在20世纪90年代中期，一种新兴的“智能”现场仪表正在改变着传统集散控制系统（DCS）用户的愿景。基金会现场总线的兴起深刻影响了工厂的自动化策略，使最终用户将控制功能转移到现场设备，同时释放出更高层级的资源实现实时生产控制。
　　基金会现场总线完全遵循IEC 61158/61784/61804国际标准，因此这是唯一一款使用标准和高级功能模块（比如模拟输入、模拟输出、PID控制以及算数器、积分器、分路器和定时器）支持将控制策略转移到现场设备的解决方案。
　　现场控制的原理十分简单。通过在设备层进行控制，流程控制任务可以确确实实被分解，系统在H1层级上没有任何单点失效。如果在人机界面（HMI）中存在功能错误，流程的可视性减弱，控制器或者系统中的其他任意元件和控制回路，包括智能现场设备、执行器和定位器以及网络，都不会受到影响。在DCS中进行控制的情况当中，现场级控制实际上增加了冗余性。
　　安装基金会现场总线的工业设施不需要在现场层面上进行批控制和逻辑控制。该项技术具备主要PID和次要PID（顺序）功能，并将进给/前向和超前/滞后控制纳入到智能控制阀门定位器/控制器当中。
　　CIF如何工作？
　　如前所述，基金会现场总线是一项独一无二的数字总线技术，让控制回归现场成为了可能。这意味着，无论控制室正在发生什么，只要您拥有现场仪表，可以运行输出设备/执行器，您就可以继续控制您的流程。
　　基金会技术的一项重要属性就是它的功能模块，它可以承担一部分“规划”的功能（比如通讯和控制是同步进行还是顺序进行）。这意味着：1）可以在模拟输入模块（AI）执行结束之后，规划测量通讯；2）规划PID模块，在测量值到达的时候启动；3）在PID模块执行结束之后，规划管理变量的通讯；4）在管理变量到达之后，规模模拟输出（AO）模块的执行。因此，可以尽量减小停机时间，样本可以精确的定期采集，误差最小。

基金会技术帮助最终用户将控制功能转移到现场设备，同时释放出更高层级的资源实现实时生产控制。

　　PID功能模块使现场控制以及（作为结果）单环完整性成为可能。除了将PID功能模块置于网络的一台设备之中（通常是AO设备），为了优化带宽使用，每一个使用现场控制的现场总线网段都要求网络上的至少一台设备担任“连接主机”设备。这台设备假设此次事件中所有网络通讯与控制系统的连接都丢失了。
　　基金会现场总线和单环完整性提高了控制回路的可靠度，它同冗余提供的可靠性不尽相同。根据定义，冗余指的是安装一台相似（通常是相同）的设备具备同样的功能。就H1接口卡通讯损失这个案例来说，现场总线只要有通讯和电力就会持续提供控制功能。同时，只要输入/输出设备功能良好，就可以进行可靠的控制而不需要冗余。
　　使用基金会现场总线解决方案，最终用户在设计工厂自动化架构的时候具有很大的灵活性。使用这项技术的控制系统可以采用非常复杂的控制方案，在控制器或者线缆上执行控制功能，也有可能两者同时发挥作用。
　　举例来说，像艾默生DeltaV解决方案这类控制系统支持现场控制和主机控制，或者两者的结合。该系统可以在控制和CIF中配置控制算法，并在同一个环路中将二者结合。其控制策略模板还可以与中心控制和CIF协作，自动整定软件也能够在现场总线设备中对PID控制进行整定。除此之外，用户可以连接功能模块类型大型数据库，根据CIF的表现实现与现场总线设备同步。
　　HSE的关键作用
　　工业企业采用现场控制的一个主要因素是现场总线基金会完成了高速以太网（HSE）规范。基金会现场总线的数字设备和双向通讯技术已经存在了30年，那时候第一台DCS和可编程逻辑控制（PLC）系统可能还没有开发完成。
　　基金会现场总线简化了HSE连接设备现场的控制分配工作，在现场总线网络架构当中，HSE连接设备是将H1现场总线网络集成到高速以太网主干网的关键。
　　它的功能相当于HSE和H1通道之间的“桥梁”，将现场设备和其他主站彼此连接起来，因此它是集成系统通讯，直接I/O连接和高级控制应用的必要元素。
　　单一HSE连接设备可以连接四个H1现场总线网段，每个网段上搭配最多16台设备（也就是每台连接设备最多连接64台设备）。另外，每台连接设备都可以装备超过300个功能模块，执行高级或者更加复杂的控制功能。
　　在HSE连接设备中定位控制功能，可以统一控制室与现场的控制结构。连接设备的位置可以与通讯店聚合的流程非常接近。这种方法也将任何监控损失的影响降到了最低。单个设备的失效只会影响整体控制功能的一部分。
　　自动化最终用户可以通过连接设备利用HSE来实施控制系统。这些设备设计连接H1网段，采用单一或者冗余配置。将HSE作为主干网，可以在整个工厂内部部署连接设备。它还可以节约连接H1网段到控制室的线缆的成本。
　　在现场设备中使用基金会现场总线备份连接主动规划期（LAS），同时在HSE总线和监控设备中加入冗余，可以保证高度的系统完整性。现场仪表可以通过注册现场总线设备提供的输入标准设备描述（DD）和功能文件（CF）进行集成。
　　基金会现场总线控制系统充分利用HSE，提供了一个真正联网的解决方案，允许流程拥有者可以设计同时反映流程功能和地理要求的总体控制架构。这与那种直接连接单独H1网段和控制器的系统设计不同。除此之外，基于HSE的解决方案可以面向关键应用为现场环境增加冗余功能，在控制器硬件失效的少数时刻也可以保证现场控制可见。
　　实施带有HSE的现场控制其中一个最主要的原因，就是消除了同步方面的问题，同时它也缓解了中央控制器的负担。使用其他的解决方案，你必须使用一台控制器控制一个设备网段，然后再转向另外一个网段，因此会造成让人无法接受的延迟。
　　工业专家的考量
　　为了撰写这篇文章，本文的作者向领先的自动化行业工业商和最终用户咨询他们对于基金会技术现场控制的看法，以及这项技术将会如何影响工厂运营表现和项目生命周期成本。

　　Marcos Peluso是艾默生过程管理公司的一位知名技术专家，他相信现场控制解决方案。“CIF可以作为控制个体回路，也可以作为DCS高级控制方案的一部分，”Peluso说：“DCS可以发送设置点或者计算变量给监管回路。点或者计算变量给监管回路。根据现场设备中的功能模块，CIF提供了级联、优先、分割、交叉等不同的控制策略。
　　他接着说道：“CIF控制表现要优于DCS中的控制。因为现场总线中的控制严格按照计划执行，变量升级和最终的控制元素激活都是按照非常精确的时间间隔进行的。使用I/O卡的DCS控制缺乏同步性，不能保证相同间隔周期。比如说，PID控制计算积分和差分，假设升级通常是指在相同的周期内进行的，如果存在差异，变异就会增加。”
　　“在使用CIF的时候，最终用户需要选择高质量的设备和辅助设备，特征和性能可以满足它们的目标。计划周密执行良好的安装工作，可以降低维护成本、增加流程工作时间，从而带来良好的投资回报，”Peluso总结道。
　　横河电机公司无线及现场网络技术咨询顾问Amit Ajmeri也发表了自己对于CIF的看法。　　他说道：“使用CIF难以实施复杂的回路，因此开始要首先使用简单和级联回路，确定您希望在何处应用PID控制功能模块。如果您的DCS在每个周期内可以实现控制器到现场总线I/O卡的同步数据传输，您就会看到同样的绩效改善，这与您是否使用CIF或是在DCS中进行控制没有关系。如果有DCS外部的人员使用现场设备，CIF可以把PID控制参数传输给他们，因此需要特别安全保护才能确保未经授权的人员不会接触到相关的信息。一旦确定了运营步骤，数据安全并不会成为问题。

比如在发电厂中的一些更快的流程，可以从现场控制中获得更多的收益。

　　Ajmeri对于那些考虑使用CIF的最终用户也有着一些建议：“要检查一下您的DCS供应商，看看他们是否已经实现基金会现场总线I/O扫描的同步。另外，还需要注意所有的PID模块参数以及PID模块的默认配置，因为每个供应商给的配置可能都不一样，”他说道：“除此之外，要保证PID模块数据安全的实施步骤和授权数据接入的管理，创新CIF设备的设备替换流程。当然，培训也非常重要。”
　　ABB公司营销支持经理Dave Huffman评论道：“有一些分析指出，使用H1 LAS的纯粹循环控制比那些针对特定困难回路设计的集中式控制设计效果更好。但是基本上，我有点怀疑如果所有者实现对回路进行适当整定的话，无论PID功能置于何处，今天运行的绝大多数控制回路的控制质量基本都是相同的。”
　　“考虑HSE，可以通过将控制转移到现场设备获取控制器资源。如果控制功能可以在现场设备中完成，最终用户就不再需要为任何通讯或者系统负载添加控制器。”
　　Huffman补充道：“工业企业的工程师需要按照设计的方式使用技术，这样才能充分发挥基金会现场总线的优势。只是把它看成一个I/O系统没什实施带有现场控制功能的基金会现场总线还可以减少与布线、电源、面板空间和冗余硬件相关的成本。，通过减少硬件，实际的可能失效点也更少，因此提高了系统的可靠性。类似的，设备之间连接数量的减少也让系统更加可靠。
　　基于CIF的流程可靠性与有效性的提升，可以大幅减少意料之外事故的发生。工厂的工作时间延长对于企业的利润有着正面的影响，同时还可以加强控制的精确度，促使操作员减少原料和能源的使用，增加产出并改善最终产品的质量。
　　选择正确的应用
　　在某些应用中实施现场控制可以比传统的仪表或者主站控制效率更高。这是因为在现场的控制可以独立于主站控制系统运行，循环周期只有四分之一秒。典型的DSC对I/O扫描的周期死五分之一秒。周期越短、测量越精确，意味着运行更接近系统的物理局限，因此在不需要购买大型设备的前提下就会增加产出。
　　在典型的工业运营中，更快的流程可以从现场控制中获得的收益越多。如果流程有意整定对控制器慢速响应，或者由于亚摆率和饱和限制了快速响应，一些情况下现场级控制的优势也会打很多折扣。还有很多特别的回路需要非常快的采样速度，但是需要的传感器和执行器不符合现场总线的要求。
　　CIF策略尤其有效的应用包括压缩机反浪涌控制、多流和压力回路以及一些快速的温度、pH值、位置和速度回路。发电行业，包括核电，一直以来都是基金会现场总线的一类主要应用，在典型的发电厂当中有很多重要的压力和流回路，对于总体性能有着重要影响，可以决定发电厂能以多快的速度处理负载变化或者提升流程效率。
　　结论
　　对于今天的自动化最终用户，可以从实施带有现场控制的基金会技术解决方案中获取巨大的收益。首先，CIF可以提供单环的完整性，因此减少了控制策略失效导致流程工厂部分或者整体停机发生的概率。其次，CIF不仅降低了现场总线网络的通讯量，还减少了流程自动化系统控制的负载。最后，CIF通过减少设备安装量和试车成本，提供预防性维护工作需要的信息，减少了整体自动化系统的生命周期成本。