FF总线：基于FF标准的现场总线模板实施方案

FF（Foundation Fieldbus，现场基金会总线）现场总线成立于1994年9月，是一个非营利组织，由World FIP的北美部分和ISP（Interoperable System Protocol）合并而成。基金会的成员是约120个世界最重要的过程控制和生产自动化供应商和最终用户。这些公司对世界范围的现场总线标准提供了有力的支持，并且为IEC／ISA现场总线标准的发展做出了主要贡献。FF总线既不被任何单个的公司拥有，也不被单个的国家或标准组织控制。1996年发布FF通信协议第一版H1（31.25 kbps）IEC 61158总线国际标准的类型1；2000年11月1日公布HSE（100 Mbps高速以太网）IEC 61158总线国际标准的类型5。FF系统是为适应自动化系统、特别是过程自动化系统专门设计的：它可以工作在工厂生产的现场环境下；能适应本征安全防爆的要求；还可通过传输数据的总线为现场设备提供工作电源。

FF的协议规范建立在ISO／OSI层间通信模型之上，它由物理层、通信层和用户层3个主要功能部分组成。

7.4.4.1　FF总线的优点

FF现场总线保留了4～20 mA模拟系统的许多理想特征，比如线缆的标准物理接口、单根线缆上的总线供电设备、复杂的安全选择。它也部分地继承了HART协议行之有效的技术，如设备描述技术。但除此之外，它还有许多其他的优点：

（1）设备互操作性。在具有互操作性条件下，同一现场总线网络中一个设备可以被来自不同供应商的具有增加功能的相似设备所取代，而仍保持规定的操作，这就允许用户“混合和搭配”不同供应商的现场设备和主系统。

（2）可改善过程数据。在FF现场总线上，从每个设备得到的多个参数可以传至车间控制系统，它们可被用作数据存档、趋势分析、过程优化研究和生成报表，其目的是增加产量和减少停工时间。

（3）对进程有更多的了解。采用强大的、基于微控制器的通信功能的现场总线设备，可以更快、更准确地识别过程错误。

（4）提高工厂设备安全性能，满足日益严格的控制设备安全要求。

（5）提供预测性维护能力。

（6）FF现场总线大大减少了网络安装费用，构建和运行启动时间大大减少，可以利用总线设备中的软件控制模块简化编程和控制功能。

7.4.4.2　应用实例：基金会现场总线在海洋石化工作中的应用

海南中海石油化学有限公司大化肥项目净水厂装置处理能力为30 kt／a，于2002年12月建成投产，为600 kt／a大化肥装置提供必要的供水和全装置消防供水，在设计中又把原一期水厂的监测与控制信号引入系统。该系统对于来自装置内的水包括工业循环水、市内水厂、消防水管等水量进行净化处理，经过提升泵房加压，然后送至二期主装置地下管网和消防水管网。因此，要求系统对清水池液位和消防水管压力等进行严格控制。

1.净水厂方案及实施

1）系统方案

该控制系统选用先进的FCS，选取适合于过程控制并符合FF协议的Smar公司的Sys⁃tem302现场总线控制系统，选配与FF协议有良好通信功能的数据处理装置可编程控制器LC700，系统配置如图7-16所示。系统主要控制罐区内部储存水并进行处理，保证对主装置安全稳定地供水，要考虑到操作简便、组态容易、易于维护，同时完成工艺报表及计量等功能。

图7-16　系统配置图

该系统完全体现了FCS的以下特点：(www.xing528.com)

（1）以数字信号完全取代传统的4～20 mA模拟信号，且双向传输。一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个现场设备（16台或32台），在该项目中，每条总线挂接14台现场总线仪表，因而仪表电缆、接线端子、槽盒、桥架等的用量减少40%，连线设计与接头校对工作量也相对减少。同时，通信总线延伸到现场传感器、变送器、控制器和伺服机构，操作人员在控制室就能实现主控系统对现场设备的在线监视、诊断、校验和参数整定，节省了硬件数量和投资，并且给现场仪表诊断和调校带来了极大方便，不必运用设备到现场进行检测。

（2）对于传统DCS的3层结构，即工程师站、操作员站、I／O和通信网络而言，现场总线在结构上只有现场设备和操作管理站两个层次，将传统DCS的I／O控制站并入现场智能设备，取消了常规I／O模件。现场仪表都是内装微处理器的，它们各自进行数据采集、线性化处理或校正运算处理、报警判断以及控制算法功能等，输出的结果直接送到邻近的控制阀，把所有的控制策略组态下装到现场仪表中，完全不需要经过控制室主控系统，从根本上改变了传统DCS集中与分散组合的结构体系，实现了系统结构上危险的彻底分散，更减少了控制室内主控系统的运算量，确保了系统的安全性和可靠性。

2）方案实施

System302系统和FB700现场总线模板的功能块是基于FF标准开发的，所有现场仪表的组态和画面流程图的绘制完全采用图形化结构，而且具有在线仿真功能，调试检修方便，大大减少了现场调试工作量。模拟量可以通过现场总线变送器或者传感器直接采集、运算并实现控制等功能，再通过执行机构控制现场设备，同时把数据上传到计算机进行监控、修改控制策略、控制参数调整等设定。对于现场采集的一些需要进行联锁控制的数字信号可以通过FB700数据从现场总线变送器传送至可编程控制器LC700，在LC700内部进行联锁控制。对于从现场直接采集来的数字信号，可以直接通过I／O卡件送至LC700内部进行联锁控制。对于现场仍有的一些4～200 mA信号仪表，可以通过总线仪表IF302（电流／总线转换器）转换成数字信号进行传输与控制。在通信方面采用工业以太网、工作站和控制器构成控制网络的节点。监控软件采用OPC协议，符合Server／Client协议，使数据库的建立、系统维护与扩展更方便。

2.控制方案设计

System302系统和LC700全部卡件可以带电热插拔，一经上电，系统将自动识别其类型，自动传输组态策略。

1）系统功能

（1）控制功能：System302系统的功能块完全按FF标准设计，且功能块多，控制和运算功能丰富，可以涵盖各行业的各种控制和运算。用户能方便地定义多种处理速度，以不同速度运算连续控制和联锁逻辑控制，并且能在线编辑和修改。

（2）画面功能：System302操作员站具有丰富的画面，为操作员了解生产过程状态提供了足够多种类及数量的窗口。总貌画面显示系统各设备、装置、区域的运行状态以及全部过程参量的状态、测量值、设定值、控制方式（手动／自动状态）、高低报警等信息。分组画面以模拟仪表的表盘形式按事先设定的分组，同时显示几个回路的信息，对不同的控制，如调节回路、开关量控制，分组画面上有相应的切换按钮，操作人员可以根据过程运行情况改变控制方式。流程图画面用图形方式加动态数据显示，形象地显示过程装置流程及流程中各变量的大小。流程图画面包括仪表位号和图形符号，采用可变颜色、图形闪烁等动态形式显示现场情况。

2）系统硬件配置

System302系统操作员站具有工程师站的属性，能实现控制回路组态、画面生成、报表生成、过程趋势和参数设定，采用Windows 2000平台，通信和电源均为冗余配置。每套操作员站能装入3 200个位号，可生成1 024幅流程显示画面和256幅报表，并具备系统组态和调试功能。现场总线控制卡（PCI302）、现场总线压力变送器（LD-302M）、电流总线转换器（IF302）、现场总线液位变送器（LD-302L）采用冗余配置。LC700中央控制单元处理器、供电电源、现场总线模板、电流输入模板（4～20 mA）、离散量输入模板、离散量输出模板等全采用冗余配置。

3）系统软件

该套FCS软件包括系统监控软件、现场总线仪表的组态软件、逻辑控制站的组态软件。System302系统监控软件即人机界面软件具有很强的功能，可以识别与诊断系统所有硬件或设备的工作状态，主要功能有菜单画面、流程画面、控制分组画面、回路参数画面、趋势曲线画面、过程趋势和参数整定、显示画面、历史数据报表、操作员站与现场总线仪表的控制策略和采集控制站的通信等组态。现场总线仪表的组态软件完成对所有现场总线仪表的控制策略和测量的组态。逻辑控制站组态软件完成对该站的采集和控制策略的组态。

3.典型回路应用

生产泵房总管线压力可以由LD-302M直接测得并把所测物理量直接进行PID运算处理，结果直接输出到控制阀，实现常规或者复杂的过程控制，运算结果或者数据显示被上传到上位机进行监视；同时若在LD-302M的AI模块内部设定了报警值，则可以直接把报警信号通过H1总线传送给安装在LC700中的FB700，通过FB700内部的标准模块MDO（多路数字量输出），信号直接被LC700接收，在LC700内部可进行有关复杂的逻辑控制运算，输出的离散量可以通过LC700上挂接的常规I／O模板输出信号去控制电动机的动作或者进入其他设备或系统，如图7-17所示。

图7-17　现场总线控制回路框图

通过现场总线技术的实际运用，可以看出其与PLC配合应用的强大功能，特别是对于现场采集的信号既进行模拟量控制处理又进行联锁逻辑处理的能力非常强，既体现了现场总线的优势，又发挥了PLC的逻辑处理能力。目前，该套系统运行良好，操作简便，维护容易，控制与计量精度高，达到了预期设计和应用目的。