中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)專(zhuān)業(yè)委員會(huì ) 卞正崗 

     1　引言

   流程工業(yè)自動(dòng)化系統及現場(chǎng)儀表，都逐步從采用模擬技術(shù)發(fā)展為數字技術(shù)，要解決“3C”技術(shù)（Comunication 、Computer、 Control即通訊、計算機、控制）的融合，自動(dòng)化儀表和系統采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是必由之路。在現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )成立18年之際，我們有必要回顧一下歷史，這對總結近20年來(lái)推廣數字化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化、集成化新一代自動(dòng)化儀表和系統及在新的工程或技術(shù)改造中如何選型都很有益處。

   最近ARC和弗羅斯特•沙利文公司（Frost & Sullivan）的市場(chǎng)研究報告指出，以東南亞為例，2010年FF現場(chǎng)總線(xiàn)的銷(xiāo)售額是1.701億美元，2017年估計將達2.52億美元，基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)在不增加人員的情況下，可以提高生產(chǎn)力10%，擴大容量30%和提高能效20%。這些信息都可供對品質(zhì)和安全要求很高的流程工業(yè)參考。

   2 FF的發(fā)展歷程

   在20世紀70年代微處理機應用熱潮中，DCS逐步成為流程工業(yè)中控制系統的主流，而后現場(chǎng)儀表數字化也提到了日程上，直到1994年下半年才出現了ISP（互可操作系統協(xié)儀）和World FIP 北美全球工廠(chǎng)儀表協(xié)議，兩大現場(chǎng)總線(xiàn)國際組織合并，合并后組織稱(chēng)現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )FF（Field-bus Foundation），對應技術(shù)稱(chēng)基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)（Foundation Field-bus），實(shí)際上是美洲與亞洲為主的聯(lián)合，逐步發(fā)展成代表全世界超過(guò)355家主要儀表供應商和主要流程工業(yè)用戶(hù)的非盈利性國際組織。

   FF于1995年5月完成了HI規范草案，于1998年9月注冊了第1臺FF HI現場(chǎng)總線(xiàn)設備。FF于1999年9月完成了高速以太網(wǎng)HSE規范草案，于2001年5月注冊了第1臺HSE鏈接設備，于2009年4月注冊了第1套主機系統。對于FF發(fā)展做出重要貢獻的人有John Pittman(1994—2001年總裁和執行官)、Paul Griem(秘書(shū)、在霍尼韋爾退休)、Chuck Micallef（技術(shù)推廣總監，在橫河退休）等人。我國在FF應用工程方面為世界做出了很多貢獻：中海油殼牌廣東惠州乙烯項目；上海賽科乙烯項目，福建煉化一體化項目及近百項中、小型項目。經(jīng)過(guò)了設計安裝、調試、開(kāi)車(chē)、大修、日常維護、軟件升級、系統擴建、培訓等多項考驗，證明了基金會(huì )現場(chǎng)總踐在技術(shù)上、經(jīng)濟上的優(yōu)勢。臺灣對推廣FF也很積極，其在大陸的福建翔鷺、騰龍化纖項目也是大型的FF項目。

   1997年開(kāi)始在我國開(kāi)展FF技術(shù)推廣工作，除去艾默生、霍尼韋爾、橫河等公司以外，ABB、山武、Smar、MTL（Relcom）、P+F、NI、Softing、羅克韋爾、梅特勒一托利多、美卓、薩姆森、圖爾克、赫思曼、E+H、?？怂共_、STAHL（德安防爆）（注：STAHL是為防爆方面FF創(chuàng )始成員最早成為本安型現場(chǎng)總線(xiàn)提供IEC電源的供應商之一）、TOPWORX、摩爾（Moore Hawke前身為Hawke Field bus，有多項技術(shù)創(chuàng )新）、諾斯威爾等公司都做出了貢獻。

   我國在“九五”攻關(guān)的基礎上已有10多家儀表制造商不同程度地掌握了FF技術(shù)，并推出了相關(guān)產(chǎn)品，比較突出的是沈陽(yáng)科學(xué)院自動(dòng)化所及相關(guān)的中科博微自動(dòng)化技術(shù)有限公司，他們研發(fā)了一系列現場(chǎng)儀表和系統，通過(guò)了國際上的FF認證，從2000年12月就開(kāi)始了FF現場(chǎng)總線(xiàn)相關(guān)的工程應用，受到基金會(huì )的表?yè)P，并且活躍在相關(guān)現場(chǎng)總線(xiàn)及無(wú)線(xiàn)通信標準制定的國際學(xué)術(shù)活動(dòng)中。另外，浙江中控的最新型DCS系統也通過(guò)了國際FF認證，而且開(kāi)始了工程實(shí)踐。和利時(shí)還推出與FF兼容的HOLLiAS設備管理系統。

    以在中國的外商為主成立了FF中國市場(chǎng)委員會(huì )，其巡回活動(dòng)綿延10多年，遍及中國的大中城市，對保持中國FF市場(chǎng)的熱度功不可沒(méi)，外企員工和國內相關(guān)企業(yè)員工都為保持這種局面做出了努力?；仨鳩F進(jìn)入中國的18載，筆者深感有必要進(jìn)行一次總結。

    18年以來(lái)，FF經(jīng)歷了多次發(fā)展。如用HSE（IP/TCP/UDP）取代H2，并于2000年國際IEC通過(guò)IEC61158-2標準即FF-HI和HSE；而后功能塊概念和電子設備描述語(yǔ)言（EDDL）納入IEC61804-2規范；在ISPLima工廠(chǎng)成功演示HSE和柔性功能塊；FISCO（現場(chǎng)總線(xiàn)本質(zhì)安全模型）和FNICO（現場(chǎng)總線(xiàn)非易燃模型）防爆技術(shù)通過(guò)認證；完善化技術(shù)規范、嚴格的設備與系統測試，在全世界范圍內設備真正可互操作，COTS交換機等網(wǎng)絡(luò )設備的集成，使HI現場(chǎng)控制、HSE、OPC、應用軟件包、MIS（ERP）等五層結構體系在石化、火電廠(chǎng)等流程工業(yè)自動(dòng)化系統形成框架（FF+新一代DCS）；FF與設備管理系統結合；FF-SIS基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)安全儀表系統通過(guò)國際TUV論證，它基于IEC61508國際標準，支持SIL1、SIL2、SIL3；EDDL和互操作性經(jīng)歷了FF與HART、Profibus、OPC（OPC UA合作）及進(jìn)一步加入FDT的階段，正在完善FDI方案，使之更好地實(shí)現主機系統和現場(chǎng)設備的互連、互通、互操作；深入研討FF現場(chǎng)總線(xiàn)系統的經(jīng)濟性，實(shí)行全生命周期管理，提倡預測性維護、前瞻性維護，宣講FF系統設備運行時(shí)間與現金流入關(guān)系曲線(xiàn)，介紹CAPEX（投資成本）和OPEX（運行成本）分析方法，通過(guò)ARC對FF的商業(yè)價(jià)值進(jìn)行深度咨詢(xún)，并得出肯定的結論；其它無(wú)線(xiàn)通信、遠程I/O、ROM（遠程操作管理）（注：遠程測控系統）等正在推進(jìn)中。FF技術(shù)不僅提供了通訊網(wǎng)絡(luò )，還全面提供了自動(dòng)化系統的解決方案。關(guān)于FFHI技術(shù)，當然也有需要改進(jìn)之處，但FFHI技術(shù)是自動(dòng)化儀表和系統近半個(gè)世紀成果的薈萃，打下的基礎是牢固的，其技術(shù)是經(jīng)過(guò)了長(cháng)期工程考驗的，是值得信賴(lài)的。我認為隨著(zhù)智能化水平的提高，FFH1將會(huì )不斷進(jìn)步。這里還要指出，FF技術(shù)在ISO/OSI7層模型的應用層之上，增加了用戶(hù)層，目前該技術(shù)已經(jīng)被自動(dòng)化行業(yè)認可，而且已經(jīng)完善化，這是FF技術(shù)的一大貢獻。

    根據2006年的數據，ARC提供對全世界流程工業(yè)中現場(chǎng)總線(xiàn)的解決方案的報告，2006年FF的銷(xiāo)售收入為5.666億美元，占總線(xiàn)銷(xiāo)售收入的68.1%，并預測2011年FF總收入可達17.142億美元，占總線(xiàn)總收入的75.2%，復合年均增長(cháng)率為24.8%。已注冊的FF儀表和系統品種約400多種分別為壓力變送器43種，溫度變送器31種，流量?jì)x表40種，物位儀表34種、執行器（閥門(mén)定位器、耦合器）38種，分析儀表（包括物性?xún)x表）47種，電源（電源調節器、中繼器、安全柵）56種，鏈路設備（網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋、連接器、轉換器、耦合器）56種，其它（現場(chǎng)指示器、過(guò)程I/O、芯片、堆棧、模塊、模板）41種，解決方案系統軟件，服務(wù)資訊33種，總線(xiàn)電纜6種，總線(xiàn)控制系統18種（注：這些系統是根據第一次可互操作規范注冊的控制系統），而且在不斷增加新的品種，這就為開(kāi)拓市場(chǎng)打下了良好基礎。全世界已安裝的基金現場(chǎng)總線(xiàn)系統超過(guò)12000套，已安裝的現場(chǎng)設備超過(guò)100萬(wàn)臺以上，其中，中國為100套系統，數萬(wàn)臺設備。

   3　主機及新一代DCS系統

   上一節中提到的自動(dòng)化系統框架俗稱(chēng)“ F F +新一代DCS ” ， 應寫(xiě)為FFHI+HSE+Host，這里Host主機是指支持基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)信息的設備，包括配置（組態(tài)）工具，記錄設備、報警顯示板、HMI或者具有多種功能特性的系統。主機可能具有H1接口、HSE接口或兼而有之，它支持安全設備控制和監視設備或兼而有之，帶H1接口的主機應該具有通過(guò)基金會(huì )注冊的通信協(xié)議棧和物理層接口，帶HSE接口的主機應該具有注冊的通信協(xié)議棧。對應主機測試協(xié)議為HIST主機互操作支持測試（Host InteroperabilitySupport Test）即FF-569，具體性能要求為設備信號分配，設備地址分配、鏈路主設備的組態(tài)、功能塊信號組態(tài)、功能塊組態(tài)測試、標準功能塊、增強功能塊、客戶(hù)功能塊、功能塊鏈路組態(tài)、FF報警組態(tài)、FF報警處理、FF趨勢組態(tài)、FF趨勢處理、DD（設備描述）服務(wù)、DD方法的執行、DD菜單處理、DD編輯顯示處理和能力文件等，經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)，對Host主機逐步由支持性測試升級為用于注冊的HIST（FF-569Rev.2）。

   結合《基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)系統工程指南》3.1版及NAMUR NE10《自監測和現場(chǎng)設備診斷標準》（對應基金會(huì )的《現場(chǎng)總線(xiàn)診斷規范FF-912》）主機劃分成五類(lèi)：Class61—集成主機（Integratedhost），為主要的在線(xiàn)主機（on-processhost）；Class62—訪(fǎng)問(wèn)主機（Visitorhost），為臨時(shí)在線(xiàn)主機；Class63—臺式主機（Bench host），為主要的離線(xiàn)主機（off-process host）；Class64—臺式主機，為主要的離線(xiàn)主機；Class71—SIF集成主機，為主要的帶有安全儀表功能（SIF）的在線(xiàn)主機。主機類(lèi)型后綴有a或b，a代表這臺主機通過(guò)了發(fā)生在原始HIST之后的第一撥配置測試，b代表具有更多強制特性的新要求，2010年開(kāi)始所有主機測試都必須在b配置下完成。

   到目前為止（ 2 0 1 2 年中期） ， 已完成注冊的主機系統有12個(gè)主機系統：ABB的Industrial IT System 800xA(61a類(lèi)集成主機系統)；艾默生的Delta V &AMS Stuite(61a類(lèi)集成主機系統)；艾默生的Ovation Expert Control System&AMSStuite(61a類(lèi)集成主機系統)；GE的GEConrtol ST(61a類(lèi)集成主機系統)；霍尼韋爾的Experion PKS(61a類(lèi)集成主機系統)；Invensys的Infusion Enterprise ControlSystem(61a類(lèi)集成主機系統)；山武的Industrial—DEO/Harmonas(61a類(lèi)集成主機系統)；橫河的CENTUM VP (61a類(lèi)集成主機系統)；橫河的STARDOM(61a類(lèi)集成主機系統)；浙江中控（SUPCON）的ECS—700 V3&SAMS V2.60(61b類(lèi)集成主機系統)。其中61類(lèi)集成主機系統即通常所說(shuō)的新一代DCS的主控制系統，它滿(mǎn)足了過(guò)程工程師、工藝操作員、儀表和系統維護人員、管理層（工長(cháng)、調度員、管理人員）的相關(guān)要求。

   所有這些都為集成化打下了基礎，使跨設備的互操作、即插即用、設備管理等成為現實(shí)。也證明了FF技術(shù)提供了自動(dòng)化系統的解決方案，提供了集成化的系統，而不是由用戶(hù)自己去進(jìn)行集成或主機供應商在沒(méi)有注冊的情況下向用戶(hù)提供系統。把這些主機，稱(chēng)為新一代DCS，或DCS/FCS，已是水到渠成了。

   4　著(zhù)作及設計工程維護經(jīng)驗

   我國在大量實(shí)踐基礎上已有多部關(guān)于現場(chǎng)總線(xiàn)的著(zhù)作出版，其中陽(yáng)憲惠編著(zhù)的《工業(yè)數據通信與控制網(wǎng)絡(luò )》、鐘耀球、張衛華編著(zhù)的《FF總線(xiàn)控制系統設計與應用》、斯可克的《基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)功能塊原理及應用》、魏華編著(zhù)的《基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)—設計、工程與維護》，都是在實(shí)驗、實(shí)踐基礎上寫(xiě)成的佳作，這也證明了我國的軟實(shí)力。

   在《基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)—設計、工程與維護》一書(shū)的第八章中寫(xiě)到了故障診斷方面的實(shí)際經(jīng)驗總結。一般故障檢查分如下幾方面：FF設備電壓故障檢查、FF網(wǎng)段故障分析、FF網(wǎng)段噪音情況分析、電磁耦合干擾、接地回路干擾、錯誤的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構等。在典型案例分析中，對軟件故障舉出由于數據幀丟失和循環(huán)編碼錯誤產(chǎn)生頻繁的通訊中斷、互操作性問(wèn)題，由于組態(tài)缺陷導致的IOP/OOP/CNF狀態(tài)等類(lèi)故障。其中互操作性問(wèn)題的實(shí)例很有代表性，介紹如下：某60萬(wàn)噸/年甲醇項目中，閥門(mén)定位器采用的是SAMSON公司的3730系列產(chǎn)品，試生產(chǎn)中發(fā)現部分調節閥經(jīng)常出現突然關(guān)閉，1～2秒后又自動(dòng)打開(kāi)到原來(lái)的開(kāi)度，這種故障給生產(chǎn)運行帶來(lái)隱患，這現象出現沒(méi)有規律，有時(shí)連續正常運行2個(gè)月，有時(shí)1天出現幾次閥門(mén)關(guān)閉。故障分析：閥門(mén)定位器是由LEUCH閥門(mén)成套廠(chǎng)集成的產(chǎn)品，固件版本（firmware）是K1.10/R1.30，而其它工作正常的產(chǎn)品固件版本為K1.20/R1.40或以上版本?，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統采用的是橫河公司的CENTUM CS 3000 R3.07版本，在FF網(wǎng)站沒(méi)有發(fā)現SAMSON3730固件版本K1.10/R1.30的產(chǎn)品和CENTUM CS 3000R3.07版本的互操作性測試記錄。用P+F的PACTware軟件對SAMSON3730固件版本K1.10/R1.30閥門(mén)定位器所在的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段進(jìn)行監測，發(fā)現該網(wǎng)段存在令牌丟失現象，在一定的監測時(shí)間內接收了77個(gè)令牌，丟失了10個(gè)令牌，令牌的接收率為88%，所以現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段數據丟失情況嚴重。另外用NI監視器也進(jìn)行測試，結果為90%，比較接近。經(jīng)過(guò)整改故障消除。

   最后，用該書(shū)序言作者中海油CEO總裁楊業(yè)新的話(huà)作結束語(yǔ)：“借用國學(xué)大師王國維在人間詞話(huà)的“三種境界”來(lái)表達對學(xué)問(wèn)的求索歷程，尋找目標—苦心探索—豁然開(kāi)朗的追求歷程，這也是成功的管理人員和技術(shù)人員必須經(jīng)過(guò)的歷程”。形象而且深刻，這值得追求FF技術(shù)的人員品味！更值得從事流程工業(yè)自動(dòng)化系統的專(zhuān)業(yè)人士品味！

   卞正崗 (1936-)男，教授級高級工程師，1961年畢業(yè)于清華大學(xué)電機系，早年從事電機及微型電機研究，后多年從事工業(yè)自動(dòng)化儀表、集散系統和現場(chǎng)總線(xiàn)的研制和自動(dòng)化系統集成的工程實(shí)踐，享受政府特殊津貼，中國自動(dòng)化學(xué)會(huì )科普工作委員會(huì )委員，曾獲得有色總公司科技進(jìn)步一等獎和國家機械總局科技進(jìn)步三等獎。