开放体系结构用于信息集成 工厂优化要求来自于传感器，自动化系统和应用软件的信息的集成。 基金会现场总线把设备层网络和高速骨干网整合到一起。 David A. Glanzer, Fieldbus Foundation 自动控制通信网络——通常所说的现场总线————是现代工厂的基本要素 体系结构（见图一） 图一，信息集成的开放的体系结构通过减少网关，控制网络和传感器与数据服务器之间的设备网络的数量使工厂的层次结构变得平缓。通过除去I/O接口，分散控制和将传感器/施动器集成到智能装置中能提供进一步的优化。传感器交换场所的集成框架从金字塔的最低级现场总线开始，因为这是必需的传感器和控制信息所在地。要使金字塔变平，公司必须用开放的现场总线和分布式控制系统来替代不兼容的网络和系统。传感器，设备，子系统和数据服务器就能减少对网关和别的接口设备用户装置和复杂集成的需要。 （开放现场总线） 为了经济而高效，开放现场总线结构必须基于被广泛采用的通信协议，支持标准用户层（见图二） 图2. 开放的结构必须使用标准的现场总线通信网络和标准的用户层以确保 现场设备和子系统能够协作。要达到高效低价的工厂优化，通过COTS信息技术和基于个人电脑的数据服务器对用户层信息进行开放访问是必须的。这样的现场总线使控制设备能够与网络连接并且从OSI参考模型的物理层到应用层都能协作。 高容量的现场总线通过去掉部件开销和使公用帮助平台支持可行来减少系统开销当然，减少现场总线的数量来保持维护费用尽可能的低也是很重要的。 标准的用户层 设备在网络级协作还不够。网络只将消息从点A移到点B。 要解决控制问题，设备必须与用户层协作。开放的体系必须定义标准的用户层 ，该层定义 设备如何执行数据采集和控制功能以及这些功能如何通过现场总线进行协作。 最后，开放的现场总线结构必须允许实时数据服务器完全访问应用层信息。 方便的信息访问是企业管理的关键。反过来服务器为客户提供通用的界面。应用程序包用客户端访问建立企业资源规划和商业系统数据库所需的现场总线信息。数据服务器通过使用基于Web的技术，如HTML, XML和浏览器来提高信息集成。 分布式控制 强大的低价的微处理器使得在现场设备级分散控制功能低价高效。这意味着多设备可以共享控制策略。例如，这样的功能如流量发送器的模拟输入或阀门的模拟输出封装在功能块中。PID控制功能也能建到功能快中并在现场设备中运行。分散控制减少或去掉I/O子系统和控制设备，这减少了设备费用，电源消耗和安装空间。 互操作性 设备集成。用户层提供功能块参数的标准定义并代表功能快参数。这允许生产商开发能够互连并在同一现场总线上不需要用户编程就能互操作的产品。（例如，来自于不同厂商生产的即插即用设备）。 图三 基金会现场总线允许这样的功能如D/A和PID控制被分散到智能现场设备中。 现场总线，用户层功能块和设备描述与性能文件使不同厂商的设备能不经用户编程就能在同一网络上协作。这里H1现场总线用来将设备集成为一个自动控制子系统。互操作性对工厂优化是至关重要的 ，因为它能确保有足够的设备提供者来提供所需设备。使用标准功能块极大地减少了系统设计，配置，启动和运行及正在进行的工程费用。 子系统集成。高速现场总线集成自动控制子系统。 图4 HSE使用和H1相同的用户层功能块和设备描述符及性能文件，但是它使这些功能在高性能的100 Mbps COTS以太骨干网上可用。和H1一样，从不同厂商生产的HSE设备在骨干网上不经用户编程也能互操作。灵活的功能块为批控制、PLC应用、与其它网络接口（如传感器总线）提供额外的支持。这些网络担当骨干控制网络。有了设备集成，子系统集成不要求用户软件编程，而采用现场总线配置工具。 连到高速骨干网的数据服务器提供操作站，工程工作站和应用包来访问工厂信息。服务器接口通常称为软件底板，因为应用软件包能够插入软件底板就象硬件卡可以插入PC底板。 一个选择 现在，你有多种现场总线供选择。其中一个选择就是基金会现场总线，提供开放的体系结构来提供这里描述的信息集成。现场总线不是为了利润而开发的。现场总线基金会 Austin, TX 。别的组，如OPC基金会, Boca Raton, FL—提供开放数据服务规范 现场总线使用两个互补总线。 图五。基金会现场总线覆盖了从基本处理控制到高性能批处理，离散的，混合控制等大范围的应用。 H1为处理控制应用进行了优化，HSE对高性能应用和子系统集成是理想的设备级的网络（H1）运行在31.25 Kbps ，支持处理控制型应用。高速以太网(HSE),运行在100 Mbps，为高性能控制应用，子系统集成，高密度数据生成和对数据服务器支持而设计。HSE充当骨干网络。两种网络都是IEC标准61158的一部分（测量和控制数字数据通信-——现场总线用于工业控制系统）。 基金会现场总线规定了21个用于基本的和高级的过程控制的功能块，有更多的在开发中。标准的功能块能建在连到H1或HSE网络的现场设备中块按需要配置，然后连接。批处理，离散的和混合的控制。系统总线提供灵活的功能块(FFB)，能执行复杂的批处理，离散的和混合的应用。FFBs是应用相关的，设计来实现控制策略，例如，监视DA，批处理顺序，火炉管理，驱动协调。用户用基于IEC 61131-3标准的编程工具创建FFBs 。一旦编程工具建立了FFBs，它们就被配置并相互连接。也可以用FFBs把别的网络（如传感总线）的信息映象到现场总线的开放体系中。这种映象典型的是在I/O多路器或PLCs中执行。在很长的时期内，很多传感器网络将被基金会现场总线替代。通过减少必须支持的网络数量，使体系结构平缓到易于管理得级别，将提高工厂优化现场设备。H1子系统 包含运行功能块的现场设备。因为两种网络都有共同的用户层，功能块能既能运行在H1上，又能运行在HSE网络上。例如，可以用灵活的功能块建立HSE批处理控制器或HSE PLC带有功能块的现场总线设备的另一个例子使运行在HSE上的高性能分析器。 连接设备 多端口连接设备(LDs)用来将H1网络连接到HSE网络。连接设备执行桥的功能，使本地连接的H1网络上的设备不经主机介入而对等通信。连接设备的转发功能允许一个连接设备上的H1设备和另一个连接设备的H1设备对等通信，同样没有主机介入。 网络设备 HSE用标准的Ethernet/IEEE 802.3协议，它允许使用COTS设备。以太网设备，如交换机和防火墙。100 Mbps以太网的拓扑是从交换机的星形结构。交换机包含防火墙功能，防止特定类型的信息进入或离开网络。防火墙阻止信息进入交换机，阻止其进入本地网络。H1并不要求任何网络设备。 冗余 HSE支持冗余的通信路径。如果某条路径坏了，数据流动将立即移到一条可选路径上。要实现这一点，所有HSE设备周期传输网络诊断信息到所有以太端口。每一设备都用这些消息来生成本地网络状态表，以使HSE设备独立选择端口来通信，避开以太网络上有缺陷的通信路径。冗余以太交换机是容错网络的一个例子。如果防护物理电缆不被破坏是唯一的关注，实现冗余媒体就象在同一交换机上用两个不同的端口一样简单。别的类型的容错网络也被支持，例如光线环形配置。一些关键的监视和控制应用也需要设备冗余。冗余的链路设备配置能确保从HSE子系统到H1子系统的无中断访问。如果一个连接设备失败了，和H1子系统的通信将通过另一连接设备继续。任何 HSE设备都能成为冗余，不仅是连接设备。 统一的系统体系 基金会现场总线是从上至下设计的，开始是终端应用要求。 图六 H1 和HSE用同样的用户层，用户选择所需的H1 和HSE设备来解决应用问题。 为了确保设备互操作协作，H1 和HSE设备被现场总线基金会测试和注册。 统一的系统结构基于OSI互联模型。现场总线协议调用2–7通信协议栈。OSI第一层定义了物理连接。第一层以下是物理媒体。H1用IEC 61158 Type 1定义的1,2,7层HSE用以太网和IEEE标准定义的一到四和第七层。第七层有IEC61158类型5定义。用户层由现场总线基金会定义。 注意到在统一的系统结构中HSE补充而不是替代H1。H1在现场级优化，因为支持多点分支和树形拓扑，布线距离长达1900（无中继器），电源和信号在同一对线上，支持本安。 物理层 物理层的目的是确保在媒体上正确发送和接受比特。 H1物理层支持双绞线，并可以用多达每段四个中继器来延伸电缆范围。传输是半双工的，这允许同一媒质被几个设备共享。支持的设备数量依赖每一设备的电源消耗，电缆类型和是否用中继器。H1设备能从现场总线双绞线供电，它们可以运行在以前用于4–20 mA设备的线路上。在传输的时候，设备将发送±10 mA电流，来产生1 V峰蜂电压，调制在31.25 Kbps供电在9到32v之间变化，在信号频率上成高阻。 H1支持总线供电的安全应用。要实现这一点，用户可以在供电安全区和危险区之间放置安全栅。本安的供电电压依赖安全栅的值。H1支持现场总线本安概念和实体模型。 双绞线的替代者是光纤（也运行在31.25Kbps）。用这个方法，设备通过星适配器连到现场总线，从设备到星型适配器的距离在1.2千米 到1.66千米之间变化，依赖于光纤大小，波长和供电。HSE用标准的IEEE 802.3信号和媒质。这种网络在100 Mbps测试，但可实现1 Gbps速率需