基金会现场总线技术及应用

基金会现场总线技术及其应用 周 勇 （北京华控技术有限责任公司重庆分公司 ）摘要：本文主要介绍基金会现场总线的技术概述和应用，包括H1、HSE、功能块模式、电子设备描述语言、安全仪表功能、标准和产品。Abstract：This paper mainly introduces FOUNDATION System Technology overview and application，includes H1、HSE、Function Block Model、EDDL、Safety Instrumented Functions、Standards and products。关键词：基金会现场总线、H1、HSE、功能块模式、电子设备描述语言、安全仪表功能、标准。Key words: FF 、H1、 HSE、Function Block Model、EDDL、Safety Instrumented Functions、Standards. 基金会现场总线在过程自动化领域是一个世界领先的数字化协议，它提供给最终用户“自由选择”最好的具有可互操作性的控制产品；在工厂自动化中“最佳集成”系统、子系统和设备，最终增强工厂设备的性能和极大提高商业效益。一、技术概述开放式、非专用的基金会现场总线体系结构对的每个智能设备提供一个通信协议通过全数字、串行的、双向的通信系统使其进入控制和仪表系统1、基金会现场总线H1H1主要用于过程控制、现场级接口和设备的集成，通信速率31.25KBPS，H1的现场设备如变送器与执行器，可以使用现场总线双绞线电缆供电和传输信号，也可选用光纤作为传输介质，支持本安（IS）应用，图1是 H1应用带来的益处。 H1设备组成功能块的应用，过程变量的发布与预订，传送报警与趋势，为主机访问和管理功能提供服务器功能。在一个现场总线段上，设备可以作为调度器；它们也可以是在控制系统中的总线接口或连接设备，具备调度总线通信和连接多个设备功能，支持客户和服务器应用。H1技术使得现场仪表与其它设备能够自行控制，因为H1网络是数字网络、省去了I/O转换子系统，因此减少了工厂工作站与计算机的负载。经过现场总线基金会测试与注册的设备，保证了不同制造商提供的设备的互操作性，这就使得终端用户为他们的应用选择最好的设备，而不管主机系统的由谁提供。大量已经采用基金会现场总线的应用验证了H1解决方案在现场控制的优点。例如：在石化行业的终端用户已经意识到先进的诊断降低了30的运行开销，同时用户也看到全数字的H1通信网络比传统的4-20mA模拟系统具有非常强大的抗电噪声能力。H1技术在过程工业中被广泛的接受，包含在国际IEC标准IEC61158中。2、基金会现场总线HSE高速以太网（HSE）主要用于控制主干网，通信速率100MBPS，用于设备、子系统和企业的集成。图2所示HSE的体系结构，它支持整个现场总线的特性，包括标准功能块和设备描述，以及为先进的过程与离散/混合/批处理应用的柔性功能块（FFB） 图2 HSE体系结构HSE支持如PLC所完成的复杂的逻辑功能，或如分析器和与其它网络连接的网关数据处理设备。HSE增强了通过连接设备访问H1现场总线技术，提供了为高速自动化设备与混合/批处理应用扩展性能。HSE使得工厂企业紧密集成和自由交换信息成为现实，HSE是一个基于以太网技术解决专用的最好方案，它提供不同厂家可以互操作的设备给终端用户。同H1一样，HSE也是一个国际标准（IEC61158）。HSE实现子系统级的集成，使得不同厂家的控制器和网关可以互操作， HSE技术从根本上支持网络和设备的容错。3、功能块模式基金会现场总线的体系结构中，基于块与设备描述的标准用户层使用统一的规范确保设备的互操作性。用户层使用资源块、功能块、变送器块、系统管理、网络管理与设备描述技术来定义功能块应用进程。 图3 功能块模式 资源块定义了整个应用进程相关的参数（如：制造厂商ID、设备类型等）。功能块封装所有的功能（如：PID控制器、模拟量输入等等），变送器块提供与如温度、压力、流量传感器与执行器等的接口。块保证了现场设备的功能性现场设备通过集成块来达到所希望的设备功能性，要实现一个较大范围内设备互操作的特性就必须采用一个标准的方法。例如：一个简单的温度变送器可能含有一个模拟量输入（AI）功能块，一个控制阀含有一个PID和一个模拟量输出（AO）块，仅仅通过一个简单的变送器和一控制阀就实现了一个完整的控制回路。每个块的参数使用对象描述，来定义在他们在现场总线网络上怎样进行通信。FBAP表示一个非常综合的应用模式，与协议结合，使得不同厂家提供的设备可以互操作。正如FBAP规定的，一个现场设备必须有一个资源块和至少一个功能块，通过输入输出参数连接到同一设备内或其它设备的其它功能块。连接对象定义了连接关系，每个传递的输入输出参数都有一个值和状态，每个状态参数反应出这个值是好、坏还是不确定。另外FBAP也定义了处理的控制模式、报警、事件、趋势报告以及视图对象，所有这些特性必须遵守FF协议，以保证在用户层的互操作性 现场设备分散控制，功能块执行的同步、参数在总线上的通信、所有设备日时钟的发布，冗余时间发布器的切换、设备地址的分配、总线上参数名称或标签的查找，都是由系统管理（SM）与网络管理（NM）来处理的。柔性功能块增强了现场的控制功能一个柔性功能块（FFB）是用户定义的块，FFB允许制造商或用户定义块参数以及算法，配合标准功能块和主机系统的应用。FFB增强了控制功能，这是FF重要的特性，它消除了在很多应用中对专用控制器的需求，减少了设备的价格和对空间的要求。4、EDDL电子设备描述语言由现场总线基金会共同参与的EDDL合作组织（ECT）与FDT集团达成一致，将共同致力于设备集成的统一方案，并使双方的技术相互兼容。 两大组织将共同工作，致力于一个共同的框架满足所有应用的需求，将来的技术开发，在客户、服务器的结构中，将使用OPC UA（统一框架）的一个子集。 EDDL是一个编程语言，用于创建在操作系统与人机界面环境下现场设备属性的设备描述，如常规的数字和模拟量模板、人机界面的显示、变送器、开关阀、调节阀以及闭环控制器的诊断。EDDL是如何工作的 EDDL是一种通用的，经过证明的获得诊断、实时和资产管理信息的最佳方法，这些信息包含在与可与主机相连的2千万现场仪表中，同时提供优化的数据和设备的互操作。EDDL是一个包含在现场设备中基于文本的变量描述，如流量、压力、驱动速度、环境温度、高低限、标定设置等等。描述定义了每个变量和访问它的方法。采用EDDL技术，用户可以标定仪表、诊断问题、为用户显示的界面提供数据、识别过程报警，以及为高层软件(如MES、SCADA、工厂历史纪录、管理资产和ERP)提供所需信息。一个真正不受平台约束的解决方案事实上世界范围内的过程控制系统的每个供应商，基于现场总线基金会、HART基金会、Profibus用户组织基金会的现场设备都支持EDDL，因此终端用户都很容易从EDD提供的设备数据受益。 一个EDD可以可用在任何地方：资产管理系统、过程控制系统、OPCUA服务器、主机解决方案、甚至手持器中EDDL增强功能EDD扩展了互操作的概念。EDDL支持设备的诊断、资产管理、用户界面的显示、棒图、趋势、设备签名和历史纪录功能。增强功能提交给了IEC，并于2006通过列入IEC618043。通过增强用户界面与数据存储功能，新的IEC618043性能大大提高。另外OPC基金会在2005年宣布在它的UA中使用EDDL作为描述技术。对于客户和服务器应用，OPC是一个标准的接口定义，一个OPC UA服务器提供设备和自动化组件数据，以及他们的EDD给客户应用（例如 HMI、MES、资产管理和设备应用）。通过标准的对话窗口、标准的文本、动态变量、图形、图表和档案文件显示，使用户界面创建更加容易了。不管设备协议或EDD过程环境怎样，用户界面和显示都有一个统一的表示形式，当然与数据相关部分是标准的，元素的形状与颜色是自己定义的。系统和工具的开发商能够从感观上反应出他们产品的设计理念；对于工具和运行系统的用户来说，这种方式使得所有设备都能够有一个统一的感观。当然所显示的信息都是从EDD中读取，完全是由现场设备的供应商决定。从1990年以来的EDDL是完全向后兼容的，多余2000万个兼容的安装在现场仪表，加上新的现场仪表纪进入一个控制系统，都能够毫无问题的访问。EDDL也包括新的数据存储功能，进一步增强了文档性。5、安全仪表功能 2006年初，现场总线基金会宣布：安全仪表系统规范通过TUV的协议类型认证，符合IEC61508标准，已达到并包括安全完整等级第三级（SIL3）。基金会的SIS概念是为SIS和过程自动化提供了一个共有的平台。6、标准基金会规范基于ISO/OSI分层通信模式，由三部分组成：物理层、通信栈和用户层。现场总线称27层为通信栈，OSI第一层定义物理层的连接，一层之下是物理介质。H1使用IEC61158类型1的1、2、7层；HSE使用14和第7层，14层由以太网和IEEE标准定义，第7层由IEC61158类型5定义。用户层现场总线基金会定义，兼容IEC61804和IEC61508 图4 FF标准一览二、 FF应用现状1、支持基金会现场总线的厂家2007中期，FF全球大家庭成员355家，已测试和注册了400多种产品，20种主机系统，全球已销售多台现场总线设备和10000套系统，2006年过程现场总线市场达到8亿美元，而FF覆盖了2/3的市场分额。2、FF在中国国家在“九五”期间,根据国际自动化发展的趋势,组织了国内主要的仪表制造商、公司、大学、科研院所进行科技攻关。承担单位开发出主设备、基本设备的通信栈，都已经通过现场总线基金会的国际测试注册，各仪表制造商已开发出样机。1997年中国成立现场总线中国市场委员会，属于国际现场总线基金会在中国的分支机构。现场总线技术在过去的十年得到大力成功的推动，目前这一技术已在石油、天然气、石化、冶金、电力、造纸、制药等工业中得到应用，在中国还诞生了几个世界级的现场总线项目，它们是上海赛科石化、南海壳牌、以及福建炼油项目。同时在国内一些企业也投入大量人力物力研发现场总线技术与产品，也取得了较大的进展。三、华控FF现场总线产品介绍北京华控公司作为现场总线基金会的成员，致力于中国FF现场总线的开发，帮助客户获得更好的商业成效。不管您的未来目标是产品的现场总线智能化、还是装备整个工厂、进行局部改造。您都可以依靠华控的技术、产品、解决方案及技术支持实现这一目标。图5 华控FF产品体系结构图如图5所示，华控FF产品主要分为三大类：FF系统级产品、现场级产品、教学系统。这些产品都在大型企业中得到应用，与其它国内外的同类产品一起共同完成过程控制。1、FF系统级产品HSE主控制器卡HK-FB6500FF H1现场总线通信卡HK-FB6100FF PCI插卡（HK-FF30S）FF设备管理软件（HK-Adms）FF组态软件（HKS-30S Config）FF OPC服务器(HK-FFOPC Server)2、FF现场级产品FF智能通信卡（HKFF990）I/FF电流现场总线转换器模块（模拟量输入模块HK-FB601）FF/I现场总线电流转换器模块（模拟量输出模块HK-FB605）现场总线数字量输入模块(HK-FB606)现场总线数字量输出模块(HK-FB608)FF智能温度变送器FF压力变送器(CDS-3151)FF阻抗匹配器(HK-FB61