基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黃仍杰，沈樓燕，唐國(guó)標(biāo)，張帆，李宋江

（1.中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330031；2.中鐵資源集團(tuán)有限公司，北京 100089）

數(shù)字化轉(zhuǎn)型是制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)［1］。相比于企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）和制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)是最貼近生產(chǎn)制造的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)感知生產(chǎn)狀態(tài)，直接執(zhí)行上層管理系統(tǒng)發(fā)出的生產(chǎn)指令。工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的操控實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性直接決定了制造企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和能耗。所以，工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的數(shù)字化發(fā)展是企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和綠色發(fā)展的必經(jīng)之路。

現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在工業(yè)過(guò)程控制場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，是一種開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)，常用于儀器儀表、閥門定位器等現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和執(zhí)行裝置與上位控制系統(tǒng)的數(shù)字化通信，同時(shí)也支持現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、設(shè)備級(jí)的可編程控制器（PLC）、遠(yuǎn)程I/O站（RIO）和更高一級(jí)的控制系統(tǒng)組成工控網(wǎng)絡(luò)。在大量的實(shí)踐應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以數(shù)字化的手段把封閉、專用的應(yīng)用場(chǎng)景變成了公開(kāi)化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，把不同廠商生產(chǎn)但遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動(dòng)化設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)組成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化［2］。

1 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線概述

1.1 開(kāi)發(fā)背景

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF，foundation fieldbus）是在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。其前身是以Fisher Rosemount 公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80 家公司制訂的可交互操作系統(tǒng)協(xié)議（ISP，Interoperable System Protocol），并以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地的150 家公司制訂的工廠儀表世界協(xié)議（WORLD FIP，World Factory Instrumentation Protocol）。上述兩大陣營(yíng)于1994年合并，成立了基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線，致力于開(kāi)發(fā)出一種國(guó)際上統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議［3］。

1.2 與Profibus-PA總線技術(shù)的比較

作為使用最為廣泛的兩大現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線與Profibus-PA 現(xiàn)場(chǎng)總線最顯著的區(qū)別是：Profibus-PA 是“主—從”協(xié)議，即通過(guò)耦合器（Coupler）掛接的方式將支持Profibus-PA 協(xié)議的節(jié)點(diǎn)集成至Profibus-DP 主干網(wǎng)，而基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線是“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”協(xié)議，儀表通過(guò)FF H1卡直連高速以太網(wǎng)，如圖1所示。

圖1 Profibus-PA與FF的組網(wǎng)方式區(qū)別（a）PA組網(wǎng)；（b）FF組網(wǎng)Fig.1 The difference between networking modes of Profibus-PA and FF（a）PA networking ；（b）FF networking

由于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)點(diǎn)并無(wú)“主—從”之分，閉環(huán)控制邏輯既可以在集散控制系統(tǒng)（DCS）/可編程控制器（PLC）的控制器參與下完成，也可以僅在節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間完成（參與該回路控制的支持基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的變送器和閥門定位器應(yīng)分配在同一個(gè)FF H1網(wǎng)段）。

2 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的工程應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線是專門用于過(guò)程控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。它取代了4～20 mA 模擬信號(hào)和開(kāi)關(guān)信號(hào)，將變送器、分析儀器、調(diào)節(jié)閥定位器和開(kāi)關(guān)閥等儀表接至DCS、PLC、遠(yuǎn)程終端設(shè)備（RTU）和其他自動(dòng)化系統(tǒng)［4］，具有諸多優(yōu)勢(shì)。

2.1 節(jié)省電纜和安裝空間

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的“主干-分支”通信結(jié)構(gòu)決定了其并不需要每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)都通過(guò)單獨(dú)的線纜與上位系統(tǒng)直接聯(lián)系。在工程應(yīng)用中，每個(gè)FF H1網(wǎng)段平均最多可掛接8臺(tái)儀表，大大減少了儀表電纜總用量以及控制系統(tǒng)I/O 通道模塊和控制機(jī)柜的數(shù)量［5］。線纜和模塊的減少，使控制柜內(nèi)線纜和模塊的布局更加整潔，便于理線和擴(kuò)容，如圖2所示。

圖2 FF分配器接線盒Fig.2 FF distributor junction box

2.2 傳輸速率高

傳統(tǒng)二線制儀表使用的Hart 協(xié)議采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK 頻移鍵控信號(hào)，即在低頻的4～20 mA 模擬信號(hào)上疊加幅度為0.5 mA 的音頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通信，數(shù)據(jù)傳輸率為1.2 kbps［6］。基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線則有兩種傳輸速率，F(xiàn)F H1是一種速率為31.25 kB/s 的中等速率局域網(wǎng)，通常用來(lái)連接儀表、閥門；FF HSE/H2 則描述了一種速率為1.0 MB/s 和2.5 MB/s 的基于以太網(wǎng)協(xié)議工作的一種總線網(wǎng)絡(luò)，通常用來(lái)連接I/O 站、子系統(tǒng)［7］?？梢?jiàn)，基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線相比4～20 mA Hart 在數(shù)據(jù)傳輸速率上有質(zhì)的飛躍。

2.3 穩(wěn)定性和抗干擾

傳統(tǒng)的模擬量信號(hào)用電流強(qiáng)度擬合特定數(shù)值，如果傳輸4～20 mA 電流信號(hào)的導(dǎo)線受到電磁干擾，或組態(tài)過(guò)程中某工作環(huán)節(jié)出現(xiàn)紕漏，都有可能因信號(hào)失真、通道錯(cuò)誤、量程錯(cuò)誤等原因?qū)е律a(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)獲取不準(zhǔn)確甚至執(zhí)行錯(cuò)誤。在基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)體系下，現(xiàn)場(chǎng)儀表、調(diào)節(jié)閥被升級(jí)為以微處理器為核心的數(shù)字化設(shè)備，彼此之間通過(guò)雙絞線、光纜等介質(zhì)以總線拓?fù)湎噙B，網(wǎng)絡(luò)通信采用基帶傳輸，避免了模擬量信號(hào)失真、延遲等風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 便于診斷和調(diào)試

在對(duì)支持Hart 協(xié)議的傳統(tǒng)4～20 mA 儀表調(diào)試工作中，工程師通過(guò)手操器（一種支持Hart 協(xié)議的調(diào)試設(shè)備）進(jìn)行一系列規(guī)范化的操作完成調(diào)試［8］，這項(xiàng)工作通常需要在現(xiàn)場(chǎng)側(cè)或控制系統(tǒng)機(jī)柜側(cè)將手操器接入儀表的信號(hào)回路，以便對(duì)當(dāng)前回路的儀表進(jìn)行調(diào)試，一次只能調(diào)試一臺(tái)儀表?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)支持在控制室通過(guò)智能現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理軟件對(duì)總線型儀表進(jìn)行批量管理和配置。對(duì)常用參數(shù)的修改和設(shè)置可通過(guò)管理軟件直接發(fā)送到儀表，無(wú)需工作人員專程去現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置［9］；對(duì)于一些普通故障，管理軟件能夠進(jìn)行自診斷，診斷結(jié)果也可以自主查詢，極大降低了調(diào)試維護(hù)工作量。

2.5 具有較高的性價(jià)比

從短期投入來(lái)看，基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的資金投入高于傳統(tǒng)模擬量輸入/輸出產(chǎn)品，支持基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)膬x表、調(diào)節(jié)閥的采購(gòu)價(jià)格，比模擬量信號(hào)傳輸產(chǎn)品高30%左右。雖然總線鏈路結(jié)構(gòu)其布線安裝費(fèi)和輔材費(fèi)相對(duì)較低，但費(fèi)用節(jié)省的空間仍然有限。從長(zhǎng)周期來(lái)看，合理使用基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可提高設(shè)備運(yùn)維的質(zhì)量和效果，并能夠?yàn)橹圃煨推髽I(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供大量實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)支撐，而這些寶貴的工業(yè)過(guò)程控制數(shù)據(jù)是工廠數(shù)字資產(chǎn)的重要組成部分。

3 工程設(shè)計(jì)內(nèi)容

在工程設(shè)計(jì)階段即對(duì)某項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用做好全面規(guī)劃和系統(tǒng)計(jì)算，落實(shí)內(nèi)外部條件等工作，可以將技術(shù)實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)降到最低。通常，選擇基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)作為某項(xiàng)工程過(guò)程自動(dòng)化的主要解決方案，需要在可行性研究、初步設(shè)計(jì)階段做好充分的論證，這里提到的“工程設(shè)計(jì)”指施工圖設(shè)計(jì)，即詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。

以下是基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的內(nèi)容。

3.1 鏈路設(shè)計(jì)

做鏈路設(shè)計(jì)之前需要考慮當(dāng)前儀表在現(xiàn)場(chǎng)的安裝位置，這是從事總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)和傳統(tǒng)接線方式設(shè)計(jì)的不同之處。儀表的安裝位置一部分取決于工藝管道、設(shè)備、裝置的就位地點(diǎn)，一部分又與該儀表可維護(hù)性、可目視觀測(cè)性有關(guān)。

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的鏈路有多種形式，比如：

1）總線-分支拓?fù)洌涸撔问绞且桓删€電纜穿過(guò)特定區(qū)域，該區(qū)域的儀表通過(guò)分支電纜連接到干線電纜上，適合區(qū)域跨度較大，儀表分布密度較低的場(chǎng)合，也適合新安裝場(chǎng)景。

2）樹(shù)型（雞爪型）拓?fù)洌涸撔问绞窃谔囟▍^(qū)域設(shè)置分配器接線盒，該區(qū)域的設(shè)備接入接線盒后，通過(guò)接線盒接入總線網(wǎng)絡(luò)，適合儀表分布密度較高的場(chǎng)合，也適合升級(jí)場(chǎng)景。因此，在總線鏈路設(shè)計(jì)時(shí)，最好預(yù)留一些端口以備后續(xù)擴(kuò)容所需。

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線鏈路設(shè)計(jì)的時(shí)機(jī)通常選擇在車間內(nèi)部布置基本形成、設(shè)備定位明確、主要管道走向基本確定后，否則將導(dǎo)致設(shè)計(jì)返工，甚至到了調(diào)試階段才發(fā)現(xiàn)丟失FF 節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而增加額外的設(shè)計(jì)和施工工作量。此外，設(shè)計(jì)者還需考慮今后工廠擴(kuò)容和技術(shù)升級(jí)改造中本系統(tǒng)、本鏈路的可擴(kuò)展性。

3.2 電纜選型

表1 列出了可用于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的電纜，其中AWG是美國(guó)線規(guī)，#18表示18號(hào)線，線徑為1.024 mm。通常采用單屏蔽A 類電纜，A 類電纜應(yīng)用于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線通信場(chǎng)景時(shí)，主干長(zhǎng)度和分支長(zhǎng)度之和通?？刂圃?900 m 以內(nèi)，這已經(jīng)適合大多數(shù)工業(yè)場(chǎng)景的自控系統(tǒng)信號(hào)傳輸［10-11］。

表1 多種總線電纜的速率與傳輸距離對(duì)照表Table 1 Look-up-table for speed and transmission distance of fieldbus cables

3.3 分支電纜長(zhǎng)度控制

保障基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線組網(wǎng)通信節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性最有效的方法是在設(shè)計(jì)階段就控制好每個(gè)網(wǎng)段的負(fù)載和分支電纜長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)粗略估算負(fù)載和分支電纜長(zhǎng)度，如表2所示。需要注意的是：每一路分支電纜僅連接一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表，且所有分支電纜長(zhǎng)度與主干電纜的長(zhǎng)度之和，不能超過(guò)1900 m（選擇A類電纜的情況下）。

表2 網(wǎng)段儀表數(shù)量與分支電纜長(zhǎng)度對(duì)照表Table 2 Look-up-table for number of nodes and branch cables length

3.4 屏蔽與接地

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線屏蔽層接地遵循“單端接地”原則，即各段總線電纜的屏蔽層應(yīng)在接線箱內(nèi)通過(guò)接線端子連接起來(lái)，通過(guò)屏蔽線在控制系統(tǒng)機(jī)柜側(cè)的接地端子處接地，除此以外機(jī)柜側(cè)至現(xiàn)場(chǎng)端的任何地方對(duì)地絕緣都應(yīng)保持良好［12］。

3.5 防浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)

在雷電災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)儀表或總線電纜敷設(shè)路徑靠近大感性負(fù)載設(shè)備時(shí)，應(yīng)考慮網(wǎng)段的浪涌保護(hù)，并且應(yīng)保證浪涌保護(hù)器不會(huì)造成信號(hào)大幅衰減。

4 實(shí)踐案例

中非銅鈷成礦帶是世界著名的巨型沉積巖層控型銅礦帶之一，橫跨贊比亞、剛果（金），該帶集中了全球10%的銅礦資源和近70%的鈷礦資源，是全球第一大鈷產(chǎn)地和第三大銅產(chǎn)地［13］。銅鈷選冶聯(lián)合生產(chǎn)工藝流程長(zhǎng)、物理化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜、不同作業(yè)段協(xié)同性要求高，因此，基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)能夠較好地發(fā)揮其綜合優(yōu)勢(shì)服務(wù)生產(chǎn)。以下是該技術(shù)在剛果（金）某銅鈷選冶項(xiàng)目上的應(yīng)用：某礦山項(xiàng)目采用一套DCS 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全流程過(guò)程自動(dòng)控制，主要工藝流程包括采礦工藝（高品位礦、低品位礦、廢石等開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)，配礦措施，分期開(kāi)采等）、選礦工藝（碎磨工藝、浸出工藝、浸前脫水工藝及逆流洗滌工藝等）及尾礦庫(kù)、濕法冶煉工藝（萃取、電積、鈷生產(chǎn)系統(tǒng)工藝等）和各公用輔助設(shè)施。

4.1 中央控制室（CCR）選址

根據(jù)廠區(qū)總圖布置，將位于主要生產(chǎn)區(qū)域中央位置的生產(chǎn)指揮中心作為全廠DCS 系統(tǒng)的中央控制室，兼顧生產(chǎn)過(guò)程操作監(jiān)視和工廠調(diào)度功能，如圖3所示。

圖3 總平面圖Fig.3 General layout

4.2 DCS系統(tǒng)部署

根據(jù)生產(chǎn)區(qū)域的相對(duì)獨(dú)立性和工藝流程的連貫性，在主要生產(chǎn)區(qū)域設(shè)置FCS 分站：SYS01 破碎車間配電室、SYS02 磨礦車間變配電、SYS03 攪拌浸出逆流洗滌變配電室、SYS04硫酸和二氧化硫配電室（安全儀表系統(tǒng)）、SYS05萃取和電機(jī)車間1#低壓配電室、SYS06 萃取和電機(jī)車間2#低壓配電室、SYS07沉鈷工段變配電室。DCS分站采集本區(qū)域的電、儀控制信號(hào)，負(fù)責(zé)本區(qū)域內(nèi)設(shè)備成套PLC、RIO通信訊號(hào)的采集。FCS分站的工業(yè)以太網(wǎng)通信訊號(hào)通過(guò)隨廠區(qū)管網(wǎng)敷設(shè)的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)匯入位于CCR的自動(dòng)化核心交換機(jī)，與CCR內(nèi)的操作站、工程師站、OPC服務(wù)器組成一個(gè)整體，如圖4所示。

圖4 DCS分站布置圖Fig.4 DCS substation layout

該套DCS 系統(tǒng)通過(guò)FF 網(wǎng)關(guān)連接了近400 臺(tái)FF總線型儀表、60臺(tái)FF 總線型調(diào)節(jié)閥，通過(guò)DP 通訊卡實(shí)現(xiàn)300 臺(tái)變頻器、200 臺(tái)電機(jī)馬達(dá)保護(hù)器、50臺(tái)軟啟設(shè)備、30 套小型PLC 的通信控制.系統(tǒng)還搭載了智能設(shè)備管理系統(tǒng)，以數(shù)字通信的方式對(duì)在網(wǎng)的所有總線型儀表、調(diào)節(jié)閥、變頻器、馬達(dá)保護(hù)器等設(shè)備進(jìn)行在線管理，大大提高了工作效率。

4.3 儀表和調(diào)節(jié)閥選型

磨礦車間FRC-2013-04 旋流器沉砂槽補(bǔ)加水量控制，由一臺(tái)流量計(jì)（FT-2013-04）和一臺(tái)調(diào)節(jié)閥FV-2013-04 組成閉環(huán)控制回路。PIA-2013-01A，B旋流器給料壓力用于壓力實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警，上述儀表和調(diào)節(jié)閥的物理安裝位置彼此接近。

1）流量檢測(cè)儀表

電磁流量計(jì)是比較常用的在線流量檢測(cè)儀表，本工況選擇了一臺(tái)艾默生8705 系列電磁流量傳感器，搭配8732E 系列變送器，支持FF 現(xiàn)場(chǎng)總線輸出、外部電源輸入。設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合測(cè)點(diǎn)位置考慮選用一體化儀表或分體式儀表，如測(cè)點(diǎn)位置較高或位于不方便到達(dá)的區(qū)域，建議選擇分體式儀表，通過(guò)勵(lì)磁電纜和信號(hào)電纜連接傳感器與變送器，則可將變送器安裝在操作維護(hù)人員方便觀察的位置。在FF 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中，如具備條件，可將儀表變送器集中安裝在裝有FF 總線分線器的接線箱附近，既便于觀察和維護(hù)，又節(jié)約了總線網(wǎng)段的電纜長(zhǎng)度。

2）調(diào)節(jié)閥

本工況在FV-2013-04 調(diào)節(jié)閥選型上，針對(duì)閥體選擇了一臺(tái)氣動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥，定位器選擇了薩姆森的3730-5 總線型定位器，集成了必要的資源塊、轉(zhuǎn)換塊和功能塊，可作為鏈路的主設(shè)備（LMD）且具有聯(lián)絡(luò)活動(dòng)調(diào)度器（LAS）功能。

3）壓力檢測(cè)儀表

壓力測(cè)點(diǎn)使用E+H 的PMP51 總線型帶隔膜密封的一體化壓力變送器

4.4 物理拓?fù)湟?guī)劃

總線接線箱FJB-2013-01 安裝在橋架匯聚且方便維護(hù)人員檢修的位置，根據(jù)管線敷設(shè)圖，選擇靠近流量變送器FT-2013-04 和閥門FV-2013-04 的1.2 m 標(biāo)高處。由于旋流器給料壓力PT-2013-01A，B 位于高度為9.6 m 的礦漿主管上，選擇以總線分支電纜將信號(hào)引至FJB 內(nèi)。FJB-2013-01 所在鏈路的主干電纜接入同車間內(nèi)另一接線箱，并依次進(jìn)入FF現(xiàn)場(chǎng)總線主干網(wǎng)絡(luò)。

4.5 儀表回路設(shè)計(jì)

流量變送器FT-2013-04 和閥門FV-2013-04 組成閉環(huán)控制回路，應(yīng)匯入同一總線分配器；壓力變送器PT-2013-01A，B 的安裝位置選擇在附近，一同接入FJB-2013-01。FF 現(xiàn)場(chǎng)總線分配器FJB-2013-01 通過(guò)上級(jí)分配器FJB-2013-02 接入FCS 系統(tǒng)。工程設(shè)計(jì)上以分配器為單元繪制儀表回路圖便于理清儀表與上下層級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞碾娎|聯(lián)系，同時(shí)也便于施工和運(yùn)維方理解設(shè)計(jì)意圖。

4.6 鏈路計(jì)算

現(xiàn)場(chǎng)總線回路設(shè)計(jì)中總線主干電纜和分支電纜的長(zhǎng)度與電纜選型、儀表選型、物理位置都有關(guān)系。雖然在線徑、儀表功率、主干+分支線長(zhǎng)上有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可循，但仍然推薦設(shè)計(jì)者在結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝情況和經(jīng)驗(yàn)考量后，使用專業(yè)軟件進(jìn)行鏈路計(jì)算，最大程度避免可能發(fā)生的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

本案例中使用MTL Fiedbus Segment Calculator作為鏈路計(jì)算工具軟件，工作流程如下：

1）選擇控制系統(tǒng)型號(hào)

Host Control System 是指控制系統(tǒng)選型，結(jié)合本工況設(shè)計(jì)應(yīng)用，在下拉菜單中選擇Emerson DeltaV系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)選型Fig.5 Selection of control system

2）選擇FF現(xiàn)場(chǎng)總線電源型號(hào)

Fieldbus Power Supply 是FF 電源選型，總線電源的輸出決定當(dāng)前網(wǎng)段的允許負(fù)載，此外還覆蓋了符合本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的FISCO電路所需電源，計(jì)算軟件的下拉菜單中列出了可選的電源型號(hào)，本工況使用MTL 的9189系列的FF 電源，在軟件下拉選項(xiàng)卡中選擇對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)。根據(jù)產(chǎn)品資料，每個(gè)Segment可為500 mA的設(shè)備供電，如圖6所示。

圖6 總線電源選擇Fig.6 Fieldbus power selection

3）選擇FF現(xiàn)場(chǎng)總線分配器型號(hào)

本工況包含F(xiàn)T-2013-04，F(xiàn)V-2013-04，PT-2013-01A，B 共4 個(gè)FF 總線接入點(diǎn)，選用4 路FF 總線分配器即可，如考慮今后擴(kuò)展，可選擇8 路。由圖7可見(jiàn)，在軟件的FF總線分配器選項(xiàng)框中，F(xiàn)304即代表4路分配器。

圖7 FF總線分配器選擇Fig.7 FF fieldbus distributor selection

4）輸入主干、分支總線電纜長(zhǎng)度

根據(jù)儀表回路圖，將主干FF 總線電纜FJB201301C，分支FF 總線電 纜FT201304C，F(xiàn)V201304C，PT201301AC，PT201301BC 的長(zhǎng)度輸入至軟件的線纜長(zhǎng)度一欄。

5）輸入FF總線儀表的額定電流

根據(jù)制造商提供的技術(shù)參數(shù)或產(chǎn)品樣本，將FF 總線儀表的額定電流輸入至計(jì)算軟件負(fù)載欄，如圖8所示。

圖8 FF總線電纜長(zhǎng)度和FF總線儀表額定電流輸入Fig.8 FF cable length and FF instrument rated current input

6）完成網(wǎng)段內(nèi)其他分配器信息錄入

FF 鏈路計(jì)算以網(wǎng)段為單位，要求設(shè)計(jì)者將網(wǎng)段內(nèi)搭載的其他FF 總線分配器信息輸入至軟件計(jì)算框內(nèi)，重復(fù)步驟（3～5）直至所有信息均被輸入。

7）檢驗(yàn)結(jié)果

全部信息錄入完成后，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算每個(gè)FF 總線分支末端的電壓，同時(shí)計(jì)算出FF 總線主干和分支電纜的全長(zhǎng)，便于設(shè)計(jì)者提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，如圖9所示。

圖9 計(jì)算結(jié)果匯總Fig.9 Summary of calculation results

4.7 設(shè)計(jì)效果

在具備一定現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的情況下，工程設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)儀表和調(diào)節(jié)閥的物理位置搭配FF 總線分配器規(guī)劃現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的鏈路設(shè)計(jì)，借助FF總線計(jì)算軟件驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性。若干個(gè)FF 總線分配器將FF 現(xiàn)場(chǎng)總線儀表和調(diào)節(jié)閥的信號(hào)上傳至分布于各車間的DCS 分站，最終匯聚至中央控制室。在FF 總線技術(shù)的高速率和高帶寬的數(shù)據(jù)采集能力支撐下，智能設(shè)備管理系統(tǒng)以數(shù)字化的方式高效管理著整個(gè)工廠的儀表和設(shè)備，使得一座工廠的全部生產(chǎn)過(guò)程控制只需要在中央控制室就可以全部完成。

5 展 望

基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn)：數(shù)字通信與分布式控制，使得工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)能夠以安全、可靠的方式實(shí)現(xiàn)“萬(wàn)物互聯(lián)”，既提高了工業(yè)過(guò)程數(shù)據(jù)的積累數(shù)量和質(zhì)量，也為數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)挖掘等高層次綜合管理系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)，可廣泛地用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集與監(jiān)測(cè)、制造過(guò)程狀態(tài)識(shí)別與診斷、強(qiáng)化人機(jī)交互等領(lǐng)域，更好地應(yīng)對(duì)制造業(yè)的復(fù)雜性管理［14］。

5G 技術(shù)作為一種無(wú)需電纜直連的移動(dòng)通信技術(shù)，具有高速率、低時(shí)延、廣連接的特點(diǎn)［16］。工信部于2022 年9 月印發(fā)的《5G 全連接工廠建設(shè)指南》，支持企業(yè)加快各類“啞設(shè)備”、單機(jī)系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò)化改造，在安全可控的前提下，提升工業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集能力；對(duì)具有移動(dòng)部署、靈活作業(yè)、遠(yuǎn)程操控等需求的設(shè)備，提倡使用帶有5G 功能的芯片、模組、傳感器等進(jìn)行改造，加快5G 與PLC，DCS 等工業(yè)控制系統(tǒng)融合［15］。

基于以上背景，未來(lái)在標(biāo)準(zhǔn)延伸、專業(yè)廠商填補(bǔ)產(chǎn)品空白等因素的促進(jìn)下，基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線有希望作為一項(xiàng)非常成熟可靠的工業(yè)過(guò)程數(shù)字化通信技術(shù)與5G 技術(shù)深度融合，獲得更加簡(jiǎn)便的部署方式，滿足更多應(yīng)用場(chǎng)景，也激發(fā)新的需求。