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現(xiàn)場總線在國內推廣應用的再思

http://bfqmb.cn 2011-06-28 23:26 來源：中國自動化學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)場總線的設想和概念是上世紀70年代在歐洲開始形成的。從概念走向開發(fā)、制定標準、驗證，到形成系列產(chǎn)品和實際投入使用，幾乎用了20年的時間?，F(xiàn)場總線技術介紹到國內來大約是在80年代中期，之后一直是對概念的理解和在制定國際標準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。進入90年代后開始受到較多的關注，不過等到現(xiàn)場總線產(chǎn)品和系統(tǒng)引進到國內，在比較大的范圍和大規(guī)模的應用，到今天幾乎也用了20年的時間。我們今天能說它的技術和應用已經(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早不了幾年的一些自動化技術譬如PLC，或者是同期開始發(fā)展的技術譬如DCS，我們今天完全可以說它們是成熟的技術。當然，它們還在繼續(xù)地發(fā)展。為什么？我認為這個問題值得思考！

現(xiàn)場總線技術在我國的應用取得很大的成績

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)點估計為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)場總線的應用近些年來有長足的、全方位的發(fā)展。隨著其應用面的擴大，暴露出一些深層次的問題，如現(xiàn)場總線系統(tǒng)運行的亞健康問題，呼喚發(fā)展現(xiàn)場總線的在線診斷技術，特別是物理層的高級診斷技術，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)場設備在系統(tǒng)層面上的互操作問題，即設備集成的問題，尚待規(guī)范的出臺和推廣；特別是對現(xiàn)場總線技術的價值取向的全面正確的認識問題，更關系到它的可持續(xù)發(fā)展，這有待于自動化全行業(yè)進行再認識。

用于工廠自動化的現(xiàn)場總線的應用，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給出了國內迄今最大三個FF應用工程上海賽科、南海中海油殼牌和福建煉油乙烯的概況一覽。總的來看，這三大FF應用工程一個比一個成功。上海

表1 國內迄今最大三個FF項目概況一覽表

	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 151,296	總IO 60,000 軟件點200,000	總I/O點數(shù)超過40,000
現(xiàn)場儀表設備總數(shù)	54025 臺其中FF現(xiàn)場總線設備 14，375 臺，占 26.6%	FF現(xiàn)場設備數(shù)量： 15，800臺	FF現(xiàn)場設備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，即實裝不超過8臺	不詳
投運日期	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)場總線控制技術取得很大成績，用事實證明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總線儀表運行基本正常。中海油殼牌聯(lián)合石化公司應用FF是成功的。其經(jīng)驗有兩條特別重要：一是加強對儀表維護人員的培訓，這是在充分認識到FF設備與控制系統(tǒng)之間的通訊協(xié)議與傳統(tǒng)儀表不同，其維護方式和方法也不盡相同；二是在更換FF現(xiàn)場設備時，必須考慮FF現(xiàn)場設備的設備描述文件的版本，以及是否通過了HIST（主機互操作測試）測試。相信今年投產(chǎn)的福建煉油乙烯工程的FCS的應用，吸取前兩個大項目的經(jīng)驗教訓，一定會取得許多成果。

FF應用在我國04、05年掀起應用高潮后，雖在繼續(xù)踏實推進，但像上海賽科、惠州中海油殼牌這些安裝節(jié)點達到數(shù)以萬計水平的典型項目，除了福州的煉油乙烯一體化項目外似乎沒有再現(xiàn)，石油、石化系統(tǒng)新建大項目中很少會用FF現(xiàn)場總線。近一兩年來陸續(xù)上馬的采用FF的項目有五六十個，所上項目雖不算少，不過我們只要看2008年我國實際安裝FF的節(jié)點數(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，前述的三個大項目清一色是合資項目，這個現(xiàn)象難道不值得注意嗎？為什么我國全資的大項目不選擇FF現(xiàn)場總線，而寧愿選用HART呢？

我國流程工業(yè)現(xiàn)場總線應用的發(fā)展探討

看來我國現(xiàn)場總線應用的發(fā)展，特別是用于流程工業(yè)的現(xiàn)場總線應用的發(fā)展，與原先的估計相距甚遠。我個人認為，這里牽涉到兩方面的問題。一方面是現(xiàn)場總線技術發(fā)展本身的問題，主要是對其多樣性應該怎么理解和處理，以及如何解決數(shù)字通信技術工業(yè)應用的易用性（這牽涉它的普及）。另方面是對現(xiàn)場總線應用的價值取向的認識問題，憑什么現(xiàn)場總線終究會取代現(xiàn)有的模擬技術？這將在很大程度上影響現(xiàn)場總線應用的發(fā)展進程，以及現(xiàn)場總線技術的可持續(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)信息整合的基礎環(huán)節(jié)，從更深層次的加以運用，這必將影響其今后的發(fā)展方向。

回憶起在2000年以前長期擔任IEC 61158現(xiàn)場總線國際標準工作組的組長的美國人Dick Caro，在2001年對現(xiàn)場總線FF應用的發(fā)展做過一個很有影響的估計。當時他樂觀的認為，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，即使在德國等歐洲發(fā)達國家仍然分為兩派。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，對FF的反映持負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)場總線技術的推廣普及距離大眾化還差的較遠。是FF的技術不成熟，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？其實也并不是我國對FF現(xiàn)場總線的應用感到困惑，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)場總線應用中的癥結》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)場總線設備的集成存在較大問題?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)點有：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)場總線應用帶來的影響。

為了使問題一目了然，筆者設計了一張中德業(yè)內人士對流程工業(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，特別是設備集成與最終用戶的期望相距甚遠；而國內的困惑更多的還是對現(xiàn)場總線價值的認識問題和培訓及服務還不能跟上等問題。

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 缺乏有力的應用支持

我國沒有第三方的FF應用技術支持服務機構，來自供貨廠方的技術支持在FCS應用上不能認為是強有力的。因為當FF的系統(tǒng)和儀表來自多個供應商時，某個供應商的技術支持難免是跛腳的。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技術專家和檢測實驗室的幫助。我們期待在我國也能在短期內出現(xiàn)這樣的第三方的FF應用技術支持服務機構。

p 缺乏FCS使用和維護的合格培訓

在大規(guī)模使用FF產(chǎn)品的企業(yè)，應對流程設備的操作人員和現(xiàn)場總線系統(tǒng)的維護人員進行合格培訓。對DCS系統(tǒng)熟悉的人員不經(jīng)過FCS培訓和考核，不應上崗。中海油殼牌聯(lián)合石化公司應用FF的成功經(jīng)驗也有力地支持這個判斷。

p 對現(xiàn)場總線價值認識不到位，遠未挖掘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)場總線技術推廣的原始動力。模擬技術難以全面地滿足這些需求。即使是HART技術由

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	由于采購費用高，總成本并無節(jié)省而不愿采用	采購和實施成本可以接受
性能因素	節(jié)省電纜投資，節(jié)省空間，調試進度快	對現(xiàn)場總線設備的品種和規(guī)格均表示滿意；節(jié)省安裝空間；流程設備調試進度快；故障查詢容易，易于維護保養(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，因為現(xiàn)有設備性能好運行正常；新上大項目少；負責生產(chǎn)運行的技術人員寧愿采用成熟技術
主要存在問題	缺乏FCS使用和維護的合格培訓；缺乏有力的應用支持；對現(xiàn)場總線價值認識不到位，遠未挖掘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
改進方向	加強對現(xiàn)場總線價值取向的認識；加強對現(xiàn)場總線系統(tǒng)設計者、施工者和運行、維護人員的培訓	首先是鞏固、改進和提高現(xiàn)有技術，而非過分引入新技術；新技術引入應遵從國際標準；充分尊重用戶意見，用戶參與制定改進要求（如過程控制系統(tǒng)的使用壽命20年，而IT技術每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，既有模擬信號傳輸?shù)暮喗莺褪褂梅奖?，又可利用?shù)字技術提高儀表的智能化水平，至今仍然獲得國內外自動化業(yè)界的青睞。不過，限于HART的主從通信機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有限，只能發(fā)出診斷報警，較為詳細的故障信息還必須由主機發(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雜的傳感器和過程診斷技術的發(fā)展而不斷提高，其診斷數(shù)據(jù)作為設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)控范圍大為擴展，不但可以對故障做出診斷，而且還能夠對那些尚未發(fā)生故障、但有可能發(fā)展為故障的一些問題發(fā)出預警。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)裝置投運之后長期的維護和運行中，這方面還需積累經(jīng)驗不斷改進，還有很長的路要走。

為什么設備集成是難點？

在理論上，現(xiàn)場總線標準的實現(xiàn)容許儀表和控制系統(tǒng)之間的連接“即插即用” （plug-and-play)，但要達到這一理想境地常常遇到困難。因為：不同的儀表供應商和系統(tǒng)供應商的產(chǎn)品設計者和實現(xiàn)者對同一標準會有不同理解和解釋；標準本身在變化和版本更新；不同供應商對標準的適應速度存在差異；儀表設備和控制系統(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，實質上都是同樣的實現(xiàn)。FF做不到這一點，因為不同的系統(tǒng)廠商和儀表廠商可能都用不同的開發(fā)包。標準雖然完全一致，但實現(xiàn)卻不是真正一致的。

怎么解決這一難題呢？在當前，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種儀表設備。每臺設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)驗就是保證每臺儀表都要通過HIST（主機互操作測試）測試。

現(xiàn)場總線共用技術——設備集成，追求將系統(tǒng)中所有的智能儀表或設備的數(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。只要真正實現(xiàn)了這個目標，就能使最終用戶接受在工業(yè)自動化和過程控制領域中存在多種現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)實。但目前進展遠不能滿足用戶要求，即使同一種現(xiàn)場總線協(xié)議仍然存在設備集成的頭疼問題。

今后如果設備集成的標準正式推出并經(jīng)過認證，也許這方面的問題就不會像今天那樣突出了。

（說明：本文中除已指明的材料出處以外，均采自國內外相關專業(yè)網(wǎng)站公開發(fā)表的內容）

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