穩定運行。 

    過(guò)去，如果進(jìn)行儀表的更換，要求工藝人員對相關(guān)過(guò)程進(jìn)行手動(dòng)操作，按正確的順序來(lái)更換一個(gè)設備，要求儀表工程師具備相當的專(zhuān)業(yè)知識?，F在，由于控制系統軟件具備“向導”功能，技術(shù)人員按照指導步驟就可以順利完成故障設備的更換。 

    對總線(xiàn)的診斷要有專(zhuān)用的工具，診斷設備可以安裝在控制室內總線(xiàn)的末端，對總線(xiàn)段電源電壓、信號和噪音進(jìn)行測量，也可以利用便攜式設備，臨時(shí)接入總線(xiàn)段任意節點(diǎn)處進(jìn)行測量。診斷工具的使用，使總線(xiàn)和設備的維護變得容易多了。

實(shí)施和規范

    現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢很明顯，現場(chǎng)總線(xiàn)項目要獲得更大的利益，其工程項目實(shí)施執行和管理方式很重要，實(shí)施不當則不能體現其技術(shù)優(yōu)勢。 

    早期，項目如果采用現場(chǎng)總線(xiàn)，最大的障礙是工廠(chǎng)要自行開(kāi)發(fā)所有的工程程序、操作規程以及維護措施等。如果工廠(chǎng)不改變他們的操作方式，那么他們僅僅會(huì )獲得一個(gè)更好的DCS(分布式控制系統)，而不能在應用總線(xiàn)功能方面獲得提升。 但是現在，通過(guò)一系列的創(chuàng )新和經(jīng)驗積累，總線(xiàn)工程項目的設計和實(shí)施已經(jīng)有章可循。 

    ● 現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )制定了相關(guān)文件，包括工程設計指南和安裝指導等，以在項目設計階段提供幫助。 

    ● 控制系統供應商已配備經(jīng)驗豐富的技術(shù)顧問(wèn)，同EPC一起工作，針對特定的項目編制額外的文件，包括檢查表和功能性設計規范等。 

    ● 技術(shù)支持團隊都已接受過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)專(zhuān)業(yè)培訓。

    ● 設備供應商不斷完善設備管理解決方案，以促進(jìn)現場(chǎng)總線(xiàn)設備管理的執行，并將該管理融入到工廠(chǎng)資產(chǎn)管理軟件中。

解決原有系統存在問(wèn)題

    對于幾十年前應用的控制系統，備件是難以解決的問(wèn)題，必須對控制系統進(jìn)行改造。況且信號電纜的狀況也不容樂(lè )觀(guān)，到了必須更換的程度。對于舊控制系統的升級，主要的問(wèn)題是現場(chǎng)儀表。 

    過(guò)去的DCS系統，大多數使用專(zhuān)用協(xié)議，這樣，用戶(hù)只能從DCS廠(chǎng)商購買(mǎi)現場(chǎng)儀表，從而保證系統的互操作性。由于沒(méi)有可替代的備件，儀表維修的成本很高。 有些DCS廠(chǎng)商依然使用自己公司專(zhuān)用的通信接口、設備和非標設備，對用戶(hù)來(lái)說(shuō)，應該意識到這個(gè)存在已久的問(wèn)題。 

    支持EDDL技術(shù)的現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )實(shí)現了其總線(xiàn)標準的承諾。在舊有的控制系統升級時(shí)，主要的目標是從專(zhuān)有技術(shù)過(guò)渡到主流的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。 有些工廠(chǎng)開(kāi)始小規模應用現場(chǎng)總線(xiàn)，以便使技術(shù)人員熟悉現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)。 在一些應用中， 利用網(wǎng)關(guān)及Modbus將增加的控制回路集成到舊的DCS系統中，采用單獨的工作站實(shí)現現場(chǎng)設備的管理。 

    采用基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，用戶(hù)可以選擇多家供應商，以高性?xún)r(jià)比獲得現場(chǎng)設備。有些工廠(chǎng)通過(guò)“熱切換”將常規控制轉換到現場(chǎng)總線(xiàn)控制。  

    利用以上技術(shù)，將工廠(chǎng)的控制系統升級到數字化工廠(chǎng)架構變得容易執行，數字化結構的控制系統規?？勺?，易擴展和升級，為更好地管理現場(chǎng)智能設備創(chuàng )造了條件。

作者信息：

    Jonas Berge  艾默生過(guò)程管理公司  數字工廠(chǎng)技術(shù)專(zhuān)家