现场总线在国内推广应用的再思
2011-06-28 23:26 来源：中国自动化学会专家咨询工作委员会
彭瑜（上海工业自动化仪表研究所）
现场总线的设想和概念是上世纪70年代在欧洲开始形成的。从概念走向开发、制定标准、验证，到形成系列产品和实际投入使用，几乎用了20年的时间。现场总线技术介绍到国内来大约是在80年代中期，之后一直是对概念的理解和在制定国际标准过程中处于旁听的地位，局限在业界极小范围，没有引起全行业足够的重视。进入90年代后开始受到较多的关注，不过等到现场总线产品和系统引进到国内，在比较大的范围和大规模的应用，到今天几乎也用了20年的时间。我们今天能说它的技术和应用已经成熟了吗？也许谁也不敢作肯定的回答。
可是仅仅比这种技术早不了几年的一些自动化技术譬如PLC，或者是同期开始发展的技术譬如DCS，我们今天完全可以说它们是成熟的技术。当然，它们还在继续地发展。为什么？我认为这个问题值得思考！
现场总线技术在我国的应用取得很大的成绩
据英国敏思管理咨询公司（IMS）对工业通信中国市场的调查报告看，截至2008年在我国已安装现场总线和工业以太网的节点估计为1166.75万个。其数量可以说是够庞大的。其中按通信协议来分：Profibus 占24.2%（282.7万个），CC-Link 占11.16%（130.31万个），DeviceNet占 9.75%（113.83万个），FF占 1.67%（19.58万个）。显而易见，工厂自动化用现场总线的任一个协议（如Profibus、CC-Link、DeviceNet等），它们已安装的节点数要比过程控制用现场总线（如FF）高整整一个数量级。
从以上的数据看，我国现场总线的应用近些年来有长足的、全方位的发展。随着其应用面的扩大，暴露出一些深层次的问题，如现场总线系统运行的亚健康问题，呼唤发展现场总线的在线诊断技术，特别是物理层的高级诊断技术，让通信故障变得透明可视、可掌控、可快速处置的问题；再如不同现场总线协议的现场设备在系统层面上的互操作问题，即设备集成的问题，尚待规范的出台和推广；特别是对现场总线技术的价值取向的全面正确的认识问题，更关系到它的可持续发展，这有待于自动化全行业进行再认识。
用于工厂自动化的现场总线的应用，在我国发展基本上是健康的，争论也较少，我们不做讨论。这里仅关注用于流程工业的现场总线主要是FF的发展。
表1给出了国内迄今最大三个FF应用工程上海赛科、南海中海油壳牌和福建炼油乙烯的概况一览。总的来看，这三大FF应用工程一个比一个成功。上海
表1 国内迄今最大三个FF项目概况一览表
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上海赛科
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南海中海油壳牌
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福建炼油乙烯
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生产装置产能规模
(万吨/年)
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90万吨乙烯，50万吨芳烃抽提，50万吨苯乙烯，9万吨丁二烯抽提，30万吨聚苯乙烯，25万吨聚丙烯，60万吨聚烯，26万吨丙烯腈
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乙烯裂解装置，苯乙烯单体 / 环氧丙烷联合装置，环氧乙烷 / 乙二醇装置，公用工程，聚丙烯装置，高密度聚乙烯装置，低密度聚乙烯装置，多元醇装置，物流
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80万吨乙烯，80万吨聚乙烯装置，40万吨聚丙烯，70万吨芳烃装置，整体煤气化联合循环发电装置，800万吨炼油联合装置，原有400万吨炼油联合装置改造
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全厂控制系统规模
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DCS I/O 141,809
SIS I/O 9,487
总I/O点 151,296
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总IO 60,000
软件点200,000
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总I/O点数超过40,000
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现场仪表设备总数
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54025 台
其中FF现场总线设备 14，375 台，占 26.6%
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FF现场设备数量： 15，800台
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FF现场设备12，000台
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FF网段
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2，473
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不详
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不详
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现场控制回路
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简单PID
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无
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不详
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每个网段设备数
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≤8个，有PID控制的网段一般仅安排1个控制回路
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≤10个，并有20%的余量，即实装不超过8台
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不详
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投运日期
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2005.6
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2007
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2009
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投资方
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BP 华东投资有限公司,中国石化和上海石化
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中海油,壳牌
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中石化ExxonMobil和Aramco
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赛科乙烯工程大规模全面使用FF现场总线控制技术取得很大成绩，用事实证明FF总线的通讯速度能够满足石油化工过程控制的要求；除少量仪表故障外，FF总线仪表运行基本正常。中海油壳牌联合石化公司应用FF是成功的。其经验有两条特别重要：一是加强对仪表维护人员的培训，这是在充分认识到FF设备与控制系统之间的通讯协议与传统仪表不同，其维护方式和方法也不尽相同；二是在更换FF现场设备时，必须考虑FF现场设备的设备描述文件的版本，以及是否通过了HIST（主机互操作测试）测试。相信今年投产的福建炼油乙烯工程的FCS的应用，吸取前两个大项目的经验教训，一定会取得许多成果。
FF应用在我国04、05年掀起应用高潮后，虽在继续踏实推进，但像上海赛科、惠州中海油壳牌这些安装节点达到数以万计水平的典型项目，除了福州的炼油乙烯一体化项目外似乎没有再现，石油、石化系统新建大项目中很少会用FF现场总线。近一两年来陆续上马的采用FF的项目有五六十个，所上项目虽不算少，不过我们只要看2008年我国实际安装FF的节点数仅为3.46万个，就可以推算其总体的发展速度不够理想。况且，前述的三个大项目清一色是合资项目，这个现象难道不值得注意吗？为什么我国全资的大项目不选择FF现场总线，而宁愿选用HART呢？
我国流程工业现场总线应用的发展探讨
看来我国现场总线应用的发展，特别是用于流程工业的现场总线应用的发展，与原先的估计相距甚远。我个人认为，这里牵涉到两方面的问题。一方面是现场总线技术发展本身的问题，主要是对其多样性应该怎么理解和处理，以及如何解决数字通信技术工业应用的易用性（这牵涉它的普及）。另方面是对现场总线应用的价值取向的认识问题，凭什么现场总线终究会取代现有的模拟技术？这将在很大程度上影响现场总线应用的发展进程，以及现场总线技术的可持续发展趋势。从另一个角度讲，如果我们仅仅将现场总线当作工业通信的一类工具，而不是将它纳入整个企业信息整合的基础环节，从更深层次的加以运用，这必将影响其今后的发展方向。
回忆起在2000年以前长期担任IEC 61158现场总线国际标准工作组的组长的美国人Dick Caro，在2001年对现场总线FF应用的发展做过一个很有影响的估计。当时他乐观的认为，现场总线控制系统FCS将会取代DCS大约要用四五年的时间。事实上，现在已经过去八九年了，至今仍然争论不断，不仅仅在国内，即使在德国等欧洲发达国家仍然分为两派。到现在为止在所有的现场总线里面，全世界FF安装的节点还没有突破100万个。中国算是多的，到2008年已安装了接近19.58万个。
在国内，对FF的反映持负面的看法多过持正面看法的。贵、难用、效果不理想，等等。特别在石化行业更明显。这至少说明FF现场总线技术的推广普及距离大众化还差的较远。是FF的技术不成熟，还是存在其他问题，值得讨论。
在流程行业中，为什么需要像FF这样的现场总线？国外是怎样看待这个问题的？其实也并不是我国对FF现场总线的应用感到困惑，在德国同样也存在问题和挑战。在今年《流程工业》杂志的第一期就发表过一篇名《讨论现场总线应用中的症结》文章，介绍德国7位专家（用户和仪表厂商）在圆桌会议的各自看法。讨论得出的结论是：FF现场总线本身工作表现很出色，但现场总线设备的集成存在较大问题。现场总线系统的优点有：现场总线品种和规格满足用户要求；故障诊断简单方便；在空间非常紧张的流程设备中，现场总线系统能很好解决问题。主要问题是：现场总线设备的集成性能迟迟不能满足用户要求；难以接受微软操作系统频繁升级给现场总线应用带来的影响。
为了使问题一目了然，笔者设计了一张中德业内人士对流程工业用现场总线的看法比较表（见表2）。从中我们可以明显看出，德国专家的困惑更多的集中于现场总线的技术，特别是设备集成与最终用户的期望相距甚远；而国内的困惑更多的还是对现场总线价值的认识问题和培训及服务还不能跟上等问题。
为此，笔者试图探讨FF在我国发展速度放慢的原因可能有以下三个方面：
p 缺乏有力的应用支持
我国没有第三方的FF应用技术支持服务机构，来自供货厂方的技术支持在FCS应用上不能认为是强有力的。因为当FF的系统和仪表来自多个供应商时，某个供应商的技术支持难免是跛脚的。据说在德国法兰克福Höchst工业园区，在遇到紧急情况时可以很快得到FF技术专家和检测实验室的帮助。我们期待在我国也能在短期内出现这样的第三方的FF应用技术支持服务机构。
p 缺乏FCS使用和维护的合格培训
在大规模使用FF产品的企业，应对流程设备的操作人员和现场总线系统的维护人员进行合格培训。对DCS系统熟悉的人员不经过FCS培训和考核，不应上岗。中海油壳牌联合石化公司应用FF的成功经验也有力地支持这个判断。
p 对现场总线价值认识不到位，远未挖掘FCS的潜力
用户对系统底层信息化（控制、诊断、管理）改造的需求是现场总线技术推广的原始动力。模拟技术难以全面地满足这些需求。即使是HART技术由
表2 中国和德国对流程工业用现场总线的看法比较
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中国
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德国
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价格因素
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由于采购费用高，总成本并无节省而不愿采用
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采购和实施成本可以接受
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性能因素
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节省电缆投资，节省空间，调试进度快
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对现场总线设备的品种和规格均表示满意；节省安装空间；流程设备调试进度快；故障查询容易，易于维护保养
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不用原因
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样本工程未起到充分的示范作用；对现场总线价值认识不到位，因而使决策者望而却步
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不愿在德国本土使用而在国外生产基地使用，因为现有设备性能好运行正常；新上大项目少；负责生产运行的技术人员宁愿采用成熟技术
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主要存在问题
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缺乏FCS使用和维护的合格培训；缺乏有力的应用支持；对现场总线价值认识不到位，远未挖掘FCS潜力
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如何解决：现场仪表集成问题；长期使用的稳定性；大量信息有效利用问题
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改进方向
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加强对现场总线价值取向的认识；加强对现场总线系统设计者、施工者和运行、维护人员的培训
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首先是巩固、改进和提高现有技术，而非过分引入新技术；新技术引入应遵从国际标准；充分尊重用户意见，用户参与制定改进要求（如过程控制系统的使用寿命20年，而IT技术每3~4年更新换代，致使流程工业难以接受这种速度）
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顾了模拟和数字技术，既有模拟信号传输的简捷和使用方便，又可利用数字技术提高仪表的智能化水平，至今仍然获得国内外自动化业界的青睐。不过，限于HART的主从通信机制及其处理能力和带宽的限制，致使HART仪表的诊断能力相当有限，只能发出诊断报警，较为详细的故障信息还必须由主机发出查询后才可发出，因此有人将此归类于所谓“被动式诊断”。而FF智能仪表的性能随着较为复杂的传感器和过程诊断技术的发展而不断提高，其诊断数据作为设备反馈信息的一部分，可主动而连续地向主系统报告和刷新。最近几年采出现的高级物理层诊断，使整个系统的监控范围大为扩展，不但可以对故障做出诊断，而且还能够对那些尚未发生故障、但有可能发展为故障的一些问题发出预警。这些都是HART所难以企及的。
现场总线最大的利益体现在生产装置投运之后长期的维护和运行中，这方面还需积累经验不断改进，还有很长的路要走。
为什么设备集成是难点？
在理论上，现场总线标准的实现容许仪表和控制系统之间的连接“即插即用” （plug-and-play)，但要达到这一理想境地常常遇到困难。因为：不同的仪表供应商和系统供应商的产品设计者和实现者对同一标准会有不同理解和解释；‚标准本身在变化和版本更新；ƒ不同供应商对标准的适应速度存在差异；„仪表设备和控制系统的生命周期不同，致使在任意一个时间，市场存在多种版本的产品。
HART解决这一问题采用了只有一个主系统开发包，不管哪个系统供应商都是直接从HART通信基金会取得HART主系统的开发包。也就是说，HART通信只存在一个相同版本的主系统，不管是哪家厂商提供的，实质上都是同样的实现。FF做不到这一点，因为不同的系统厂商和仪表厂商可能都用不同的开发包。标准虽然完全一致，但实现却不是真正一致的。
怎么解决这一难题呢？在当前，有些提供控制系统的大公司为保证市场上常用的仪表都能和自己的系统即插即能投用（plug-and-work)，专门建立了现场设备集成中心FDIC 。譬如，ABB为保证市场的常用FF仪表与其800xA、Freelance 800F等系统集成，在2004年就成立FDIC。FDIC每季度要测试120种仪表设备。每台设备的平均测试周期为12周。现在在其ABB集成解决库中累计已有超过50个仪表厂的六七百种仪表产品通过测试，可与其控制系统无缝集成。
中海油壳牌联合石化公司一条成功经验就是保证每台仪表都要通过HIST（主机互操作测试）测试。
现场总线共用技术——设备集成，追求将系统中所有的智能仪表或设备的数据和功能性，不论采用何种协议，都可无缝地为整个自动化系统所利用。只要真正实现了这个目标，就能使最终用户接受在工业自动化和过程控制领域中存在多种现场总线和工业以太网的现实。但目前进展远不能满足用户要求，即使同一种现场总线协议仍然存在设备集成的头疼问题。
今后如果设备集成的标准正式推出并经过认证，也许这方面的问题就不会像今天那样突出了。
（说明：本文中除已指明的材料出处以外，均采自国内外相关专业网站公开发表的内容）