正如Jonas Berge

所解释的那样,现场总线可以节约设备诊断和安装成本,这一点已经人所共知,实际上数字总线技术还可以帮助发生晚期的项目变更更加快捷、低成本的实施.

随着对质量、产能、能源效率和环境的日益关注,现在的工厂需要越来越多的测量和控制设备,这也就意味着更多的线缆.并且,现代的设备集成了更多的功能,通常也需要更多的线缆.使用4-20 mA和开关信号对这些设备硬接线,成本将会非常高昂. 修改硬线I/O的订单,在项目后期加入设备,很有可能会带来工期拖延和更多的成本,尤其是在系统已经就位的情况下.对于减少布线和简化修改的需求越来越多,特别是在建立一家新的工厂的时候,在项目晚期做变更,比如加入4-20 mA以及开关设备信号,可能会对项目造成破坏,同时费用不菲. 数字技术的美妙之处在于,你可以轻松通过软件做出修改.举例来说,你可以毫不费力的在软件中修改文档和图形、加工照片、编辑视频.使用现场总线将现场仪表与控制系统连接,实际上也是同样的事情. 因为现场总线利用数字通讯技术,它可以实现“软编组”,后期修改更加方便和便宜.这是现场总线之前从未被发现的一大优势. 现场总线可以提供更多来自设备的诊断功能,快速同步闭环控制,通过使用多台在同一对线缆上拥有多个信号的设备,降低布线的成本.现在,因为拥有的集成能力,现场总线进一步减少了DCS（集散控制系统）的机柜体积.

标准化设计

在项目的早期,设备和信号的精确数量还没有最终确定.因此,工程团队不得不基于现有的信息做出假设,并且在项目晚些时候随着流程设计的最终确定,做出相应的改变.

注意：对于AI、DI、AO和DO类别来说,每一类都有多个子类型I/O卡 表1：很多硬布线设备需要多于一对线缆和I/O卡通道 很多设备类型有不同类别的信号（如表1所示）.在硬布线系统中,由于硬布线I/O高昂的价格,项目可能无法利用全部的这些信号.这就意味着,自动化系统和设备功能没有得到充分利用,因此工厂的潜能也就没有充分发挥. 硬线系统从现场集线箱到编组柜使用多核“全功能”线缆,每一条线缆可以携带12个信号.其中两对做预备,如果设备没有在现场集线箱附近,剩余的线缆对应不到的设备不到10台,这是因为很多的设备拥有超过一个信号.因此,就需要多条多核线缆.举例来说,每一个硬布线电动执行机构或是变速驱动都需要一条多核线缆. 各种不同的信号（表2）来自现场集线箱和编组箱.选择（模拟和数字）I/O卡类型和数量、编组柜尺寸、为各种类型足够数量的I/O备件供电,以及将每台设备的每一个信号分配到指定通道,这些工作并不陌生,但是需要巨大的实验室工作量.每一台驱动的信号都进行了分离,然后与来自相应类型I/O卡上其他设备的信号进行重组.这也就是说,必须要对硬布线编组进行设计. 在使用本安的场合,还必须要为每一种信号选择合适类型的安全栅.根据电磁阀电气性能的概念,对离散输出来说,这是非常具有挑战性的工作. 谈到基金会现场总线,所有的设备都是用相同的简单双绞线通讯,使用总线（也就是H1）供电,并且与单一类型的H1接口卡相连接.传感器或者阀门、控制或者开关,所有这些都是相同可以集成在同一条总线之上.对于指定的I/O卡类型,不需要专门进行信号去噪,现场布线连接也相当简单和直接. 在现场总线诞生的初期,只有监管型控制设备,比如使用现场总线的传感器或者阀门定位器,但是这个情况在逐渐改变,现在电气执行原件和开关阀门也在使用这项技术.因为只有一种类型的现场总线接口卡,机柜需要进行标准化设计,而不是针对每一个项目进行定制设计和精调,这样就节约了项目的时间. 因为现场总线采用“软”布线的方式,对于现场总线设备的信号数量就没有任何限制,可以通过两个完全相同的端子螺丝轻易连接.一台电动执行机构所需的16个信号仍然只需一台设备.多输入温度传感器上的八个传感器仍然使用一台设备,这样就取代了8台硬布线传感器.现场总线阀门定位器的反馈不需要任何反馈选项,无需额外布线,也不需要额外的输入卡.设备上的所有信号都可以利用,且不需要额外成本.这也就是说,每一台设备的都被充分利用,工厂的潜能得以全部发挥. 不需要在现场安装系统板卡或者直流电源,就可以实现布线和空间的节约.整个系统可以安放在室内,这样可用性更高,无需派遣技师到达现场,因此维护也更加方便. 现场总线“主”线缆的一端是现场集线箱内部的总线耦合器,它可以直接与系统机柜中的H1卡连接,不需要中间编组柜.这样就减少了设备的体积和重量,因此对于现场总线来说,就没有编组柜尺寸和跨线设计的问题. 在很多系统中,每条现场总线可以支持16台设备,但是总线通常还没有全负载运行,仍然有着大量的能力富余.考虑到每一台设备都有多个信号,一条现场总线可以替代超过一条硬布线12对多核线缆.举例来说,一条单对现场总线线缆可以支持12台电动执行机构,而采用硬布线的方式,每条线缆只能支持一台设备. 现场总线的计划是基于设备数量,以及很多不同类型硬布线I/O的准确数量和类型.这也就是说,H1卡数量和空闲能力是很容易估算的,而只有现场总线设备的数量需要预测,不需要预测每条总线信号的数量和类型. 本安也得到了简化,因为所有类型的现场总线设备都是用单一类型的安全栅,无论它们是输入设备还是输出设备,是监控设备还是离散设备.

按需供电

常规直流大容量电源不能直接与现场总线连接,两者之间必须要有一个现场总线电源（通常称为“电源调节器”）.直到最近,现场总线电源一直都是一个在H1卡和现场总线主电缆之间的一个独立的中间元件,必须安装在独立的编组柜当中,需要布线. 新的解决方案是带有集成电源的H1接口卡,这种设计不再需要中间的独立电源调节器、编组柜以及相关的布线工作,现场总线主电缆可以直接与H1板卡相连接,从而减少了机柜的数量、减少了设备体积和重量,外部连接也更少. 在非危险区域和Zone 2区域,需要在现场集线箱内使用总线耦合器.在Zone 0和Zone 1区域,则需要在集线箱内使用现场安装的安全栅,而现场设备可以通过“分支”与之连接.

按需I/O

如上所述,每一个项目都会对后续步骤产生影响.影响因素可能来自：流程与控制策略的改变 防滑设备定义延迟 新加入的现场仪表 设备类型的变化 设备中的新增信号 变更较晚、订单改变和延迟,是工程承包商和系统供应商非常熟悉的问题,可能也会对工厂所有者有影响.

添加设备

如果在项目的晚期有硬布线设备必须加入,它将会影响I/O卡和安全栅的类型选择和数量,需要额外的多核线缆.结果将对大部分设计工作产生连锁影响,这会引起延迟.硬布线必须要进行周密计划,因为它的灵活性非常差.备用I/O卡和线缆对都需要计划好,但是如果有额外的设备必须要加入,备用板卡可能并不是正确的类型. 比如,在加入开关阀门的时候,没有足够的数字输出和数字输入卡,或者备用的是错误类型的数字输出或者数字输入卡.并且,在工厂启动之前使用备用卡或者全功能线缆并不是一个什么好主意,加入新的机柜和编组柜也必须进行计划. 硬布线方法有一些“硬”局限,而现场总线的灵活性要好很多.因为不可能将9条硬线I/O连接到一块8通道卡、模拟信号卡或者是离散输入卡上.同样,13个硬线I/O也不可能与12对多核电缆匹配. 对于现场来说,总线上设备的限制是“软”的.如果在项目后期或者启动之后必须要加入现场总线设备的话,仅仅是需要简单的将这些设备连入相应的集线箱就可以在现有总线上加载设备.所以,不需要担心每一台新设备拥有多少信号. 使用软件也可以轻松的完成机柜变更,不需要更多的全功能线缆,也不需要增加或者变更板卡或者安全栅类型,更不需要增加编组和机柜体积.因为只有一种H1卡,因此也就没有备用板卡类型不符的问题.因为接口板卡相同,现场总线设备可以轻易增加、去除或者变更. 备用硬线H1卡也需要计划,但是因为需要加装到现有总线上,在工厂启动运行之前不会使用到备用现场总线卡.对于现场总线来说,在计划备件量的时候,每一个备用设备都可以当作任何一种设备类型,带有多个信号.因此,即便是未来变更所需的设备组合未知,备件也可以得到充分使用.

添加信号

如果在项目晚期发现添加控制、反馈和辅助测量信号需要一些硬线设备,新加的线缆会需要更多的I/O卡、安全栅和编组,这对于后续设计会产生一个连锁影响. 这将会造成延迟,自动化改善也就无从谈起,因为在工厂启动之前并不推荐用完所有的备用板卡和全功能线缆,而备用卡和安全栅的类型可能也不对. 比如说,在添加从某些硬线阀门发回的位置反馈时,可能没有足够的模拟输入和数字输入卡,或者数字输入卡的类型不对.这不仅仅是在阀门上安装限制开关或者在定位器上安装位置传感器的问题了. 现场总线的“软编组”能力是其灵活性的关键,现场总线只需要使用两条相同的线缆,就可以处理所有来自各种的控制、反馈和辅助测量信号.在项目晚期或者在启动之后,需要更多来自某些设备的更多信号,而不需要布置任何线缆或是安装任何其他的硬件.没有必要用完所有的备用线缆或者板卡以及相关的跨线编组,不需要增加任何新的连接就可以使用软件进行配置.这样就是说,在添加信号的时候,没有任何硬件成本,工程成本也极小甚至没有. 在设计的早期,工程师并不需要了解精确的信号数量和类别.在初始设计阶段不需要细节,细节需求可以随着安装和启动一步步完成.举例来说,添加某些现场总线阀门的位置反馈信息,实际上可以将它列入到控制策略当中. 很重要的一点,是要确保控制系统软件的许可系统是基于现场总线设备的数量,而不是实际使用信号的数量.

更改设备类型

类似的,如果硬线设备的类型必须要更改,它可能会影响到I/板卡和安全栅的数量,乃至类型的选择,因为这些设备要求的信号并不相同.如果有更多的信号加入,就另外需要全功能线缆,这就是前期设计工作中的所谓多米诺效应. 比如,如果过程需要控制阀门或者电动执行机构,而不是最初计划的开关阀门,24 VDC数字输出卡就需要更改,或者线缆重新连接到4-20毫安模拟输出卡或者24 VAC数字输出卡,数字输入卡也必须要替换成模拟输入卡. 通过现场总线,所有的测量和输出的特征都可以在现场设备中提取出来,因此现场总线信号对于所有的设备都是相同的：输入或者输出,模拟或者离散.系统卡中不需要进行特征化,因此设备的变更也就不会影响系统卡.信号通过软件被限制在控制策略之中,通过这种虚拟编组,如果现场总线的类型必须要进行改变,也不会影响到相应的工艺过程,因为H1接口卡和安全栅是相同的,线缆同样也是相同的.

实施的优势

除了围绕控制机柜编组方面的优势之外,现场总线技术在实施阶段还有以下多项优势：

安装更容易

对于装备硬线设备的工厂来说,必须要用部署大量的多核线缆,需要大量的劳动力.这还不算大量其他的工序,比如在每一台设备都要对至少两条最多四十条线缆进行分割、剥皮、打标签、卷曲、固定拧紧的操作等等.对于每台设备的每一个信号,都需要找到指定的I/O板卡终端,设备终端的必须要在集线箱内部正确布线；而对于全功能多核线缆来说,在编组柜内必须与合适的I/O卡和通道搭配. 对于现场总线来说,布置的线缆更小更轻,所需的全功能线缆也更少,因此也就能够节约劳动力.由于无论设备拥有多少信号,都只使用一条现场总线,因此连接的规划也得到了极大简化.所有类型设备的布线都实现了标准化,即便是那些拥有很多信号的复杂设备也是如此. 现场总线只需要两个终端,与简单的4-20 mA变送器一样,但是硬布线的数量要比像电动执行机构这样复杂的设备少很多.另外一项优势在于,现场总线对于极性并不敏感.

配置快捷

拥有很多编组和I/O板卡机柜的硬布线系统,必须要进行精密加工,融合多个信号终端的跨线,保证每一个现场信号都可以分配到I/O板卡终端.系统数据必须对每一台设备的信号一个一个打标.每一个信号标签都必须在创建之后与正确的I/O板卡和通道匹配.取决于设备类型,必须要建立很多个信号标签. 受益于面向现场总线设备的电子设备描述语言（EDDL）文件,在配置中加入新的设备的时候,所有的信号都可以面向系统数据库自动生成,而不需要人工创建每一个信号标签.每台现场总线设备的数据库都是基于标签建立,而不是面向每个信号.根据设备类型,可能存在很多信号,从而显著节约了配置时间. 在软件中,编组工作只需要选取点击信号标签就可以完成.控制策略可以通过链接工程站中的功能模块,也就是所谓的“软布线”,进行虚拟编组.比如,带有电磁阀和两个限制开关的开关阀门,就可以表示成三个信号的单一设备标签.

快速回路检查

为了保证所有来自硬线现场设备的信号都能够连接到正确的I/O卡上正确的通道,并且具有正确的极性,需要在现场预试车的时候进行详细的回路检查,发现任何所有的信号编组混淆.这是一项必要但是会造成拖延的工作. 对于模拟信号,可以进行五点回路测试,模拟4/8/12/16/20毫安的情况,确保电流没有受到限制,检测接地回路,保证不会出现由于布线、安全栅或者信号调节器造成的非线性的问题.回路检测还可以保证在设备和系统之间不会存在不匹配或者电流校准出现偏差的情况.也就是说,要保证变送器中20毫安的电流100%的出现在系统当中. 并且,开关设备检测需要两个人一同工作,一个人关注现场设备,而另外一个人确认系统中的信号.这也很费时. 现场总线回路检查就要容易得多.系统可以根据控制和反馈信号自动检测连接的现场总线设备,在软件中同步显示,可以轻松进行确认.因为不存在4-20毫安或者范围的限制,并不需要进行五点测试,一个简单的合理性测试就足够了.这样不仅可以加快变送器和定位器的检查速度,离散型设备比如现场总线开关阀和电动执行机构可以从中受益. 现场总线只需要一名工程师就能够快速的验收系统.可以验收现场设备的名称,还可以验收生成的信号和反馈.没有必要在现场进行人工激活,该系统可以自动确认安装设备的类型（包括款式和制造商）无误,无论这些设备是变送器和定位器,抑或是向开关阀和电动执行机构这类离散设备.

快速FAT

测试

在硬线系统的工厂接受测试（FAT）过程中,每一个现场信号终端都需要进行测试,以确保物理编组对应正确的I/O卡和通道,匹配正确的系统标签、变送器值域合理等等.在交货之前,必须要通过物理布线模拟器和指示器对实际I/O卡进行全面的验收,这是一项费时但非常重要的工作. 在现场总线系统的FAT测试当中,功能测试首先在板卡的层面完成.每一个实际的H1接口卡只需要相对单一设备进行简单测试,接下来再使用一个虚拟模块对每台设备的每一个信号进行测试,这样FAT要容易得多,功能检查也快得多.

现场总线的灵活性

基金会现场总线的软编组功能有很多优势,因此不需要跨编组布线,所有与跨编组相关的设计和工程工作都不需要了.同一对线缆就可以传递所有设备的所有信号,并可以使用软件配置进行编组.如果在项目的晚期需要修改现场总线设备或者添加新的设备,不需对现有的总线进行变更. 事实上,新设备以及现有设备中更多的信号,都可以加入到现场总线当中,这些信号可以通过软件进行编组.所以,硬线编组柜就变成了昨日黄花.这些简化意味着布线更少、拆除线缆花费的时间也更少,项目晚期变更的灵活性也更大,项目计划延迟的风险更小.