现场总线技术已发展近20年，由规划、研发、试运行及贯彻始终的标准规范制订工作，已进入工程实践阶段，这是一个可喜的局面。特别是我国广东的中海壳牌南海项目及上海赛科乙烯项目，全面采用基金会现场总线技术，分别由横河和爱默生-罗斯蒙特承包。其中横河总承包的800kt/y的乙烯、240kt/y的乙二醇、560kt/y的单体苯乙烯以及氧化丙烯（SMPO）等，预计2005年12月正式投产，横河与CSPC（Shell石油化学）、BSF（Bected、SinopecEngeneering中石化工程公司、FosterWheeler）合作，共同对控制/信息管理系统的方案、结构进行设计，横河提供基金会现场总线的设备和工程支持工具及Intools的接口软件等。
　　
　　该项目规模庞大，除上述FF现场仪表外，还有DCS（含PRM工厂资源管理器）、IPS（仪表保护安全系统）、FGS（火焰气体系统）、MAS（移动自动化系统）、PIMS（工厂信息管理系统）、OTS（操作培训系统）等共计控制站100台、操作站/工程师站106台、399面盘，划分17个域，全面采用现场总线技术和管控一体化技术，均属上规模zui大、技术的工程之一。
　　
　　与此相对应，现场总线基金会于2003年底发表了“基金会现场总线系统工程指南”（AG-181）1.0版本，共11章。除简介、参考文献、定义及文档、工厂验收（FAT）、现场安装外，详细列出了基金会现场总线设备与传统模拟仪表或以前的智能仪表的差别，并规定了工程实践中的要点。
　　
　　以下基金会现场总线以FF表示，不特别指明均为FF-Hl，至于FF-HSE并未作规定，主系统与软件组态中的规定，对于FFHSE与FFHl构成的FCS现场总线控制系统也适用。
　　
　　本文将分现场设备和辅助设备、网段设计、主系统、软件组态4部分，介绍给读者，并谈谈对FF系统工程的体会。
　　
　　一、现场设备和辅助设备
　　
　　按照常规仪表说法，FF现场仪表是指温度、压力、流量、液位变送器、成分分析在线仪表及调节阀、执行器等。但要成为FF现场设备，必须支持基金会现场总线功能，支持上位系统在线执行相关程序，应符合现场总线注册库要求，要具备FF“设备校验”标志，保证设备互操作性。
　　
　　关于现场设备功能块，总的要求是能在现场设备中构成控制回路或现场总线控制系统，即功能块实现控制策略，有两种类型的用户应用块，即控制应用块（或称功能块FB）和设备应用块，设备应用块包含资源块（RB）和变换块（TB）。通常称有资源块、变换块和功能块3类。
　　
　　功能块:为实现控制系统所需的不同功能，用户需要根据自己的实际应用需求来选择功能块。有标准、*和附加3类功能块，其中标准功能块10种（或称基本功能块）、*功能块19种、附加功能块5种，详细请查阅FF。
　　
　　如下功能块的应用存在一定限制:Al用于变送器，AO和PID用于阀门，Dl/DO用于离散设备，FF功能块的测试只包括功能块的外观及外部接口行为，并不包括其内部性能。除上述标准块外，还提出了增强块和实例化块概念，实例化块更便于实现互操作性。功能块的构成如图1所示。　　
　　资源块:描述现场设备的特征，如设备名称（设备类型和版本）、生产商和系列号。每台设备中只能存在1个资源块。它是FF设备中*的强制块。它表述了现场设备的本地硬件对象及其相关运行参数，即包含ID（身份）信息以及与所有资源或资源状态相关的基本信息，包含设备是否正常运行和操作的信息，包含写保护并支持仿真等。
　　
　　转换块:它包括诸如校准日期和传感器类型的信息。它把功能从读传感器和命令输出与硬件的本地输人/输出功能分开。即它可以实现设备的参数化、
　　
　　标定和诊断。通常设备的每个输人或输出均有一个TB通道，总之，转换块表述了现场设备的1/0特性，如传感器和执行器的特性。
　　
　　设备诊断:这是FF的重要功能，现场设备应提供设备测量或控制过程的关键信息，包括基本诊断、诊断和过程诊断3种，
　　
　　基本诊断是那些可以从任何过程控制主机上看见的设备故障诊断，它有助于确定设备、通信路径和主机中常见的故障，当诊断显示设备失效时应强制切换至手动状态。基本诊断又称为公共诊断。
　　
　　诊断包括所有设备诊断，无需取下设备就能够确定设备的运行状况。包括在线和离线方式，扫描形式有动态扫描和步迸扫描。
　　
　　过程诊断是指过程运行时执行的测试。它允许维护人员比较主机动作、执行器动作、输出设备动作和过程动作，方法是改变输出设备值，百至超出其组态的zui大偏差。
　　
　　一个FF设备可以是两个或多个逻辑现场设备，或称之为虚拟现场设备（VFD），VFD用于远程查看对象辞典（OD）中描述的本地设备数据，它包含设备的物理和资源数据的管理，资源数据包括虚拟通信资源VCR。
　　
　　指南中现场设备供电、工作条件及工厂组态等部分的说明，这里从略，
　　
　　关于辅助设备:有主配电电源、电源调节器、终端器、中继器、接线盒。主配电电源将22.0V/l20V"AC转换为24VDC的供电电源，或由UPS供电，经每个网段的电源调节器后，总线电源电压约为1gVDC，具体有冗余、隔离、均分负载、电流限制及报警等方面的要求。另外，每个网段的终端器为两个。
　　
　　二、网段设计
　　
　　FF网段拓朴分树型拓朴、分支拓朴和混合拓朴，另外明确指出，由于不适合于维护，不要采用菊花链拓朴。树型拓朴适用于改造项目、现场设备密度高的特定区域和采用高速以太网（HSE）等场合;分支拓朴适用于安装并且设备密度较低的区域，通常分支拓朴不是一种经济方案。混合拓朴如图2所示。　　
　　对使用电缆类型，指南中有详细规定，安装采用规定的单独屏蔽的双绞线对和全屏蔽电缆线号为18GA（0.8mm2），ITC型号，并给出电缆特性列表。应有特殊颜色与传统4～20mADC电缆相区分，并指出如各线对彼此屏蔽现场总线信号和4～20mADC信号可以在同一根多芯电缆上传送等。电缆应采用热塑性弹性体（TPE）的阻燃绝缘，并且其颜色和极性应与现有设备统一，应具备适合的电气区域等级和可适用于室外电缆槽安装等性能，电缆套管可采用阻燃的聚氯乙烯（PVC）。
　　
　　如没有采用上述类型电缆，应施加现场总线的诱导信号，测试包括供电电源出线端和电缆远程端的信号捕获，
　　
　　现场总线网段zui大允许长度为1900m。网段长度=主干长度+所有分支长度。以上长度为保守值，支支长度为1～200m，每个分支只能连接一个FF设备，推荐分支长度为30m。
　　
　　主干线电缆、电源、接地和避雷保护、网段风险管理（分4级阀门和网络/网段）都有明确规定。关于多变量现场设备，属AI功能块类型的多变量变送器只能用于一个控制回路，其它变量只用作监视;属于MAI功能块的多变量变送器，各变量只用于监视。
　　
　　FISCO现场总线本质安全概念模型由德国联邦物理技术研究院和上多家生产制造商联合完成，具体工程除参考本指南外，还要阅读相关的标准和规程。提出和发展FISCO的目的是:在保证能量级不会引起爆炸的同时，为现场总线网络/网段提供供电。由于多个现场设备共同的直流电源受到限制，长电缆和终端器储存的电容能量，传统本质安全装置和互联规则限制了本质安全系统的应用。具体给出了EEXiaⅡc和EExibⅡC/ⅡB防爆等级的FIS-CO参数。
　　
　　基金会现场总线负载由下列4个参数的zui小值决定，即网段风险管理、备用容量、网段执行时间、电压降和电流限制。备用容量在网段设计时应预留25%，具体设计时还可以预留添加1个控制回路（即1个变送器和1个zui终元件）。网段执行时间缺省值为1s。建议1个网段zui大设备数为:带监视器的只测量的网段为12个设备;要求执行时间为1s的网段为带4个阀门的12个设备;要求执行时间为0.5s的网段为带2个阀门的6个设备;要求执行时间为0.25s的网段为带1个阀门的3个设备。
　　
　　电压降和电流限制决定的zui小值，必须对每个FF网段进行分析，计算出的设备电压，必须超过设备zui低工作电压4V（即为9+4=13V），这为将来向网段添加设备时预留的裕量。又如工厂单个设备的电流不超过15mA，输出设备电流不超过25mA，网段设备不超过16个，网络长度不超过1000m，又16个输入设备都位于总线的zui远端，总消耗电流为16x15=240mA。1kml8#回路的阻抗为44Ω/kn，线路电压降为44x0.24=10.6V。供电电源的zui低电压为10.6+9=19.6V。
　　
　　FF网段还要计算虚拟通信资源VCR及为网段、分支、回路、仪表命名。
　　
　　三、主系统（主机系统）
　　
　　基金会现场总线主系统、主机系统、FF主机、主机、系统主机（及上位机）几种名词含意一致，都是指与FFHl（速率为31.25kb/s）的现场总线网络/网段相连的并通过HIST主机互操作性测试的系统。系统应采用标准产品（标准硬件、系统软件和固件），系统软件和固件经配置后应能满足规定的要求。
　　
　　HIST技术规范为FF-569，一般由现场总线基金会人员监督执行，但也指出对于不支持规定HIST性能的FF主机系统，在*评估主系统性能局限性后，项目工程师和项目负责人应以书面方式批准其使用。关于FF-569设有定义FF主机的性能和组件，主机可以是组态工具、记录装置、报警显示面板、人机界面或组合功能，这些为生产DCS或大系统集成商以外的自动化系统配套厂家开发与FF配套的产品，创造了机会。
　　
　　为了制定一套可操作的测试程序，FF-569定义了一套通用的FF主机性能指标，可在主机内实施部分或全部性能。这些性能包括:设备位号分配、设备地址分配、全连路主设备的组态、块位号组态、块实例化、标准块、增强块、客户块、功能块链接组态、FF警示组态、FF警示处理、FF趋势组态、FF趋势处理、设备描述（DD）服务、DD方法的执行、DD菜单处理、DD编辑显示处理、能力文件等项。另外，关于通过主机在线下载升级软件到现场设备的性能，在不久的将来将成为主机测试的要求。
　　
　　对标准产品还规定:来自FF设备的信息不得以I/O通道的方法映射到系统中，实现控制策略时，可直接采用驻留在设备中的功能块。
　　
　　对主机系统备用容量和扩展作了规定:为所有组件进行系统配置时，每个系统至少要预留10%的备用容量，这包括应用软件、图形、历史、报表和趋势。基本系统中要为各类I/O预留10%的备用容量。建议为底板和编组端子预留10%～50%的空间，组件保留20%～25%备用容量。自动化系统内部的通信网络应预留10%节点地址，当新设备连接到控制网络时，通讯网络能够自行利用网络自寻址技术（即插即用），自动为其分配*的新控制器地址。每Hl模块至少可以带两个网段，每个网段至少能带16个FF设备。
　　
　　作为一种主系统，当今常用的DCS应支持基金会现场总线功能，即DCS主系统功能应能与基金会现场总线的如下性能实现集成:自动节点寻址;互操作性;利用标准DDL（设备描述语言）对设备直接组态;FF设备运行、维护和诊断数据的直接集成;调整参数、模式、报警和数据质量;无需调试和启动延迟，应具备向现有网络/网段（例如设备位号/占位符）中添加新的现场设备，并且可以进行全部组态;无需关断网络，在主系统运行时就能实现现场设备的组态;应提供设备能力文件。
　　
　　主系统数据传输功能应能够将第三方数据库系统集成到现场总线设备中。如果采用OPC（过程控制的OLE），应保证该产品通过"OPC兼容测试"。
　　
　　主系统作为组态工具，应提供在线和离线组态工具，组态工具应具备多用户和多实例功能。对系统集成能力要求做到:所有主FF功能，包括工程、组态、维护和操作显示功能，应集成到单个无缝主系统中。工程、组态、维护和操作性能应能够与传统模拟或离散I/O、智能HART和I/O、基于总线的I/O和FF系统实现兼容和无缝集成，而且建议:不要采用只针对FF并且与传统系统不兼容的独立软件工具、显示或程序。在方法和外观感觉上，主FF组态与传统组态应相一致。做到将FF功能映射到功能块时，控制系统采用的内部镜像或阴影功能块应对组态工程师、技术维护人员和操作员*透明。组态和操作都应采用单个、*和独立的功能块和参数位号名。利用相同的组态工具，FF和传统控制策略都能够以无缝和透明方式实现主控系统数据库的保存、恢复和部分下载。这些都反应了现场总线基金会充分考虑了自动化系统的继承性和包容性，保护了zui终用户的利益，也保护了现有自动化设备制造商的利益，更有利于FF新产品融入自动化市场，为广大用户所接受，这也就是今后相当长的时期内，流程工业自动化系统PAS发展的趋势。
　　
　　离线FF组态是指网络/网段或FF设备未连接时的FF策略组态。主机方能够组态所有的FF功能块和参数，并支持DD服务和通用文件格式（CFF）的技术规范。关于透明管理宏周期调度，要保持zui小不受调度的非周期时间，而且安装时至少预留70%不受调度的非周期时间。
　　
　　对主机系统冗余和稳定性、故障排除、维护和诊断、诊断和基于计算机的维护、评估标准几方面都作了规定。
　　
　　四、软件组态
　　
　　组态（Configuration）一词定义是：为满足系统要求，对硬件模块的物理安装;或满足系统要求时对软件选项的设定。指南中还指出所谓"可组态的"含义是选定并连接标准硬件模块创建系统的能力;或在不修改或更新软件的前提下，通过修改参数改变功能或改变软件功能的能力。这些定义作为本节的开场白，对大家理解软件组态的重要性很有利。
　　
　　组态过程中，控制系统图形和FF有关图形均应满足zui终用户图形的现有标准及提供丰富的附加说明（包括设备状态报警、FF趋势和警示）。
　　
　　基金会现场总线节点地址是网段描述该设备的当前地址，节点地址范围为0～255。分配如下:0～15预留;16～247是*性设备使用的地址，一般低位号为上位通信和主机接口，部分高位号分配给在线现场设备（为提率，该范围通常要缩小）;248～251是非*性设备使用的地址，如新设备或停用的设备;252～255是临时性设备使用的地址，如手持工具。
　　
　　此外设备位号命名、控制策略/模块命名、基金会现场总线块命名都有规定，这些在P&ID上标明，其中后缀及一个设备中多个相同的块的命名实例如图3所示，如其中设备TT温度变送器1000中，存在2个模拟输入信号分别采用AI_l和Al_2标识。　　
　　关于控制功能本地化，模块按P&ID标明的位号进行命名，如图4所示，控制块可以在现场设备或主控制器中执行。如为基于现场的控制，采用PID控制算法的设备应在相应的网络/网段图纸上标明，并包含粗体字母P，对于现场设备中的单回路PID控制，组成控制回路的所有功能块都应驻留在相同网段中（通常PID放置在控制阀门定位器中）;如果不能驻留在同一网段上，可将PID控制算法放在主系统中（如DCS控制站内）。关于串级控制，优先考虑的组态为同一网络/网段上的各串级回路功能块和设备的定位，主PID控制器应驻留在主测量变送器中，而副PID控制应驻留在zui终元件中;另一种情况的串级控制，主PID控制器驻留在中央控制器/主机中，副回路功能块和设备位于相同的网段上，副PID控制可以驻留在zui终元件中。
　　
　　决定PID位置时，需要考虑执行时间，诊断、故障模式和操作员访问等。和传统控制系统一样，也需要确定回路和设备故障模式时每个控制回路故障保护的正确动作。
　　
　　各组态选项和缺省值应该制定控制策略的指南文档，并由zui终用户工程代表审核和批准，因为它构成"非正常"状态下设备和控制系统行为的组态基础，这对于工厂的安全和可靠操作至关重要。指南文档应重点突出FF和非FF控制策略组态或操作之间的差别，还要考虑包括主系统的设置、设备和资产管理软件的组态选项和缺省值。
　　
　　指南文档应提供各类典型功能块和控制模块的叙述，详细描述参数的设置和后继块/模块的操作，叙述性讨论的内容包括参数组态、信号"状态"的操作、无效值确定、故障模式切换、初始化性能、防止复位的限幅性能等。实例制回路的一些缺省值设置示例如下:
　　
　　（1）对于无效的PV（过程变量），回路模式应切换到手动方式，该状态产生报警并在图形上显示，面板颜色变化并且数据显示消失。
　　
　　（2）回路模式应忽略可疑的PV，该状态不会引起报警，但是图形上将显示，同时面板颜色变化。
　　
　　关于报警和警示，现场总线包括15个报警优先级，映射到主系统中，如在DCS中表现为:无动作（1级），日志（2～4级），低（5～7级），高（8～11级）、紧急（12～15级）。主机必须支持现场设备的时间同步和报警时间戳功能。
　　
　　通信错误，误操作（诊断）或故障，现场设备将产生警示。警示是报警和事件的统称。报警由发生和zui终清除（消失），会生成两个报告，而事件只是发生一个报告。FF系统利用警示向用户通知设备的各种状态。
　　
　　基金会现场总线能够采集zui近165个过程变量和状态点的趋势，并且提供每个网络/网段的时间戳。
　　
　　关于网络通信和调度，FFHl的数据链路层LAS链路活动器负责现场总线上所有通信的协调，完成令牌传输控制，保证数据传输服务和链路时间同步服务，一般在主控制系统冗余Hl网络接口插件中，其网络/网段执行时间、宏周期、网络/网段调度均应留有裕度，保证各周期内有足够的非调度时间以传送非周期（维护和组态）信息。
　　
　　PID块的失效率必须设置为zui小值3，以保证执行给定值跟踪的动作。
　　
　　关于VCR虚拟通信关系，或称虚拟通信资源，在组态复杂控制策略时，必须要注意现场设备和主系统支持的功能块和VCR的数量。一般情况下，现场设备做不到支持更多的功能块和VCR数量，所以复杂控制策略应更多的放在主控制器（如DCS的控制站）中。为了看清楚如图5所示的例子，先作如下说明:基金会现场总线的通信模型中分4个层次，即物理层、数据链路层、应用层和用户层，但按功能分有3部分，即通信实体、系统管理内核和功能块应用进程，各部分之间通过VCR来沟通信息，所以说虚拟通信关系是组态的应用层通道，可为应用程序提供数据传输。基金会现场总线描述了3类VCR虚拟通信关系:发布方/预订方、客方器/服务器和源点/受点。VCR包括在网络管理信息库（NMIB）中，VFD虚拟现场设备对象的寻址由虚拟通信关系列表中的VCR隐含定义。
　　　　图5为复杂控制策略的实例，图中MIB为管理信息库，Prim.Host和Sec.Host为主副主机，Aleris为警示，Trends为趋势。两个AI块和PID块驻留在同一设备中，AI-l与PID块相关，AI-2将其数据发送给其它设备，此时对VCR要求如表1所示，VCR总线为:l（AI-2）+2（PID）+5（基本设备）=8。
　　
　　在系统工程指南中，还要求主机系统组态工具和数据应具备所有功能块和模块数据的导入/导出功能，其格式包括:逗号分隔符、MicrosoftExcel、text、MicrosoftAccess、SQL。主机应能够利用导入的数据下载所有的功能块。下载功能包括控制功能、调度和初始化，导出并更新外部数据库。对操作员显示方面，要求做到过程可视化、高置信度、安全、便于使用、高利用率、便于维护管埋、软件版本升级时无需停止生产过程等。对系统管理、控制和数据处理、系统组态工具、显示等方面也提出一系列的严格要求。
　　
　　面对FF进入工程实践阶段，我国应以企业为主体，在抓紧研发FF现场仪表和主系统及通过FF注册和互操作性认证的工作外，要结合　　
　　引进乙烯工程消化吸收和普及FF应用技术在系统工程指南中，还要求主机系统组态工具和数据应具备所有功能块和模块数据的导入/导出功能，其格式包括:逗号分隔符、MicrosoftExcel、text、MicrosoftAccess、SQL。主机应能够利用导入的数据下载所有的功能块。下载功能包括控制功能、调度和初始化，导出并更新外部数据库。对操作员显示方面，要求做到过程可视化、高置信度、安全、便于使用、高利用率、便于维护管埋、软件版本升级时无需停止生产过程等。对系统管理、控制和数据处理、系统组态工具、显示等方面也提出一系列的严格要求。
　　
　　面对FF进入工程实践阶段，我国应以企业为主体，在抓紧研发FF现场仪表和主系统及通过FF注册和互操作性认证的工作外，要结合引进乙烯工程消化吸收和普及FF应用技术，使之尽快在实际流程工业生产中发挥作用。