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現(xiàn)場總線在國內(nèi)推廣應(yīng)用的再思

http://007sbw.cn 2011-06-28 23:26 來源：中國自動化學(xué)會專家咨詢工作委員會

彭瑜（上海工業(yè)自動化儀表研究所）

   現(xiàn)場總線的設(shè)想和概念是上世紀(jì)70年代在歐洲開始形成的。從概念走向開發(fā)、制定標(biāo)準(zhǔn)、驗(yàn)證，到形成系列產(chǎn)品和實(shí)際投入使用，幾乎用了20年的時間?，F(xiàn)場總線技術(shù)介紹到國內(nèi)來大約是在80年代中期，之后一直是對概念的理解和在制定國際標(biāo)準(zhǔn)過程中處于旁聽的地位，局限在業(yè)界極小范圍，沒有引起全行業(yè)足夠的重視。進(jìn)入90年代后開始受到較多的關(guān)注，不過等到現(xiàn)場總線產(chǎn)品和系統(tǒng)引進(jìn)到國內(nèi)，在比較大的范圍和大規(guī)模的應(yīng)用，到今天幾乎也用了20年的時間。我們今天能說它的技術(shù)和應(yīng)用已經(jīng)成熟了嗎？也許誰也不敢作肯定的回答。
可是僅僅比這種技術(shù)早不了幾年的一些自動化技術(shù)譬如PLC，或者是同期開始發(fā)展的技術(shù)譬如DCS，我們今天完全可以說它們是成熟的技術(shù)。當(dāng)然，它們還在繼續(xù)地發(fā)展。為什么？我認(rèn)為這個問題值得思考！
現(xiàn)場總線技術(shù)在我國的應(yīng)用取得很大的成績
據(jù)英國敏思管理咨詢公司（IMS）對工業(yè)通信中國市場的調(diào)查報告看，截至2008年在我國已安裝現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)估計(jì)為1166.75萬個。其數(shù)量可以說是夠龐大的。其中按通信協(xié)議來分：Profibus 占24.2%（282.7萬個），CC-Link 占11.16%（130.31萬個），DeviceNet占 9.75%（113.83萬個），FF占 1.67%（19.58萬個）。顯而易見，工廠自動化用現(xiàn)場總線的任一個協(xié)議（如Profibus、CC-Link、DeviceNet等），它們已安裝的節(jié)點(diǎn)數(shù)要比過程控制用現(xiàn)場總線（如FF）高整整一個數(shù)量級。
從以上的數(shù)據(jù)看，我國現(xiàn)場總線的應(yīng)用近些年來有長足的、全方位的發(fā)展。隨著其應(yīng)用面的擴(kuò)大，暴露出一些深層次的問題，如現(xiàn)場總線系統(tǒng)運(yùn)行的亞健康問題，呼喚發(fā)展現(xiàn)場總線的在線診斷技術(shù)，特別是物理層的高級診斷技術(shù)，讓通信故障變得透明可視、可掌控、可快速處置的問題；再如不同現(xiàn)場總線協(xié)議的現(xiàn)場設(shè)備在系統(tǒng)層面上的互操作問題，即設(shè)備集成的問題，尚待規(guī)范的出臺和推廣；特別是對現(xiàn)場總線技術(shù)的價值取向的全面正確的認(rèn)識問題，更關(guān)系到它的可持續(xù)發(fā)展，這有待于自動化全行業(yè)進(jìn)行再認(rèn)識。
用于工廠自動化的現(xiàn)場總線的應(yīng)用，在我國發(fā)展基本上是健康的，爭論也較少，我們不做討論。這里僅關(guān)注用于流程工業(yè)的現(xiàn)場總線主要是FF的發(fā)展。
表1給出了國內(nèi)迄今最大三個FF應(yīng)用工程上海賽科、南海中海油殼牌和福建煉油乙烯的概況一覽?？偟膩砜?，這三大FF應(yīng)用工程一個比一個成功。上海
  表1  國內(nèi)迄今最大三個FF項(xiàng)目概況一覽表
上海賽科
南海中海油殼牌
福建煉油乙烯
生產(chǎn)裝置產(chǎn)能規(guī)模
(萬噸/年)
90萬噸乙烯，50萬噸芳烴抽提，50萬噸苯乙烯，9萬噸丁二烯抽提，30萬噸聚苯乙烯，25萬噸聚丙烯，60萬噸聚烯，26萬噸丙烯腈
乙烯裂解裝置，苯乙烯單體 / 環(huán)氧丙烷聯(lián)合裝置，環(huán)氧乙烷 / 乙二醇裝置，公用工程，聚丙烯裝置，高密度聚乙烯裝置，低密度聚乙烯裝置，多元醇裝置，物流
80萬噸乙烯，80萬噸聚乙烯裝置，40萬噸聚丙烯，70萬噸芳烴裝置，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置，800萬噸煉油聯(lián)合裝置，原有400萬噸煉油聯(lián)合裝置改造
全廠控制系統(tǒng)規(guī)模
DCS I/O 141,809
SIS I/O 9,487
總I/O點(diǎn) 151,296
總IO   60,000
軟件點(diǎn)200,000
總I/O點(diǎn)數(shù)超過40,000
現(xiàn)場儀表設(shè)備總數(shù)
54025 臺
其中FF現(xiàn)場總線設(shè)備 14，375 臺，占 26.6%
FF現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量： 15，800臺
FF現(xiàn)場設(shè)備12，000臺
FF網(wǎng)段
2，473
不詳
不詳
現(xiàn)場控制回路
簡單PID
無
不詳
每個網(wǎng)段設(shè)備數(shù)
≤8個，有PID控制的網(wǎng)段一般僅安排1個控制回路
≤10個，并有20%的余量，即實(shí)裝不超過8臺
不詳
投運(yùn)日期
2005.6
2007
2009
投資方
BP 華東投資有限公司,中國石化和上海石化
中海油,殼牌
中石化ExxonMobil和Aramco

賽科乙烯工程大規(guī)模全面使用FF現(xiàn)場總線控制技術(shù)取得很大成績，用事實(shí)證明FF總線的通訊速度能夠滿足石油化工過程控制的要求；除少量儀表故障外，FF總線儀表運(yùn)行基本正常。中海油殼牌聯(lián)合石化公司應(yīng)用FF是成功的。其經(jīng)驗(yàn)有兩條特別重要：一是加強(qiáng)對儀表維護(hù)人員的培訓(xùn)，這是在充分認(rèn)識到FF設(shè)備與控制系統(tǒng)之間的通訊協(xié)議與傳統(tǒng)儀表不同，其維護(hù)方式和方法也不盡相同；二是在更換FF現(xiàn)場設(shè)備時，必須考慮FF現(xiàn)場設(shè)備的設(shè)備描述文件的版本，以及是否通過了HIST（主機(jī)互操作測試）測試。相信今年投產(chǎn)的福建煉油乙烯工程的FCS的應(yīng)用，吸取前兩個大項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，一定會取得許多成果。
FF應(yīng)用在我國04、05年掀起應(yīng)用高潮后，雖在繼續(xù)踏實(shí)推進(jìn)，但像上海賽科、惠州中海油殼牌這些安裝節(jié)點(diǎn)達(dá)到數(shù)以萬計(jì)水平的典型項(xiàng)目，除了福州的煉油乙烯一體化項(xiàng)目外似乎沒有再現(xiàn)，石油、石化系統(tǒng)新建大項(xiàng)目中很少會用FF現(xiàn)場總線。近一兩年來陸續(xù)上馬的采用FF的項(xiàng)目有五六十個，所上項(xiàng)目雖不算少，不過我們只要看2008年我國實(shí)際安裝FF的節(jié)點(diǎn)數(shù)僅為3.46萬個，就可以推算其總體的發(fā)展速度不夠理想。況且，前述的三個大項(xiàng)目清一色是合資項(xiàng)目，這個現(xiàn)象難道不值得注意嗎？為什么我國全資的大項(xiàng)目不選擇FF現(xiàn)場總線，而寧愿選用HART呢？
我國流程工業(yè)現(xiàn)場總線應(yīng)用的發(fā)展探討
看來我國現(xiàn)場總線應(yīng)用的發(fā)展，特別是用于流程工業(yè)的現(xiàn)場總線應(yīng)用的發(fā)展，與原先的估計(jì)相距甚遠(yuǎn)。我個人認(rèn)為，這里牽涉到兩方面的問題。一方面是現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展本身的問題，主要是對其多樣性應(yīng)該怎么理解和處理，以及如何解決數(shù)字通信技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的易用性（這牽涉它的普及）。另方面是對現(xiàn)場總線應(yīng)用的價值取向的認(rèn)識問題，憑什么現(xiàn)場總線終究會取代現(xiàn)有的模擬技術(shù)？這將在很大程度上影響現(xiàn)場總線應(yīng)用的發(fā)展進(jìn)程，以及現(xiàn)場總線技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展趨勢。從另一個角度講，如果我們僅僅將現(xiàn)場總線當(dāng)作工業(yè)通信的一類工具，而不是將它納入整個企業(yè)信息整合的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，從更深層次的加以運(yùn)用，這必將影響其今后的發(fā)展方向。
   回憶起在2000年以前長期擔(dān)任IEC 61158現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)工作組的組長的美國人Dick Caro，在2001年對現(xiàn)場總線FF應(yīng)用的發(fā)展做過一個很有影響的估計(jì)。當(dāng)時他樂觀的認(rèn)為，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS將會取代DCS大約要用四五年的時間。事實(shí)上，現(xiàn)在已經(jīng)過去八九年了，至今仍然爭論不斷，不僅僅在國內(nèi)，即使在德國等歐洲發(fā)達(dá)國家仍然分為兩派。到現(xiàn)在為止在所有的現(xiàn)場總線里面，全世界FF安裝的節(jié)點(diǎn)還沒有突破100萬個。中國算是多的，到2008年已安裝了接近19.58萬個。
在國內(nèi)，對FF的反映持負(fù)面的看法多過持正面看法的。貴、難用、效果不理想，等等。特別在石化行業(yè)更明顯。這至少說明FF現(xiàn)場總線技術(shù)的推廣普及距離大眾化還差的較遠(yuǎn)。是FF的技術(shù)不成熟，還是存在其他問題，值得討論。
在流程行業(yè)中，為什么需要像FF這樣的現(xiàn)場總線？國外是怎樣看待這個問題的？其實(shí)也并不是我國對FF現(xiàn)場總線的應(yīng)用感到困惑，在德國同樣也存在問題和挑戰(zhàn)。在今年《流程工業(yè)》雜志的第一期就發(fā)表過一篇名《討論現(xiàn)場總線應(yīng)用中的癥結(jié)》文章，介紹德國7位專家（用戶和儀表廠商）在圓桌會議的各自看法。討論得出的結(jié)論是：FF現(xiàn)場總線本身工作表現(xiàn)很出色，但現(xiàn)場總線設(shè)備的集成存在較大問題?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：現(xiàn)場總線品種和規(guī)格滿足用戶要求；故障診斷簡單方便；在空間非常緊張的流程設(shè)備中，現(xiàn)場總線系統(tǒng)能很好解決問題。主要問題是：現(xiàn)場總線設(shè)備的集成性能遲遲不能滿足用戶要求；難以接受微軟操作系統(tǒng)頻繁升級給現(xiàn)場總線應(yīng)用帶來的影響。
為了使問題一目了然，筆者設(shè)計(jì)了一張中德業(yè)內(nèi)人士對流程工業(yè)用現(xiàn)場總線的看法比較表（見表2）。從中我們可以明顯看出，德國專家的困惑更多的集中于現(xiàn)場總線的技術(shù)，特別是設(shè)備集成與最終用戶的期望相距甚遠(yuǎn)；而國內(nèi)的困惑更多的還是對現(xiàn)場總線價值的認(rèn)識問題和培訓(xùn)及服務(wù)還不能跟上等問題。
為此，筆者試圖探討FF在我國發(fā)展速度放慢的原因可能有以下三個方面：
p     缺乏有力的應(yīng)用支持
      我國沒有第三方的FF應(yīng)用技術(shù)支持服務(wù)機(jī)構(gòu)，來自供貨廠方的技術(shù)支持在FCS應(yīng)用上不能認(rèn)為是強(qiáng)有力的。因?yàn)楫?dāng)FF的系統(tǒng)和儀表來自多個供應(yīng)商時，某個供應(yīng)商的技術(shù)支持難免是跛腳的。據(jù)說在德國法蘭克福Höchst工業(yè)園區(qū)，在遇到緊急情況時可以很快得到FF技術(shù)專家和檢測實(shí)驗(yàn)室的幫助。我們期待在我國也能在短期內(nèi)出現(xiàn)這樣的第三方的FF應(yīng)用技術(shù)支持服務(wù)機(jī)構(gòu)。
p     缺乏FCS使用和維護(hù)的合格培訓(xùn)
      在大規(guī)模使用FF產(chǎn)品的企業(yè)，應(yīng)對流程設(shè)備的操作人員和現(xiàn)場總線系統(tǒng)的維護(hù)人員進(jìn)行合格培訓(xùn)。對DCS系統(tǒng)熟悉的人員不經(jīng)過FCS培訓(xùn)和考核，不應(yīng)上崗。中海油殼牌聯(lián)合石化公司應(yīng)用FF的成功經(jīng)驗(yàn)也有力地支持這個判斷。
p     對現(xiàn)場總線價值認(rèn)識不到位，遠(yuǎn)未挖掘FCS的潛力
     用戶對系統(tǒng)底層信息化（控制、診斷、管理）改造的需求是現(xiàn)場總線技術(shù)推廣的原始動力。模擬技術(shù)難以全面地滿足這些需求。即使是HART技術(shù)由
表2 中國和德國對流程工業(yè)用現(xiàn)場總線的看法比較
中國
德國
價格因素
由于采購費(fèi)用高，總成本并無節(jié)省而不愿采用
采購和實(shí)施成本可以接受
性能因素
節(jié)省電纜投資，節(jié)省空間，調(diào)試進(jìn)度快
對現(xiàn)場總線設(shè)備的品種和規(guī)格均表示滿意；節(jié)省安裝空間；流程設(shè)備調(diào)試進(jìn)度快；故障查詢?nèi)菀?，易于維護(hù)保養(yǎng)
不用原因
樣本工程未起到充分的示范作用；對現(xiàn)場總線價值認(rèn)識不到位，因而使決策者望而卻步
不愿在德國本土使用而在國外生產(chǎn)基地使用，因?yàn)楝F(xiàn)有設(shè)備性能好運(yùn)行正常；新上大項(xiàng)目少；負(fù)責(zé)生產(chǎn)運(yùn)行的技術(shù)人員寧愿采用成熟技術(shù)
主要存在問題
缺乏FCS使用和維護(hù)的合格培訓(xùn)；缺乏有力的應(yīng)用支持；對現(xiàn)場總線價值認(rèn)識不到位，遠(yuǎn)未挖掘FCS潛力
如何解決：現(xiàn)場儀表集成問題；長期使用的穩(wěn)定性；大量信息有效利用問題
改進(jìn)方向
加強(qiáng)對現(xiàn)場總線價值取向的認(rèn)識；加強(qiáng)對現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)者、施工者和運(yùn)行、維護(hù)人員的培訓(xùn)
首先是鞏固、改進(jìn)和提高現(xiàn)有技術(shù)，而非過分引入新技術(shù)；新技術(shù)引入應(yīng)遵從國際標(biāo)準(zhǔn)；充分尊重用戶意見，用戶參與制定改進(jìn)要求（如過程控制系統(tǒng)的使用壽命20年，而IT技術(shù)每3~4年更新?lián)Q代，致使流程工業(yè)難以接受這種速度）

顧了模擬和數(shù)字技術(shù)，既有模擬信號傳輸?shù)暮喗莺褪褂梅奖?，又可利用?shù)字技術(shù)提高儀表的智能化水平，至今仍然獲得國內(nèi)外自動化業(yè)界的青睞。不過，限于HART的主從通信機(jī)制及其處理能力和帶寬的限制，致使HART儀表的診斷能力相當(dāng)有限，只能發(fā)出診斷報警，較為詳細(xì)的故障信息還必須由主機(jī)發(fā)出查詢后才可發(fā)出，因此有人將此歸類于所謂“被動式診斷”。而FF智能儀表的性能隨著較為復(fù)雜的傳感器和過程診斷技術(shù)的發(fā)展而不斷提高，其診斷數(shù)據(jù)作為設(shè)備反饋信息的一部分，可主動而連續(xù)地向主系統(tǒng)報告和刷新。最近幾年采出現(xiàn)的高級物理層診斷，使整個系統(tǒng)的監(jiān)控范圍大為擴(kuò)展，不但可以對故障做出診斷，而且還能夠?qū)δ切┥形窗l(fā)生故障、但有可能發(fā)展為故障的一些問題發(fā)出預(yù)警。這些都是HART所難以企及的。
現(xiàn)場總線最大的利益體現(xiàn)在生產(chǎn)裝置投運(yùn)之后長期的維護(hù)和運(yùn)行中，這方面還需積累經(jīng)驗(yàn)不斷改進(jìn)，還有很長的路要走。
為什么設(shè)備集成是難點(diǎn)？
在理論上，現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)容許儀表和控制系統(tǒng)之間的連接“即插即用” （plug-and-play)，但要達(dá)到這一理想境地常常遇到困難。因?yàn)椋?/span>不同的儀表供應(yīng)商和系統(tǒng)供應(yīng)商的產(chǎn)品設(shè)計(jì)者和實(shí)現(xiàn)者對同一標(biāo)準(zhǔn)會有不同理解和解釋；‚標(biāo)準(zhǔn)本身在變化和版本更新；ƒ不同供應(yīng)商對標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)速度存在差異；„儀表設(shè)備和控制系統(tǒng)的生命周期不同，致使在任意一個時間，市場存在多種版本的產(chǎn)品。
HART解決這一問題采用了只有一個主系統(tǒng)開發(fā)包，不管哪個系統(tǒng)供應(yīng)商都是直接從HART通信基金會取得HART主系統(tǒng)的開發(fā)包。也就是說，HART通信只存在一個相同版本的主系統(tǒng)，不管是哪家廠商提供的，實(shí)質(zhì)上都是同樣的實(shí)現(xiàn)。FF做不到這一點(diǎn)，因?yàn)椴煌南到y(tǒng)廠商和儀表廠商可能都用不同的開發(fā)包。標(biāo)準(zhǔn)雖然完全一致，但實(shí)現(xiàn)卻不是真正一致的。
怎么解決這一難題呢？在當(dāng)前，有些提供控制系統(tǒng)的大公司為保證市場上常用的儀表都能和自己的系統(tǒng)即插即能投用（plug-and-work)，專門建立了現(xiàn)場設(shè)備集成中心FDIC 。譬如，ABB為保證市場的常用FF儀表與其800xA、Freelance 800F等系統(tǒng)集成，在2004年就成立FDIC。FDIC每季度要測試120種儀表設(shè)備。每臺設(shè)備的平均測試周期為12周。現(xiàn)在在其ABB集成解決庫中累計(jì)已有超過50個儀表廠的六七百種儀表產(chǎn)品通過測試，可與其控制系統(tǒng)無縫集成。
中海油殼牌聯(lián)合石化公司一條成功經(jīng)驗(yàn)就是保證每臺儀表都要通過HIST（主機(jī)互操作測試）測試。
現(xiàn)場總線共用技術(shù)­——設(shè)備集成，追求將系統(tǒng)中所有的智能儀表或設(shè)備的數(shù)據(jù)和功能性，不論采用何種協(xié)議，都可無縫地為整個自動化系統(tǒng)所利用。只要真正實(shí)現(xiàn)了這個目標(biāo)，就能使最終用戶接受在工業(yè)自動化和過程控制領(lǐng)域中存在多種現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)實(shí)。但目前進(jìn)展遠(yuǎn)不能滿足用戶要求，即使同一種現(xiàn)場總線協(xié)議仍然存在設(shè)備集成的頭疼問題。
今后如果設(shè)備集成的標(biāo)準(zhǔn)正式推出并經(jīng)過認(rèn)證，也許這方面的問題就不會像今天那樣突出了。
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