FCS世界發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)場(chǎng)總線在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用的再思發(fā)布時(shí)間：2011年6月28日彭瑜（上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所）現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)想和概念是上世紀(jì)70年代在歐洲開(kāi)始形成的。從概念走向開(kāi)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(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)介紹到國(guó)內(nèi)來(lái)大約是在80年代中期，之后一直是對(duì)概念的理解和在制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程中處于旁聽(tīng)的地位，局限在業(yè)界極小范圍，沒(méi)有引起全行業(yè)足夠的重視。進(jìn)入90年代后開(kāi)始受到較多的關(guān)注，不過(guò)等到現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品和系統(tǒng)引進(jìn)到國(guó)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(shí)間。我們今天能說(shuō)它的技術(shù)和應(yīng)用已經(jīng)成熟了嗎？也許誰(shuí)也不敢作肯定的回答?？墒莾H僅比這種技術(shù)早不了幾年的一些自動(dòng)化技術(shù)譬如 PLC,或者是同期開(kāi)始發(fā)展的技術(shù)譬如DCS,我們今天完全可以說(shuō)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(gè)問(wèn)題值得思考！現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用取得很大的成績(jī)據(jù)英國(guó)敏思管理咨詢公司（IMS）對(duì)工業(yè)通信中國(guó)市場(chǎng)的調(diào)查報(bào)告看，截至2008年在我國(guó)已安裝現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)估計(jì)為1166.75萬(wàn)個(gè)。其數(shù)量可以說(shuō)是夠龐大的。其中按通信協(xié)議來(lái)分：Profibus占24.2%（282.7萬(wàn)個(gè)），CC-Link占11.16%（130.31萬(wàn)個(gè)），DeviceNet占9.75%（113.83萬(wàn)個(gè)），F(xiàn)F占1.67%（19.58萬(wàn)個(gè)）。顯而易見(jiàn)，工廠自動(dòng)化用現(xiàn)場(chǎng)總線的任一個(gè)協(xié)議（如Profibus、CC-Link、DeviceNet等），它們已安裝的節(jié)點(diǎn)數(shù)要比過(guò)程控制用現(xiàn)場(chǎng)總線（如FF）高整整一個(gè)數(shù)量級(jí)。從以上的數(shù)據(jù)看，我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用近些年來(lái)有長(zhǎng)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(wèn)題，如現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)運(yùn)行的亞健康問(wèn)題，呼喚發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)總線的在線診斷技術(shù)，特別是物理層的高級(jí)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(wèn)題；再如不同現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在系統(tǒng)層面上的互操作問(wèn)題，即設(shè)備集成的問(wèn)題，尚待規(guī)范的出臺(tái)和推廣；特別是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的價(jià)值取向的全面正確的認(rèn)識(shí)問(wèn)題，更關(guān)系到它的可持續(xù)發(fā)展，這有待于自動(dòng)化全行業(yè)進(jìn)行再認(rèn)識(shí)。用于工廠自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用，在我國(guó)發(fā)展基本上是健康的，爭(zhēng)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(chǎng)總線主要是FF的發(fā)展。表1給出了國(guó)內(nèi)迄今最大三個(gè)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?lái)看，這三大FF應(yīng)用工程一個(gè)比一個(gè)成功。上海表1國(guó)內(nèi)迄今最大三個(gè)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(wàn)噸/年）90萬(wàn)噸乙烯，50萬(wàn)噸芳烴抽提，50萬(wàn)噸苯乙烯，9萬(wàn)噸丁二烯抽提，30萬(wàn)噸聚苯乙烯，25萬(wàn)噸聚丙烯，60萬(wàn)噸聚烯，26萬(wàn)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(wàn)噸乙烯，80萬(wàn)噸聚乙烯裝置，40萬(wàn)噸聚丙烯，70萬(wàn)噸芳烴裝置，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置，800萬(wàn)噸煉油聯(lián)合裝置，原有400萬(wàn)噸煉油聯(lián)合裝置改造全廠控制系統(tǒng)規(guī)模DCSI/O141,809SISI/O9,487總I/O點(diǎn)151,296總IO60,000軟件點(diǎn)200,000總I/O點(diǎn)數(shù)超過(guò)40,000現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備總數(shù)54025臺(tái)其中FF現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備14,375臺(tái)，占26.6%FF現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量：15，800臺(tái)FF現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備12，000臺(tái)FF網(wǎng)段2，473不詳不詳現(xiàn)場(chǎng)控制回路簡(jiǎn)單PID無(wú)不詳每個(gè)網(wǎng)段設(shè)備數(shù)W8個(gè)，有PID控制的網(wǎng)段般僅安排1個(gè)控制回路<1（個(gè)，并有20%的余量，即實(shí)裝不超過(guò)8臺(tái)不詳投運(yùn)日期2005.620072009投資方BP華東投資有限公司,中國(guó)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(chǎng)總線控制技術(shù)取得很大成績(jī)，用事實(shí)證明FF總線的通訊速度能夠滿足石油化工過(guò)程控制的要求；除少量?jī)x表故障外，F(xiàn)F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(duì)儀表維護(hù)人員的培訓(xùn)，這是在充分認(rèn)識(shí)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(chǎng)設(shè)備時(shí)，必須考慮FF現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的設(shè)備描述文件的版本，以及是否通過(guò)了HIST（主機(jī)互操作測(cè)試）測(cè)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(gè)大項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，一定會(huì)取得許多成果。FF應(yīng)用在我國(guó)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(wàn)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(méi)有再現(xiàn)，石油、石化系統(tǒng)新建大項(xiàng)目中很少會(huì)用FF現(xiàn)場(chǎng)總線。近一兩年來(lái)陸續(xù)上馬的采用FF的項(xiàng)目有五六十個(gè)，所上項(xiàng)目雖不算少，不過(guò)我們只要看2008年我國(guó)實(shí)際安裝FF的節(jié)點(diǎn)數(shù)僅為3.46萬(wàn)個(gè)，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(gè)大項(xiàng)目清一色是合資項(xiàng)目，這個(gè)現(xiàn)象難道不值得注意嗎？為什么我國(guó)全資的大項(xiàng)目不選擇FF現(xiàn)場(chǎng)總線，而寧愿選用HART呢？我國(guó)流程工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用的發(fā)展探討看來(lái)我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用的發(fā)展，特別是用于流程工業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用的發(fā)展，與原先的估計(jì)相距甚遠(yuǎn)。我個(gè)人認(rèn)為，這里牽涉到兩方面的問(wèn)題。一方面是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展本身的問(wèn)題，主要是對(duì)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用的價(jià)值取向的認(rèn)識(shí)問(wèn)題，憑什么現(xiàn)場(chǎng)總線終究會(huì)取代現(xiàn)有的模擬技術(shù)？這將在很大程度上影響現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用的發(fā)展進(jìn)程，以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)。從另一個(gè)角度講，如果我們僅僅將現(xiàn)場(chǎng)總線當(dāng)作工業(yè)通信的一類工具，而不是將它納入整個(gè)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(zhǎng)期擔(dān)任IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)工作組的組長(zhǎng)的美國(guó)人DickCaro，在2001年對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF應(yīng)用的發(fā)展做過(guò)一個(gè)很有影響的估計(jì)。當(dāng)時(shí)他樂(lè)觀的認(rèn)為，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) FCS將會(huì)取代DCS大約要用四五年的時(shí)間。事實(shí)上，現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)去八九年了，至今仍然爭(zhēng)論不斷，不僅僅在國(guó)內(nèi)，即使在德國(guó)等歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家仍然分為兩派。到現(xiàn)在為止在所有的現(xiàn)場(chǎng)總線里面，全世界FF安裝的節(jié)點(diǎn)還沒(méi)有突破100萬(wàn)個(gè)。中國(guó)算是多的，到2008年已安裝了接近19.58萬(wàn)個(gè)。在國(guó)內(nèi)，對(duì)FF的反映持負(fù)面的看法多過(guò)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(shuō)明 FF現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)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(chǎng)總線？國(guó)外是怎樣看待這個(gè)問(wèn)題的？其實(shí)也并不是我國(guó)對(duì)FF現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用感到困惑，在德國(guó)同樣也存在問(wèn)題和挑戰(zhàn)。在今年《流程工業(yè)》雜志的第一期就發(fā)表過(guò)一篇名《討論現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用中的癥結(jié)》文章，介紹德國(guó)7位專家（用戶和儀表廠商）在圓桌會(huì)議的各自看法。討論得出的結(jié)論是：FF現(xiàn)場(chǎng)總線本身工作表現(xiàn)很出色，但現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的集成存在較大問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：現(xiàn)場(chǎng)總線品種和規(guī)格滿足用戶要求；故障診斷簡(jiǎn)單方便；在空間非常緊張的流程設(shè)備中，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)能很好解決問(wèn)題。主要問(wèn)題是：現(xiàn)場(chǎng)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(jí)給現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用帶來(lái)的影響。為了使問(wèn)題一目了然，筆者設(shè)計(jì)了一張中德業(yè)內(nèi)人士對(duì)流程工業(yè)用現(xiàn)場(chǎng)總線的看法比較表（見(jiàn)表2）。從中我們可以明顯看出，德國(guó)專家的困惑更多的集中于現(xiàn)場(chǎng)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(guó)內(nèi)的困惑更多的還是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線價(jià)值的認(rèn)識(shí)問(wèn)題和培訓(xùn)及服務(wù)還不能跟上等問(wèn)題。為此，筆者試圖探討FF在我國(guó)發(fā)展速度放慢的原因可能有以下三個(gè)方面：p缺乏有力的應(yīng)用支持我國(guó)沒(méi)有第三方的FF應(yīng)用技術(shù)支持服務(wù)機(jī)構(gòu)，來(lái)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(lái)自多個(gè)供應(yīng)商時(shí)，某個(gè)供應(yīng)商的技術(shù)支持難免是跛腳的。據(jù)說(shuō)在德國(guó)法蘭克福 H?chst工業(yè)園區(qū)，在遇到緊急情況時(shí)可以很快得到FF技術(shù)專家和檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的幫助。我們期待在我國(guó)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(duì)流程設(shè)備的操作人員和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的維護(hù)人員進(jìn)行合格培訓(xùn)。對(duì)DCS系統(tǒng)熟悉的人員不經(jīng)過(guò)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(gè)判斷。p對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線價(jià)值認(rèn)識(shí)不至U位，遠(yuǎn)未挖掘FCS的潛力用戶對(duì)系統(tǒng)底層信息化（控制、診斷、管理）改造的需求是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)推廣的原始動(dòng)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(guó)和德國(guó)對(duì)流程工業(yè)用現(xiàn)場(chǎng)總線的看法比較中國(guó)德國(guó)價(jià)格因素由于米購(gòu)費(fèi)用咼，總成本并無(wú)節(jié)省而不愿米用米購(gòu)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線價(jià)值認(rèn)識(shí)不到位，因而使決策者望而卻步不愿在德國(guó)本土使用而在國(guó)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)仃的技術(shù)人員寧愿米用成熟技術(shù)主要存在問(wèn)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線價(jià)值認(rèn)識(shí)不到位，遠(yuǎn)未挖掘FCS潛力如何解決：現(xiàn)場(chǎng)儀表集成問(wèn)題；長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性；大量信息有效利用問(wèn)題改進(jìn)方向加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線價(jià)值取向的認(rèn)識(shí)；加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)分引入新技術(shù)；新技術(shù)引入應(yīng)遵從國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；充分尊重用戶意見(jiàn)，用戶參與制定改進(jìn)要求（如過(guò)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(hào)傳輸?shù)暮?jiǎn)捷和使用方便，又可利用數(shù)字技術(shù)提高儀表的智能化水平，至今仍然獲得國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化業(yè)界的青睞。不過(guò)，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(bào)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(dòng)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(guò)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(dòng)而連續(xù)地向主系統(tǒng)報(bào)告和刷新。最近幾年采出現(xiàn)的高級(jí)物理層診斷，使整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控范圍大為擴(kuò)展，不但可以對(duì)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(wèn)題發(fā)出預(yù)警。這些都是HART所難以企及的?，F(xiàn)場(chǎng)總線最大的利益體現(xiàn)在生產(chǎn)裝置投運(yùn)之后長(zhǎng)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(zhǎng)的路要走。為什么設(shè)備集成是難點(diǎn)？在理論上，現(xiàn)場(chǎng)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?#129;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(duì)同一標(biāo)準(zhǔn)會(huì)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(duì)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(gè)時(shí)間,市場(chǎng)存在多種版本的產(chǎn)品。HART解決這一問(wèn)題采用了只有一個(gè)主系統(tǒng)開(kāi)發(fā)包,不管哪個(gè)系統(tǒng)供應(yīng)商都是直接從HART通信基金會(huì)取得HART主系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)包。也就是說(shuō),HART通信只存在一個(gè)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(kāi)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(chǎng)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(mén)建立了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備集成中心FDIC。譬如，ABB為保證市場(chǎng)的常用FF儀表與其800xA、Freelanee800F等系統(tǒng)集成，在2004年就成立FDIC。FDIC每季度要測(cè)試120種儀表設(shè)備。每臺(tái)設(shè)備的平均測(cè)試周期為12周。現(xiàn)在在其ABB集成解決庫(kù)中累計(jì)已有超過(guò)50個(gè)儀表