鐘霖田

一  FCS從大分離到統一系統平臺
1  從DDC到PLC、DCS與FCS
20世紀60年代初出現的DDC(Direct Digital Controller)直接數字控制儀開(kāi)創(chuàng )了數字化控制之先河，將電子數字計算機應用于工業(yè)生產(chǎn)控制。由于當時(shí)元器件質(zhì)次價(jià)高，其安全可靠性難以保障，而
從產(chǎn)品價(jià)格的競爭力考慮，又必須使單機擁有的回路數愈多愈好。為此，正如外國諺語(yǔ)所言：“把所有雞蛋都放在一個(gè)籃子里”，即危險集中，當然也就形成不了氣候。于是，從功能上分成PLC與DCS。前者，運用計算機本能的“與、或、非”等邏輯運算功能，對開(kāi)關(guān)量（DI/O）進(jìn)行加工處理，滿(mǎn)足一些諸如機組的開(kāi)停等離散控制的生產(chǎn)需求；而后者延至70年代中期才面市。DCS的設計思路是控制分散、信息集中，即將危險分散。但是，分散到什么程度？是徹底分散到諸如單回路數字調節器還是一個(gè)控制站擁有局部集中的I/O容量？這個(gè)看似很簡(jiǎn)單的問(wèn)題，卻是一個(gè)令DCS乃至FCS設計者不太容易回答的問(wèn)題。
筆者認為，DCS或FCS作為一種控制工具應滿(mǎn)足工業(yè)控制、生產(chǎn)系統要求，應從應用系統總體角度予以考慮。
筆者曾在文獻[1]、[2]、[3]中指出：在大規模集成芯片的可靠性已無(wú)需顧及并采用冗余措施以后，采用I/O大容量的局部集中控制，徹底分散到諸如單回路數字調節器早已在市場(chǎng)消失就是反證，國產(chǎn)四回路數字調節器夭折于投產(chǎn)之中?，F代工業(yè)生產(chǎn)，一個(gè)生產(chǎn)單元涉及的范圍愈來(lái)愈廣。過(guò)去，考慮生產(chǎn)安全因素而多采用中間緩沖儲槽罐已多予取消。例如鋼鐵企業(yè)的聯(lián)鑄聯(lián)軋，煉油廠(chǎng)的常減壓―催化聯(lián)合裝置，用連續的延遲焦化取代過(guò)去間歇焦化（釜）生產(chǎn)，這要求一個(gè)控制站的I/O容量能盡量覆蓋一套生產(chǎn)單元，絕對應避免有Timelines(及時(shí)性)控制信息交換以確保整體控制安全可靠，這種從控制（應用）系統總體角度考慮控制工具結構體系的思路未必被有關(guān)產(chǎn)品設計人員所接受，FCS的FF-H1就是如此[3]、[4]。
2  FCS的Profibus與FF-H1
由IEC通過(guò)的現場(chǎng)總線(xiàn)規范多達8種，其中World Fip與FF十分相近，而其它6種均是由PLC拓展過(guò)來(lái)的，就實(shí)質(zhì)而言，就是PLC與DCS之爭。前者以Profibus為代表，后者以FF為代表。
從某種意義上講，Profibus似是先有產(chǎn)品后完善規范，以搶占市場(chǎng)，作為商家無(wú)可厚非。其早期以DP為中心，下聯(lián)PA，上接FMS，彼此以網(wǎng)關(guān)（或稱(chēng)耦合器）相連，所謂高速的FMS也不過(guò)12.5Mbps。其中PA無(wú)應用層，事實(shí)上PA是DP的RI/O（遠程I/O）。PA雖放在現場(chǎng)，但控制運算卻在DP上，由通信線(xiàn)予以連接，其安全可靠性實(shí)乃堪虞。毋庸置疑，在所有數字控制設備中，如靠通信及通信線(xiàn)將其構成閉環(huán)控制，則可靠性瓶頸非其莫屬，這是工業(yè)控制之大忌。國內現在宣稱(chēng)有FCS面市者，包括e網(wǎng)在內，均是仿效于此，均是其DCS的RI/O。RI/O者，早在Y公司的DCS產(chǎn)品中就出現了，其縮寫(xiě)也為FCS，即Field Control Station，用RS-232或RS-485將其與DCS相連。所以，筆者贊同文獻[5]的結論，并再次強調：稱(chēng)FCS（Fieldbus Control System）者，控制運算必須在現場(chǎng)。
FF則反之，先制定一套完整而嚴密的技術(shù)規范，而產(chǎn)品卻遲遲才面市，而且其推出的H1產(chǎn)品是以變送器及閥門(mén)（定位器）為主體的真正的FCS，筆者在文獻[3]、[4]中對其特點(diǎn)詳加了評述。為了下文起見(jiàn)，筆者在此簡(jiǎn)要概括為：作為儀表智能化而言，已近乎達到極至，包括園卡主要部件并涉及敏感元件在內的故障信息多達百余種，對測量、控制以至ESD均是極為重要而難能可貴的！但從控制角度看來(lái)，卻是分散到比單回路數字調節器還徹底的程度：依靠發(fā)行/訂戶(hù)的強制通信（極強的Timelines要求），完成閉環(huán)的單回路控制，通信被緊緊地嵌入控制（回路）之中，犯了控制可靠性全仰仗于通信可靠性之大忌！其技術(shù)十分繁復[3]、[4]。這種徹底分散到無(wú)以復加的結構體系無(wú)法實(shí)施快速的PLC控制，在Profibus的強力市場(chǎng)宣傳面前，只有本無(wú)DCS而以變送器為主要產(chǎn)品的Smar公司獨撐局面。然而，FF的技術(shù)實(shí)力是以連續控制稱(chēng)雄，從系統結構入手卻成了“柳暗花明又一村”了。
3  將DCS控制站整體搬至現場(chǎng)的局部集中體系結構奠定了統一系統平臺的基礎結構體系
文獻[3]詳述了NI公司FP-3000型FCS，將與下面敘述有關(guān)的特點(diǎn)概括如下：① 整體搬移的局部集中體系結構為DCS、PLC、ESD轉為FCS的共同結構，如圖1所示，其中既有NI的FP-3000(與Smar等成為H1節點(diǎn)變送器相連)，也有AB公司的Control Net等；② 控制與通信分開(kāi)，如不采用H1通信協(xié)議，而采用HSE則FP-3000就變成另一種HSE型號的多功能控制器了。所以，這種體系結構為各總線(xiàn)所接受，其通信協(xié)議可以維持不變。

圖1  將DCS控制站整體搬移的局部集中體系結構

早在1995年初，筆者一位朋友就向筆者提起過(guò)這種整體搬移的思路。此處提及，只是想說(shuō)明這樣一件事：從系統總體著(zhù)眼，所見(jiàn)略同！筆者認為FF有兩大亮點(diǎn)，其一是HSE，其二是其Function Block (FB功能模塊)。
FF的H1艱難面市而且在某種程度上遭冷落之后，其原定高速的H2（也只不過(guò)是2Mbps）因內部爭執不下而夭折，而于1999前后，審時(shí)度勢地采用HSE（高速以太網(wǎng)）。于是，群起而仿之，Profibus放棄FMS而改為Profinet[3]。終于形成了以局部集中體系結構為硬件平臺，其通信均采用以太網(wǎng)+TCP（UDP）/IP，而相當于ISO的OSI七層模型的表示層與會(huì )話(huà)層均采用OPC（服務(wù)器）作為與應用層的接口，為用戶(hù)的應用層提供一個(gè)統一的系統平臺[4]。用戶(hù)的應用（程序）是多種多樣的，但都可以在上述統一的系統平臺上運行[6]，用戶(hù)的應用（程序）有如“劇本”，而統一的系統平臺如同大劇院。
4  統一的系統平臺是用戶(hù)應用的一向需求
以石化生產(chǎn)為例，間歇過(guò)程與連續過(guò)程交織在一起是常見(jiàn)的。例如，多個(gè)乙烯裂解爐并聯(lián)運行以輪流清焦；變壓吸附的分子篩需定時(shí)或不定時(shí)卸壓再生，再生后再加壓運行；遲延焦化的加熱裂解過(guò)程是連續的，而兩個(gè)大容量結焦塔卻是輪流運行的。以往，多是將間歇生產(chǎn)過(guò)程交由PLC執行，連續生產(chǎn)過(guò)程由DCS控制，而ESD作為“消防隊”單獨待命，“養兵千日，用兵一時(shí)”。這種原本是同一生產(chǎn)裝置或單元的綜合控制問(wèn)題，理應在同一系統平臺上按時(shí)序、狀態(tài)或命令，調用不同應用程序予以通盤(pán)控制處理的事情，過(guò)去均由按各自分割使命的三套獨立的控制裝置來(lái)處理。因為三者的輸入大多相同，而常常爭執這些信號由誰(shuí)來(lái)采集誰(shuí)引用；輸出信號部分相同而爭執不大?，F在統一的系統平臺是一套控制裝置，爭搶信號的問(wèn)題不復存在！所以，DCS、PLC、ESD的使命均可由FCS的統一系統平臺予以囊括而不應再有爭執了。
統一的系統平臺在響應速度上是有所差異的[5]，這也使各廠(chǎng)家按其以往的特長(cháng)仍有競爭優(yōu)勢。例如，要執行ESD，則需取得安全許可認證，而Profibus的Profisafe就有明顯的優(yōu)勢。所以，統一的系統平臺是一種概念性的[4]，其上組合的各種應用程序在執行時(shí)間上或執行周期上也是有較大差距的，從某種意義上而言，應按時(shí)間劃分來(lái)執行各（任務(wù)組成的）線(xiàn)程予以實(shí)時(shí)調度，而ESD則應按狀態(tài)（信號）經(jīng)甄別處理后予以“喚醒”執行！
5  有關(guān)ESD的一些問(wèn)題
筆者在文獻[7]中提出預聯(lián)鎖的概念是：正常運行的控制系統應在異常情況下力挽狂瀾，在確保安全的前提下阻遏“喚醒”ESD的因素出現?，F在這一概念已拓展為軟聯(lián)鎖，并有相應的IEC標準。過(guò)去ESD制造商在其硬件結構上多采用了冗余，并以3取2的表決方式予以決策，而對輸入信號真偽的診斷卻往往少有涉及。筆者認為，現在在統一系統平臺上運行的正常的調節控制程序已作為第二道關(guān)口盡量阻遏“喚醒”其執行，而第一道關(guān)口則是對輸入信號的“智能化”處理斷定其可信度，已經(jīng)相當可靠地在確保安全的前提下拒絕ESD的誤動(dòng)作！至于是否要冗余，由用戶(hù)選擇，按文獻[3]所提采用二節點(diǎn)整體冗余即可。
然而，ESD的主要問(wèn)題并不是上述信號冗余而是參數設置。例如，文獻[7]中提到水/碳聯(lián)鎖跳車(chē)（ESD），當水/碳比值連續7秒低于2.0時(shí)，則A-A級（全廠(chǎng)停車(chē)）跳車(chē)，這個(gè)7秒是怎么定的？據筆者所知，包括工藝、自控設計在內的人員均難以說(shuō)明。筆者貿然認為，這個(gè)時(shí)間應是負荷的函數，應從過(guò)程動(dòng)態(tài)學(xué)角度予以探索、研究！設計人員所定的7秒鐘有相當大的裕度，寧愿讓其跳車(chē)，也不愿讓其結炭。當生產(chǎn)設備發(fā)生器質(zhì)性故障時(shí)，則應立即停車(chē)；反之，如因操作失誤或原料成份大幅度變化等，則采取軟聯(lián)鎖方式予以處理。統一系統平臺可提供或創(chuàng )造這些條件，關(guān)鍵在于用戶(hù)如何擇定控制方案和設置其中的參數，特別是時(shí)間參數。
二  統一系統平臺上的集成
將應用程序（用戶(hù)層）掛到統一系統平臺上就集成為FCS，筆者在文獻[4]、[6]中已詳述了這種系統集成。據筆者所知，符合FF標準的HSE型FCS一些生產(chǎn)廠(chǎng)商其本身就是系統集成商，其應用層FB（功能模塊）就是花了不少代價(jià)委托另一家軟件公司開(kāi)發(fā)的，而系統平臺則部分或大部分外購OEM產(chǎn)品，其集成的FCS近來(lái)為市場(chǎng)看好。據悉，最近又有什么國產(chǎn)化FCS攻關(guān)立項?！熬?FONT face="Wingdings 2">