現場總線在國內推廣應用的再思

　　摘要：　　
　　現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、制定標準、驗證，到形成系列產品和實際投入使用，幾乎用了20年的時間。現場總線技術被介紹到國內大約是在80年代中期，之后一直是對概念的理解和在制定標準過程中處于旁聽的地位，局限在業界的極小范圍內，沒有引起全行業足夠的重視。進入90年代后開始受到較多的關注，不過等到現場總線產品和系統引進到國內，在較大范圍內大規模的應用，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成熟了嗎？也許誰也不敢作出肯定的回答。
　　
　　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，或者是同期開始發展的技術，譬如DCS，我們今天*可以說它們是成熟的技術。當然，它們還在繼續地發展。為什么？我認為這個問題值得思考！
　　
　　現場總線技術在我國的應用取得很大的成績
　　
　　據英國敏思管理咨詢公司（IMS）對工業通信中國市場的調查報告看，截至2008年在我國已安裝現場總線和工業以太網的節點估計為1166.75萬個，其數量可以說是夠龐大的。其中按通信協議來分：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，工廠自動化用現場總線的任一個協議（如Profibus、CC-Link、DeviceNet等），它們已安裝的節點數要比過程控制用現場總線（如FF）高整整一個數量級。
　　
　　從以上的數據看，我國現場總線的應用近些年來有長足的、的發展。隨著其應用面的擴大，暴露出一些深層次的問題，如現場總線系統運行的亞健康問題，呼喚發展現場總線的在線診斷技術，特別是物理層的診斷技術，讓通信故障變得透明可視、可掌控、可快速處置的問題；再如不同現場總線協議的現場設備在系統層面上的互操作問題，即設備集成的問題，尚待規范的出臺和推廣；特別是對現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發展，這有待于自動化全行業進行再認識。
　　
　　用于工廠自動化的現場總線的應用，在我國發展基本上是健康的，爭論也較少，我們不做討論。這里僅關注用于流程工業的現場總線，主要是FF的發展。
　　
　　表1給出了國內迄今zui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。上海賽科乙烯工程大規模全面使用FF現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。中海油殼牌聯合石化公司應用FF是成功的，其經驗有兩條特別重要：一是加強對儀表維護人員的培訓，這是在充分認識到FF設備與控制系統之間的通訊協議與傳統儀表不同，其維護方式和方法也不盡相同；二是在更換FF現場設備時，必須考慮FF現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。相信今年投產的福建煉油乙烯工程的FCS的應用，吸取前兩個大項目的經驗教訓，一定會取得更多成果。
　　
　　2004-2005年，在我國掀起應用高潮后，FF應用雖在繼續踏實推進，但像上海賽科、惠州中海油殼牌這些安裝節點達到數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，石油、石化系統新建大項目中很少會用FF現場總線。近一兩年來陸續上馬的采用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的節點數僅為3.46萬個，就可以推算其總體的發展速度不夠理想。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現場總線，而寧愿選用HART呢？
　　
　　我國流程工業現場總線應用的發展探討
　　
　　看來我國現場總線應用的發展，特別是用于流程工業的現場總線應用的發展，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：一方面是現場總線技術發展本身的問題，主要是對其多樣性應該怎么理解和處理，以及如何解決數字通信技術工業應用的易用性（這牽涉它的普及）；另一方面是對現場總線應用的價值取向的認識問題，憑什么現場總線終究會取代現有的模擬技術？這將在很大程度上影響現場總線應用的發展進程，以及現場總線技術的可持續發展趨勢。從另一個角度看，如果我們僅僅將現場總線當作工業通信的一類工具，而不是將它納入整個企業信息整合的基礎環節，更深層次對其加以運用，這必將影響其今后的發展方向。
　　
　　回憶起在2000年以前，長期擔任IEC?61158現場總線標準工作組組長的美國人Dick?Caro，在2001年對現場總線FF應用的發展做過一個很有影響的估計。當時他樂觀地認為，現場總線控制系統FCS取代DCS大約要用4、5年的時間。事實上，現在已經過去8、9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達國家仍然分為兩派。到現在為止在所有的現場總線里面，*FF安裝的節點還沒有突破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，由于價格貴、難用、效果不理想等因素，對FF的反映持負面看法的多過持正面看法的，特別在石化行業更明顯。這至少說明FF現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。
　　
　　我國流程工業現場總線應用的發展探討
　　
　　在流程行業中，為什么需要像FF這樣的現場總線？國外是怎樣看待這個問題的？其實不只我國對FF現場總線的應用感到困惑，在德國同樣也存在問題和挑戰。在今年《流程工業》雜志的*期就刊登過一篇名為《討論現場總線應用中的癥結》的文章，介紹了德國7位專家（用戶和儀表廠商）在圓桌會議上發表的各自的看法。討論得出的結論是：FF現場總線本身工作表現很出色，但現場總線設備的集成存在較大問題。現場總線系統的優點包括：現場總線品種和規格滿足用戶要求；故障診斷簡單方便；在空間非常緊張的流程設備中，現場總線系統能很好解決問題。主要問題包括：現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頻繁升級給現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內人士對流程工業用現場總線的看法比較表，如表1所示。從中我們可以明顯看出，德國專家的困惑更多集中于現場總線的技術，特別是設備集成與zui終用戶的期望相距甚遠；而國內的困惑更多的還是對現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，筆者認為FF在我國發展速度放慢的原因可能有以下三個方面：
　　
　　缺乏有力的應用支持
　　
　　我國沒有第三方的FF應用服務機構，來自供貨廠方的在FCS應用上不能認為是強有力的。因為當FF的系統和儀表來自多個供應商時，某個供應商的難免是跛腳的。據說在德國法蘭克福Hchst工業園區，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，也能在短期內出現這樣的第三方的FF應用服務機構。
　　
　　缺乏FCS使用和維護的合格培訓
　　
　　在大規模使用FF產品的企業，應對流程設備的操作人員和現場總線系統的維護人員進行合格培訓。對DCS系統熟悉的人員不經過FCS培訓和考核，不應上崗，中海油殼牌聯合石化公司應用FF的成功經驗也有力地支持這個判斷。
　　
　　對現場總線價值認識不到位，遠未挖掘FCS的潛力
　　
　　用戶對系統底層信息化（控制、診斷、管理）改造的需求是現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。HART技術既有模擬信號傳輸的簡捷和使用方便等優點，又可利用數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，只能發出診斷報警，較為詳細的故障信息還必須由主機發出查詢后才可發出，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展而不斷提高，其診斷數據作為設備反饋信息的一部分，可主動而連續地向主系統報告和刷新。zui近幾年才出現的物理層診斷，使整個系統的監控范圍大為擴展，不但可以對故障做出診斷，而且還能夠對那些尚未發生故障但有可能發展為故障的一些問題發出預警，這些都是HART所難以企及的。
　　
　　現場總線zui大的利益體現在生產裝置投運之后長期的維護和運行中，這方面還需積累經驗不斷改進，這還有很長的路要走。
　　
　　為什么設備集成是難點？
　　
　　在理論上，現場總線標準的實現容許儀表和控制系統之間的連接“即插即用”（plug-and-play），但要達到這一理想境地常常遇到困難，主要是因為：不同的儀表供應商和系統供應商的產品設計者和實現者，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品。
　　
　　HART解決這一問題采用了只有一個主系統開發包，不管哪個系統供應商都是直接從HART通信基金會取得HART主系統的開發包。也就是說，HART通信只存在一個相同版本的主系統，不管是哪家廠商提供的，實質上都是同樣的實現。FF做不到這一點，因為不同的系統廠商和儀表廠商可能都用不同的開發包。標準雖然*一致，但實現卻不是真正一致的。
　　
　　怎么解決這一難題呢？在當前，有些提供控制系統的大公司為保證市場上常用的儀表都能和自己的系統即插即能投用（plug-and-work），專門建立了現場設備集成中心FDIC。譬如，ABB為保證市場的常用FF儀表與其800xA、Freelance800F等系統集成，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品通過測試，可與其控制系統無縫集成。
　　
　　中海油殼牌聯合石化公司一條成功經驗就是：保證每臺儀表都要通過HIST（主機互操作測試）。
　　
　　現場總線共用技術——設備集成，追求將系統中所有的智能儀表或設備的數據和功能性，不論采用何種協議，都可無縫地為整個自動化系統所利用。只要真正實現了這個目標，就能使zui終用戶接受在工業自動化和過程控制領域中存在多種現場總線和工業以太網的現實。但目前進展遠不能滿足用戶要求，即使同一種現場總線協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過認證，也許這方面的問題就不會像今天這樣突出了。
　　
　　價格因素由于采購費用高，總成本并無節省而不愿采用采購和實施成本可以接受性能因素節省電纜投資、節省空間、調試進度快對現場總線設備的品種和規格均表示滿意；節省安裝空間；流程設備調試進度快；故障查詢容易，易于維護保養
　　
　　不用原因樣本工程未起到充分的示范作用；對現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基地使用，因為現有設備性能好運行正常；新上大項目少；負責生產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；對現場總線價值認識不到位，遠未挖掘FCS潛力如何解決現場儀表集成問題、長期使用的穩定性、大量信息有效利用問題
　　
　　改進方向加強對現場總線價值取向的認識；加強對現場總線系統設計者、施工者和運行、維護人員的培訓首先是鞏固、改進和提高現有技術，而非過分引入新技術；新技術引入應遵從標準；充分尊重用戶意見，用戶參與制定改進要求（如過程控制系統的使用壽命20年，而IT技術每3~4年更新換代，致使流程工業難以接受這種速度）