工廠優(yōu)化是所有組織機(jī)構(gòu)的戰(zhàn)略目標(biāo)之一。全球化競爭迫使工廠不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成品成本、縮短工廠停產(chǎn)時(shí)間、提高工廠安全性、縮短產(chǎn)品上市周期，并且增強(qiáng)工廠的靈活性。工廠優(yōu)化不但能夠減少工廠結(jié)構(gòu)（如圖1所示）中各類網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)和系統(tǒng)的數(shù)量，而且可以增強(qiáng)自動(dòng)化系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)（MIS）之間的信息集成。高性價(jià)比的系統(tǒng)建立在標(biāo)準(zhǔn)、大容量、低成本的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上。
采用單個(gè)開放和集成化的現(xiàn)場總線取代專用的自動(dòng)化系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，支持傳感器、設(shè)備和高速子系統(tǒng)的直接集成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D1右邊的結(jié)構(gòu)。開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支持眾多供應(yīng)商的各類可互操作產(chǎn)品。
 基金會(huì)現(xiàn)場總線－－開放、集成化的現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)
基金會(huì)現(xiàn)場總線采用廣為人知的開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）參考模型，如圖2所示，OSI模型按層對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行描述。
物理層
基金會(huì)現(xiàn)場總線提供兩類物理層，用戶可根據(jù)應(yīng)用需要選擇H1或HSE。H1的傳輸速率達(dá)31.25 kbit/s，它針對過程控制和混合應(yīng)用場合進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。H1支持總線電源的本質(zhì)安全應(yīng)用場合，可采用實(shí)體式和現(xiàn)場總線本質(zhì)安全概念（FISCO）模型。H1雙絞線的傳輸距離可達(dá)1900米，采用光纖電纜時(shí)，傳輸距離為1600米。
HSE（高速以太網(wǎng)）的傳輸速率可達(dá)100 Mbit/s，應(yīng)用對象為高性能、完全冗余的控制主干網(wǎng)，如H1子系統(tǒng)和高密度數(shù)據(jù)源（如PLC和分析儀等）的集成。在以太網(wǎng)交換機(jī)和設(shè)備之間，HSE標(biāo)準(zhǔn)雙絞線以太網(wǎng)電纜的最大傳輸距離為100米，全雙工光纖電纜的最大傳輸距離為2000米。 通信棧
“通信棧”（第2層到第7層）將信息由A點(diǎn)傳送到B點(diǎn)，這與飛機(jī)將乘客由一個(gè)國家運(yùn)送到另一個(gè)國家很相似。H1物理層和棧都是IEC 61508國際標(biāo)準(zhǔn)的一部分。物理層和低層面棧中，HSE采用IEEE 802.3和互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)場設(shè)備訪問代理（FDA）應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)請參見IEC 61508。 用戶層－分布式控制
要實(shí)現(xiàn)真正意義上的互操作性，基金會(huì)現(xiàn)場總線采用“用戶層”定義現(xiàn)場設(shè)備中控制功能的框架。設(shè)備描述（DD）對參數(shù)信息的內(nèi)容進(jìn)行描述，無論是哪一家供應(yīng)商的產(chǎn)品，主機(jī)都可以理解并顯示過程數(shù)據(jù)。設(shè)備描述由IEC 61804-2國際標(biāo)準(zhǔn)定義。
用戶層允許控制功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中（參見圖3）。這樣可以省去大多數(shù)的I/O轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，控制器的硬件和接線成本顯著降低，整個(gè)系統(tǒng)的電源指標(biāo)降低，控制柜空間縮小。由于消除了單一集中的故障點(diǎn)，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)；如果某一設(shè)備發(fā)生故障，強(qiáng)大的診斷功能可迅速找出故障點(diǎn)，從而縮短維修時(shí)間并提高系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí)間和工廠安全性能。
 要實(shí)現(xiàn)分布式控制，諸如流量變送器中的模擬量輸入（AI）或閥門中的模擬量輸出（AO）應(yīng)采用功能塊實(shí)現(xiàn)。比例、積分和微分（PID）控制功能也可以嵌入到功能塊中，并在現(xiàn)場設(shè)備中運(yùn)行。如圖3所示，PID和AO塊在閥門中實(shí)現(xiàn)。對基本控制塊而言，輸入和輸出的數(shù)量和類型由基金會(huì)現(xiàn)場總線技術(shù)規(guī)范預(yù)定義。更復(fù)雜的功能，如批量控制、同步驅(qū)動(dòng)控制、I/O網(wǎng)關(guān)和PLC時(shí)序，可采用特定的靈活功能塊（FFB）。FFB的輸入和輸出，以及FFB控制算法則由最終用戶組態(tài)。 設(shè)備測試和注冊
現(xiàn)場總線采用嚴(yán)格的測試以確認(rèn)設(shè)備是否符合相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，所有控制設(shè)備、設(shè)備描述文件、功能塊、通信棧和物理層都需加以確認(rèn)，通過測試的設(shè)備將加上產(chǎn)品注冊的“校驗(yàn)標(biāo)記”。
最終用戶應(yīng)選用通過現(xiàn)場總線測試程序的設(shè)備。通過設(shè)備注冊和主機(jī)HIST測試的設(shè)備清單列在現(xiàn)場總線網(wǎng)站上 www.fieldbus.org。 基金會(huì)現(xiàn)場總線的應(yīng)用
圖4給出基金會(huì)現(xiàn)場總線的應(yīng)用范圍。針對基本和先進(jìn)過程控制應(yīng)用場合，基金會(huì)現(xiàn)場總線列出21種標(biāo)準(zhǔn)功能塊，更多的功能塊仍在研發(fā)中。前面提到的靈活功能塊（FFB）是一種針對特定應(yīng)用場合而設(shè)計(jì)的功能塊，以實(shí)現(xiàn)各類控制策略，如監(jiān)視數(shù)據(jù)采集、批量控制、PLC時(shí)序、鍋爐管理、同步驅(qū)動(dòng)和先進(jìn)I/O接口。FFB采用諸如IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程工具創(chuàng)建。FFB還可以將其他網(wǎng)絡(luò)的信息（如傳感器總線）傳送到基金會(huì)現(xiàn)場總線的開放結(jié)構(gòu)中。
集成化和互操作性
互操作性對于工廠優(yōu)化至關(guān)重要，因?yàn)樗ＷC用戶能夠從多家供應(yīng)商那里獲得所需的各類設(shè)備�，F(xiàn)場總線采用開放、集成化的現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)體系，從而確保工廠結(jié)構(gòu)中，設(shè)備層、子系統(tǒng)層和數(shù)據(jù)服務(wù)器層實(shí)現(xiàn)集成和互操作。 現(xiàn)場設(shè)備集成
如圖5所示，H1可對不同供應(yīng)商的現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化集成。由于采用功能塊、設(shè)備描述和通用通信棧技術(shù)，無需客戶進(jìn)行軟件編程，注冊設(shè)備可在H1現(xiàn)場總線上實(shí)現(xiàn)“即插即用”。
子系統(tǒng)集成
HSE與自動(dòng)化子系統(tǒng)的集成如圖6所示。與現(xiàn)場設(shè)備集成后，子系統(tǒng)集成時(shí)無需客戶進(jìn)行軟件編程。HSE是一種高性能主干網(wǎng)，它采用低成本的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備。鏈接設(shè)備將H1子系統(tǒng)集成到HSE主干網(wǎng)中。
采用各類廣域網(wǎng)設(shè)備和服務(wù)，或光纖電纜，遠(yuǎn)程工廠也可以集成到企業(yè)主干網(wǎng)中。標(biāo)準(zhǔn)的防火墻技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)工廠網(wǎng)絡(luò)的安全。 總結(jié)
基金會(huì)現(xiàn)場總線提供工廠所需的開放式、集成化的現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)。H1支持現(xiàn)場設(shè)備集成的優(yōu)化方案。HSE將H1和其他控制子系統(tǒng)與高性能的100 Mbit/s控制主干網(wǎng)相集成�；饡�(huì)現(xiàn)場總線的功能塊確保結(jié)構(gòu)中所有層面的數(shù)據(jù)采用相同的表示方式。功能塊、設(shè)備描述技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，不同生產(chǎn)商的設(shè)備在H1和HSE實(shí)現(xiàn)互操作。嚴(yán)格的測試程序可確保注冊的H1和HSE設(shè)備實(shí)現(xiàn)互操作。
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