现场总线入门

 Abstract：Fieldbus is simple. So simple, you’ll wonder what all the fuss is all about. In this article, we’ll stick to the two basic fieldbuses used in process control: PROFIBUS PA and FOUNDATION fieldbus™ H1. We’ll cover how fieldbus works, show how to connect instruments, and explain why—in most cases—you can’t connect all 32 instruments on a single fieldbus segment as all the advertising claim

现场总线很简单。如此简单，也许您会问，到底现场总线是什么呢。本文将会关注于在过程控制中两种基本的现场总线：PROFIBUS PA和FOUNDATION fieldbus™ H1。我们将会谈到现场总线如何工作，如何连接到仪器。也会解释——大多数情况下——为什么你不能像广告所宣称的可以在一个现场总线主干线上连接32个设备。
我们也会谈到PROFIBUS、基金会现场总线和FISCO的不同。实体上安全的现场总线系统，安装冗余的主干线，以及EDDL和FDT比较。

现场是怎么工作的？
在模拟控制系统中，设备生成4－20mA的输出信号，通过双绞线从远程分裂蒸馏塔、液体灌和过程单元一路传送到控制室、集成架、远程I/O集成器或是远程终端设备。相似的，4－20mA的控制信号从控制室到阀执行装置、泵和其它一些控制设备。数百有时甚至数千的电缆通过电缆盘、终端架、配电柜、场地和管道迂回前进。
低消耗的有效性、适合现场设备的强大的处理器开拓了消除大量的电缆同时增强了工厂数据的有用性的道路。

图1 传统的4－20mA的现场布线往往把电线、电缆、终端变的乱糟糟的

图2 安装现场总线大大简化了布线

不同于使用大量的独立电缆，现场总线允许大量设备只使用一根电缆，叫做主干线（图2）；每个设备作为一个分支连接到电缆上。当然，每个设备都会有连接到主干线的现场总线接口，并运行某些软件来提供现场总线通讯。
每个现场总线的主干线——无论是基金会现场总线H1还是PROFIBUS PA——是一个简单的双绞线，传输数字信号和直流电源，连接32个现场总线设备（温度、流量、水平位置、和压力传感器、智能阀、执行机构等）到DCS或是相似的控制系统。大多数装置是双线总线驱动电流是10mA到20mA，但是，也会有4线现场总线装置，通常在需要电流特别高的地方。
在控制系统，一个现场总线主干线开始于一个接口设备。在一个FOUNDATION现场总线H1（FF）系统，接口被叫做H1卡；在PROFIBUS PA系统，它是PROFIBUS DP/PA 主干线适配器。在主干线上根据信号布线和电能需求方式，FF和PA在以下几点上是一致的：
● 最小设备操作电压9V；
● 最大总线电压32V；
● 最大总线长度1900米（屏蔽双绞线）。

总线所需要的直流电源通常是通过现场总线供电，或是直流电压调节器短路时所引起的高频信号。典型的功率调节器可以在350mA到500mA之间有效，通常会在主干线－主干线之间防止干扰。对于PA，主干线适配器通常协调电源调节器的因素。在FF主干线电源调节器从H1接口卡上分离出来，通常被安装在多余的双绞线上，用来改善整体的可靠性。图3显示了典型的现场总线的主干线。
计算一个现场总线的主干线上可以安装多少个设备时，用户必须把每台设备所需要的最大电流、主干线长度（因为电压会在电缆传输过程中衰减）、和其它因素考虑进去。这个计算是简单的欧姆定律的问题，目的在于当把所有的电压衰减因素考虑进去之后，显示最少9V可以传输到主干线的终端。例如，每个需要320mA的设备以驱动20mA驱动16个设备，所以如果主干线是基于18AWG的电缆，并用25V的电源协调器供电，如果保证传到终端的电压为9V，则最大的电缆长度是1000米。注意，许多用户在9V之上指定了一个最小的操作电压，来允许意外的电流负载，以及未来的附加设备。

图3 一个现场总线主干线开始于H1接口卡，基金会现场总线的一个电源，或是PROFIBUS 主干线适配器。在一个主干线可以支持32个设备。方框中显示“T”的代表终端。

连接设备
如所表述的那样，每个现场总线设备以并列的方式连接到主干线。每个简单的分支连接成为一个“T”。简单的“T” 连接（图4）的问题就是，如果其中的一个设备出现问题，整个主干线将不能工作。在维修设备的时候，就会可能发生短路，现场的一些事故，可能会导致电气问题或是主机的一些其它问题。所以要保证现场总线的成功实施，短路保护是一个必要条件。

图4“T”配置是现场总线最简单的连接方式。然而一旦一个设备失败或是“短路”，它将会导致整个主干“瘫痪”。

另外一种方式就是通过现场总线接线。通常会涉及到“设备适配器”——例如MooreHawke™ TG200 TRUNKGUARD™（图5）——这就允许多个现场总线设备连接到一个位置。典型的情况是，用户会安装一个设备适配器，把附近的设备与之连接。现场总线那电缆将会与其它设备适配器连接。一个多设备主干可能会有几个设备适配器。
在设备适配器中使用两种典型的电子分支短路保护方法。“电流极限”和“反向保护”两种方法都可以防止主干上的分支短路错误，两种方法都可以消除错误自动回复正常。
电流极限技术短路电路的功率量，可以达到40mA到60mA（不同厂家各异）。但是它会在主干上持续保持这个错误。尽管这个设计保护了主干免于初始短路，额外的电流消耗将会剥夺其它设备从主干电源获得电能，将会可能导致主干灾难性故障。
当短路保护剥夺了其它设备的电能以后，某些设备就会因为没有足够的电能进行主要操作而失效。因而，当电流极限保护方法使用在设备适配器上时，许多终端用户要保留一个安全裕量。也就是说不要安装主干理论上所允许多个的设备，要保留一些空余分支。
例如，一个用户如果期望主干可以在有两个出错设备的情况下继续工作——失败的设备可以占用120mA的电流——主干计算时就应该假设最大电流可用值350mA减去120mA作为输出时的电流，即230mA。
虽然理论上主干可以驱动32个设备，每个设备10mA ，但是实际上，它只能支持23个这样的设备。在实际应用中，一些用户在使用电流极限时十分谨慎，只在每个主干上使用16个设备以防止大规模的主干失败。
MooreHawke 的TRUNKGUARD 设备适配器，应用了反向保护技术，从主干上断开了短路的分支，防止整个网络的损失。反向保护技术在每个分支上有一个逻辑电路（图6），检测每个分支或是设备上的短路情况，从主干上断开分支，并有红灯闪烁，以提醒维修人员。
有了反向保护设备适配器，用户可以不再为分支失败担心，可以放心的在现场总线主干线上放置更多的设备。因为H1卡的花费（2500美元）和其它主干硬件的昂贵花销，在一个主干上放置更多的设备可以节省用户不少的开支。

主干终端
每个现场总线为了通讯需要先要被两个终端中止，如果主干没有很好的中止，就会发生由于信号反射引起的通讯错误。许多设备使用手动开/关DIP开关来中止适配器，在一个主干中，最后一个设备适配器，应包含一个终端器，所有的位于最后一个适配器和H1卡之间的适配器应该把他们的终端器开关扳到关。

图5 一个设备适配器允许多个设备连接到现场总线主干线。每个分支有一个短路保护，它不会对整个网络造成危害。每个主干上可以使用多个适配器。

图6 反向短路保护有一个可以检测短路的逻辑电路，从主干上移除短路部分，并闪烁红灯。防止短路危及整个主干。

在图3和图5中标有“T”的方框显示了一个典型的主干合适的中止位置。
在启动过程中运行时经常会遇到的问题是判断终端器的位置是否正确。在安装现场总线设备时，DIP终端器的开关有时候没有在正确位置，就会在启动过程中产生问题。设备可能会运行不正常，不明原因的退出主干，通常会产生严重破坏——所有这些都是因为终端器没有设置正确。
要检查这个错误经常要对每个设备适配器进行物理检查，来判断整个主干的设备适配器是否设置正确。
在TRUNKGUARD设备适配器中所使用的自动主干终端，简化了运行和启动。当设备适配器在判断它是否是最后一个现场总线设备适配器时，它会自动启动；如果是，它就会自动把主干中止。如果不是，它不会自动中止主干，下游的设备适配器将会执行这个任务。安装人员没有必要再进行设置DIP开关这样的工作来设置主干终端了。

冗余现场总线
现场总线有一个最大的问题就是，所有的通讯和供电都基于一个简单的双绞线电缆。一旦这个电缆发生问题，它将会一次性的导致主干上所连接的所有设备失败。不但主干失去了对其上的设备的控制<