基金會現場總線技術在工程設計中的應用

黃仍杰，沈樓燕，唐國標，張帆，李宋江

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

數字化轉型是制造業發展的必然趨勢［1］。相比于企業資源計劃（ERP）和制造執行系統（MES），工業過程控制系統是最貼近生產制造的系統，該系統可實時感知生產狀態，直接執行上層管理系統發出的生產指令。工業過程控制系統的操控實時性、準確性、穩定性直接決定了制造企業的產品質量、產量和能耗。所以，工業過程控制系統的數字化發展是企業實現數字化轉型和綠色發展的必經之路。

現場總線是應用在工業過程控制場合實現雙向串行多節點數字通信的系統，是一種開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡，常用于儀器儀表、閥門定位器等現場檢測和執行裝置與上位控制系統的數字化通信，同時也支持現場級、設備級的可編程控制器（PLC）、遠程I/O站（RIO）和更高一級的控制系統組成工控網絡。在大量的實踐應用中，現場總線技術以數字化的手段把封閉、專用的應用場景變成了公開化、標準化的解決方案，把不同廠商生產但遵守同一協議規范的自動化設備通過網絡組成系統，實現綜合自動化［2］。

1 基金會現場總線概述

1.1 開發背景

基金會現場總線（FF，foundation fieldbus）是在工業過程控制領域得到廣泛支持和具有良好發展前景的技術。其前身是以Fisher Rosemount 公司為首，聯合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80 家公司制訂的可交互操作系統協議（ISP，Interoperable System Protocol），并以Honeywell公司為首，聯合歐洲等地的150 家公司制訂的工廠儀表世界協議（WORLD FIP，World Factory Instrumentation Protocol）。上述兩大陣營于1994年合并，成立了基金會現場總線，致力于開發出一種國際上統一的現場總線協議［3］。

1.2 與Profibus-PA總線技術的比較

作為使用最為廣泛的兩大現場總線協議，基金會現場總線與Profibus-PA 現場總線最顯著的區別是：Profibus-PA 是“主—從”協議，即通過耦合器（Coupler）掛接的方式將支持Profibus-PA 協議的節點集成至Profibus-DP 主干網，而基金會現場總線是“點對點”協議，儀表通過FF H1卡直連高速以太網，如圖1所示。

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

由于基金會現場總線節點并無“主—從”之分，閉環控制邏輯既可以在集散控制系統（DCS）/可編程控制器（PLC）的控制器參與下完成，也可以僅在節點與節點之間完成（參與該回路控制的支持基金會現場總線協議的變送器和閥門定位器應分配在同一個FF H1網段）。

2 基金會現場總線技術的工程應用優勢

基金會現場總線是專門用于過程控制系統的實時數字通信網絡。它取代了4～20 mA 模擬信號和開關信號，將變送器、分析儀器、調節閥定位器和開關閥等儀表接至DCS、PLC、遠程終端設備（RTU）和其他自動化系統［4］，具有諸多優勢。

2.1 節省電纜和安裝空間

基金會現場總線的“主干-分支”通信結構決定了其并不需要每個通信節點都通過單獨的線纜與上位系統直接聯系。在工程應用中，每個FF H1網段平均最多可掛接8臺儀表，大大減少了儀表電纜總用量以及控制系統I/O 通道模塊和控制機柜的數量［5］。線纜和模塊的減少，使控制柜內線纜和模塊的布局更加整潔，便于理線和擴容，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

傳統二線制儀表使用的Hart 協議采用基于Bell202標準的FSK 頻移鍵控信號，即在低頻的4～20 mA 模擬信號上疊加幅度為0.5 mA 的音頻數字信號進行雙向數字通信，數據傳輸率為1.2 kbps［6］?；饡F場總線則有兩種傳輸速率，FF H1是一種速率為31.25 kB/s 的中等速率局域網，通常用來連接儀表、閥門；FF HSE/H2 則描述了一種速率為1.0 MB/s 和2.5 MB/s 的基于以太網協議工作的一種總線網絡，通常用來連接I/O 站、子系統［7］?？梢?，基金會現場總線相比4～20 mA Hart 在數據傳輸速率上有質的飛躍。

2.3 穩定性和抗干擾

傳統的模擬量信號用電流強度擬合特定數值，如果傳輸4～20 mA 電流信號的導線受到電磁干擾，或組態過程中某工作環節出現紕漏，都有可能因信號失真、通道錯誤、量程錯誤等原因導致生產過程數據獲取不準確甚至執行錯誤。在基金會現場總線技術體系下，現場儀表、調節閥被升級為以微處理器為核心的數字化設備，彼此之間通過雙絞線、光纜等介質以總線拓撲相連，網絡通信采用基帶傳輸，避免了模擬量信號失真、延遲等風險。

2.4 便于診斷和調試

在對支持Hart 協議的傳統4～20 mA 儀表調試工作中，工程師通過手操器（一種支持Hart 協議的調試設備）進行一系列規范化的操作完成調試［8］，這項工作通常需要在現場側或控制系統機柜側將手操器接入儀表的信號回路，以便對當前回路的儀表進行調試，一次只能調試一臺儀表?；饡F場總線技術支持在控制室通過智能現場總線設備管理軟件對總線型儀表進行批量管理和配置。對常用參數的修改和設置可通過管理軟件直接發送到儀表，無需工作人員專程去現場設置［9］；對于一些普通故障，管理軟件能夠進行自診斷，診斷結果也可以自主查詢，極大降低了調試維護工作量。

2.5 具有較高的性價比

從短期投入來看，基金會現場總線技術的資金投入高于傳統模擬量輸入/輸出產品，支持基金會現場總線傳輸的儀表、調節閥的采購價格，比模擬量信號傳輸產品高30%左右。雖然總線鏈路結構其布線安裝費和輔材費相對較低，但費用節省的空間仍然有限。從長周期來看，合理使用基金會現場總線技術可提高設備運維的質量和效果，并能夠為制造型企業數字化轉型提供大量實時和歷史數據支撐，而這些寶貴的工業過程控制數據是工廠數字資產的重要組成部分。

3 工程設計內容

在工程設計階段即對某項技術的運用做好全面規劃和系統計算，落實內外部條件等工作，可以將技術實施風險降到最低。通常，選擇基金會現場總線技術作為某項工程過程自動化的主要解決方案，需要在可行性研究、初步設計階段做好充分的論證，這里提到的“工程設計”指施工圖設計，即詳細設計階段。

以下是基金會現場總線技術在工程設計過程中需要注意的內容。

3.1 鏈路設計

做鏈路設計之前需要考慮當前儀表在現場的安裝位置，這是從事總線網絡拓撲設計和傳統接線方式設計的不同之處。儀表的安裝位置一部分取決于工藝管道、設備、裝置的就位地點，一部分又與該儀表可維護性、可目視觀測性有關。

基金會現場總線的鏈路有多種形式，比如：

1）總線-分支拓撲：該形式是一根干線電纜穿過特定區域，該區域的儀表通過分支電纜連接到干線電纜上，適合區域跨度較大，儀表分布密度較低的場合，也適合新安裝場景。

2）樹型（雞爪型）拓撲：該形式是在特定區域設置分配器接線盒，該區域的設備接入接線盒后，通過接線盒接入總線網絡，適合儀表分布密度較高的場合，也適合升級場景。因此，在總線鏈路設計時，最好預留一些端口以備后續擴容所需。

基金會現場總線鏈路設計的時機通常選擇在車間內部布置基本形成、設備定位明確、主要管道走向基本確定后，否則將導致設計返工，甚至到了調試階段才發現丟失FF 節點，進而增加額外的設計和施工工作量。此外，設計者還需考慮今后工廠擴容和技術升級改造中本系統、本鏈路的可擴展性。

3.2 電纜選型

表1 列出了可用于基金會現場總線系統的電纜，其中AWG是美國線規，#18表示18號線，線徑為1.024 mm。通常采用單屏蔽A 類電纜，A 類電纜應用于基金會現場總線通信場景時，主干長度和分支長度之和通?？刂圃?900 m 以內，這已經適合大多數工業場景的自控系統信號傳輸［10-11］。

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

3.3 分支電纜長度控制

保障基金會現場總線組網通信節點穩定性最有效的方法是在設計階段就控制好每個網段的負載和分支電纜長度。設計時，可通過經驗粗略估算負載和分支電纜長度，如表2所示。需要注意的是：每一路分支電纜僅連接一臺現場儀表，且所有分支電纜長度與主干電纜的長度之和，不能超過1900 m（選擇A類電纜的情況下）。

表2 網段儀表數量與分支電纜長度對照表Table 2 Look-up-table for number of nodes and branch cables length

3.4 屏蔽與接地

基金會現場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在接線箱內通過接線端子連接起來，通過屏蔽線在控制系統機柜側的接地端子處接地，除此以外機柜側至現場端的任何地方對地絕緣都應保持良好［12］。

3.5 防浪涌保護設計

在雷電災害頻發地區，當現場儀表或總線電纜敷設路徑靠近大感性負載設備時，應考慮網段的浪涌保護，并且應保證浪涌保護器不會造成信號大幅衰減。

4 實踐案例

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，是全球第一大鈷產地和第三大銅產地［13］。銅鈷選冶聯合生產工藝流程長、物理化學反應復雜、不同作業段協同性要求高，因此，基金會現場總線技術能夠較好地發揮其綜合優勢服務生產。以下是該技術在剛果（金）某銅鈷選冶項目上的應用：某礦山項目采用一套DCS 控制系統實現全流程過程自動控制，主要工藝流程包括采礦工藝（高品位礦、低品位礦、廢石等開拓運輸系統，配礦措施，分期開采等）、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、濕法冶煉工藝（萃取、電積、鈷生產系統工藝等）和各公用輔助設施。

4.1 中央控制室（CCR）選址

根據廠區總圖布置，將位于主要生產區域中央位置的生產指揮中心作為全廠DCS 系統的中央控制室，兼顧生產過程操作監視和工廠調度功能，如圖3所示。

圖3 總平面圖Fig.3 General layout

4.2 DCS系統部署

根據生產區域的相對獨立性和工藝流程的連貫性，在主要生產區域設置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）、SYS05萃取和電機車間1#低壓配電室、SYS06 萃取和電機車間2#低壓配電室、SYS07沉鈷工段變配電室。DCS分站采集本區域的電、儀控制信號，負責本區域內設備成套PLC、RIO通信訊號的采集。FCS分站的工業以太網通信訊號通過隨廠區管網敷設的自動化網絡匯入位于CCR的自動化核心交換機，與CCR內的操作站、工程師站、OPC服務器組成一個整體，如圖4所示。

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

該套DCS 系統通過FF 網關連接了近400 臺FF總線型儀表、60臺FF 總線型調節閥，通過DP 通訊卡實現300 臺變頻器、200 臺電機馬達保護器、50臺軟啟設備、30 套小型PLC 的通信控制.系統還搭載了智能設備管理系統，以數字通信的方式對在網的所有總線型儀表、調節閥、變頻器、馬達保護器等設備進行在線管理，大大提高了工作效率。

4.3 儀表和調節閥選型

磨礦車間FRC-2013-04 旋流器沉砂槽補加水量控制，由一臺流量計（FT-2013-04）和一臺調節閥FV-2013-04 組成閉環控制回路。PIA-2013-01A，B旋流器給料壓力用于壓力實時顯示和報警，上述儀表和調節閥的物理安裝位置彼此接近。

1）流量檢測儀表

電磁流量計是比較常用的在線流量檢測儀表，本工況選擇了一臺艾默生8705 系列電磁流量傳感器，搭配8732E 系列變送器，支持FF 現場總線輸出、外部電源輸入。設計時結合測點位置考慮選用一體化儀表或分體式儀表，如測點位置較高或位于不方便到達的區域，建議選擇分體式儀表，通過勵磁電纜和信號電纜連接傳感器與變送器，則可將變送器安裝在操作維護人員方便觀察的位置。在FF 現場總線系統工程設計中，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，又節約了總線網段的電纜長度。

2）調節閥

本工況在FV-2013-04 調節閥選型上，針對閥體選擇了一臺氣動調節蝶閥，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、轉換塊和功能塊，可作為鏈路的主設備（LMD）且具有聯絡活動調度器（LAS）功能。

3）壓力檢測儀表

壓力測點使用E+H 的PMP51 總線型帶隔膜密封的一體化壓力變送器

4.4 物理拓撲規劃

總線接線箱FJB-2013-01 安裝在橋架匯聚且方便維護人員檢修的位置，根據管線敷設圖，選擇靠近流量變送器FT-2013-04 和閥門FV-2013-04 的1.2 m 標高處。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引至FJB 內。FJB-2013-01 所在鏈路的主干電纜接入同車間內另一接線箱，并依次進入FF現場總線主干網絡。

4.5 儀表回路設計

流量變送器FT-2013-04 和閥門FV-2013-04 組成閉環控制回路，應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 現場總線分配器FJB-2013-01 通過上級分配器FJB-2013-02 接入FCS 系統。工程設計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網絡拓撲的電纜聯系，同時也便于施工和運維方理解設計意圖。

4.6 鏈路計算

現場總線回路設計中總線主干電纜和分支電纜的長度與電纜選型、儀表選型、物理位置都有關系。雖然在線徑、儀表功率、主干+分支線長上有經驗數據可循，但仍然推薦設計者在結合現場實際安裝情況和經驗考量后，使用專業軟件進行鏈路計算，最大程度避免可能發生的設計錯誤。

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

1）選擇控制系統型號

Host Control System 是指控制系統選型，結合本工況設計應用，在下拉菜單中選擇Emerson DeltaV系統，如圖5所示。

圖5 控制系統選型Fig.5 Selection of control system

2）選擇FF現場總線電源型號

Fieldbus Power Supply 是FF 電源選型，總線電源的輸出決定當前網段的允許負載，此外還覆蓋了符合本質安全設計的FISCO電路所需電源，計算軟件的下拉菜單中列出了可選的電源型號，本工況使用MTL 的9189系列的FF 電源，在軟件下拉選項卡中選擇對應的選項。根據產品資料，每個Segment可為500 mA的設備供電，如圖6所示。

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

3）選擇FF現場總線分配器型號

本工況包含FT-2013-04，FV-2013-04，PT-2013-01A，B 共4 個FF 總線接入點，選用4 路FF 總線分配器即可，如考慮今后擴展，可選擇8 路。由圖7可見，在軟件的FF總線分配器選項框中，F304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、分支總線電纜長度

根據儀表回路圖，將主干FF 總線電纜FJB201301C，分支FF 總線電 纜FT201304C，FV201304C，PT201301AC，PT201301BC 的長度輸入至軟件的線纜長度一欄。

5）輸入FF總線儀表的額定電流

根據制造商提供的技術參數或產品樣本，將FF 總線儀表的額定電流輸入至計算軟件負載欄，如圖8所示。

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

6）完成網段內其他分配器信息錄入

FF 鏈路計算以網段為單位，要求設計者將網段內搭載的其他FF 總線分配器信息輸入至軟件計算框內，重復步驟（3～5）直至所有信息均被輸入。

7）檢驗結果

全部信息錄入完成后，軟件會自動計算每個FF 總線分支末端的電壓，同時計算出FF 總線主干和分支電纜的全長，便于設計者提前發現設計錯誤，如圖9所示。

圖9 計算結果匯總Fig.9 Summary of calculation results

4.7 設計效果

在具備一定現場總線設計經驗的情況下，工程設計人員可以根據儀表和調節閥的物理位置搭配FF 總線分配器規劃現場級的鏈路設計，借助FF總線計算軟件驗證設計的可靠性。若干個FF 總線分配器將FF 現場總線儀表和調節閥的信號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 總線技術的高速率和高帶寬的數據采集能力支撐下，智能設備管理系統以數字化的方式高效管理著整個工廠的儀表和設備，使得一座工廠的全部生產過程控制只需要在中央控制室就可以全部完成。

5 展 望

基于現場總線技術的特點：數字通信與分布式控制，使得工業過程控制系統能夠以安全、可靠的方式實現“萬物互聯”，既提高了工業過程數據的積累數量和質量，也為數據治理、數據挖掘等高層次綜合管理系統提供了基礎，可廣泛地用于實時數據收集與監測、制造過程狀態識別與診斷、強化人機交互等領域，更好地應對制造業的復雜性管理［14］。

5G 技術作為一種無需電纜直連的移動通信技術，具有高速率、低時延、廣連接的特點［16］。工信部于2022 年9 月印發的《5G 全連接工廠建設指南》，支持企業加快各類“啞設備”、單機系統等網絡化改造，在安全可控的前提下，提升工業數據實時采集能力；對具有移動部署、靈活作業、遠程操控等需求的設備，提倡使用帶有5G 功能的芯片、模組、傳感器等進行改造，加快5G 與PLC，DCS 等工業控制系統融合［15］。

基于以上背景，未來在標準延伸、專業廠商填補產品空白等因素的促進下，基金會現場總線有希望作為一項非常成熟可靠的工業過程數字化通信技術與5G 技術深度融合，獲得更加簡便的部署方式，滿足更多應用場景，也激發新的需求。