Present Condition of FCS Technology Applied in China and Existing Problems

GAO Peilin, CHENG Lianghong

(University of Shanghai for Science & Technology, Shanghai 200093, China)

　　Key words: FCS; opening; industry Ethernet; OPC technology; Internet technology

1.1多種標準并存
　　目前現(xiàn)場總線國際標準有12種，各個標準都有其特點，都有其不足，沒有一種標準能夠覆蓋所有的應用面。由于不同的現(xiàn)場總線的通信協(xié)議有很大差異，要實現(xiàn)不同總線產(chǎn)品的互連非常困難，這使得FCS的開放性，分散性和可互操作性等特點難以體現(xiàn)，給現(xiàn)場總線技術(shù)的推廣及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應用帶來不利影響。
1.2開放性
　　一般認為DCS和PLC是封閉性的控制系統(tǒng)，而FCS是開放性的系統(tǒng)。在12種國際標準的后面，那些支持它們的公司，其中不乏就是制造DCS或者PLC的大廠商，很難保證FCS的完全的開放性。?
1.3可互操作性
　　現(xiàn)場總線的主要特點之一是可互操作性，但現(xiàn)有的12種現(xiàn)場總線國際標準中，異種現(xiàn)場總線之間是不能進行互操作的，雖說可以通過網(wǎng)關(gateway)通信或通過OPC協(xié)議進行互操作，但這種互操作只能在各自的主機間進行，不能在彼此的現(xiàn)場儀表間進行，這種互操作達不到系統(tǒng)的實時性要求。在一種國際標準現(xiàn)場總線的內(nèi)部，進行互操作應該是沒有問題的；實際應用中發(fā)現(xiàn)，不同供應商提供同一現(xiàn)場總線標準的設備之間不能完全實現(xiàn)互操作。
1.4現(xiàn)場設備缺少選擇余地
　　一方面標準過多，另一方面卻缺少選擇余地。以FF為例，用于連續(xù)過程是較為有利的，F(xiàn)F的H1開發(fā)已有10多年了，但到2001年5月31日為止，還只有30余品種83個現(xiàn)場儀表被正式注冊可供選用，國內(nèi)沒有一種產(chǎn)品注冊［2］。近幾年來，雖然國內(nèi)也有不少廠家生產(chǎn)現(xiàn)場總線儀表，但品種，數(shù)量都比較少，達不到批量生產(chǎn)，成本據(jù)高不下，性能也不十分理想。

2.1價格問題
　　FCS的主要特點是節(jié)省安裝費用和維護開銷，在硬件的價格方面并不比傳統(tǒng)的DCS或者PLC低，甚至要略高于它們。國外的FCS應用試點報告已說明了這種情況，F(xiàn)CS的總費用低。但在國內(nèi)，一方面用戶對硬件的價格十分敏感，而進口FCS硬件的價格高得驚人；另一方面，由于國內(nèi)目前人工費用低，所以工程設計，管理，安裝，調(diào)試等費用遠比國外低。這是FCS在國內(nèi)應用不多的一個重要原因。
2.2冗余問題
　　按照現(xiàn)場總線的設計思想，低速部分不需要冗余，因為它已經(jīng)將危險分散了，局部故障不會導致全局的故障。現(xiàn)場總線的智能化儀表又有實現(xiàn)維修預報的功能，可以事先防范；而且萬一現(xiàn)場儀表故障，調(diào)節(jié)回路失靈，也可以由主機進行操作干預。主機出現(xiàn)故障時，現(xiàn)場儀表在現(xiàn)場自成調(diào)節(jié)回路而實現(xiàn)自主調(diào)節(jié)。但在實際生產(chǎn)中的一些特殊應用場合，控制系統(tǒng)用戶(尤其是出現(xiàn)過由于控制系統(tǒng)失靈導致工廠事故的生產(chǎn)企業(yè))特別強調(diào)冗余，有的甚至要冗余到底(包括電源，網(wǎng)絡等等)，而目前現(xiàn)場總線國際標準FF的F1和Profibus的PA都沒有冗余。當然，要完全冗余，在技術(shù)上不是完全不可能的，但這樣一來，在經(jīng)濟上往往是不允許的。
2.3調(diào)試和運行維護比預料的難
　　由于現(xiàn)場總線技術(shù)包含許多新的技術(shù)內(nèi)容，尤其是像FF這樣的現(xiàn)場總線本身相當復雜，在調(diào)試過程和運行維護中經(jīng)常會遇到這樣那樣的困難。
2.4應用規(guī)模較小，與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比較優(yōu)點不明顯
　　FCS盡管已經(jīng)發(fā)展多年，由于其經(jīng)濟性，安全性等諸多方面的原因，目前應用主要集中在小系統(tǒng)和舊系統(tǒng)的改造，在大系統(tǒng)、關鍵系統(tǒng)中不敢采用現(xiàn)場總線。這導致兩方面的問題：一方面，因系統(tǒng)小，沒有把管理自動化和遠程診斷功能納入系統(tǒng)，因此無法發(fā)揮現(xiàn)場總線系統(tǒng)降低運行維護費用的優(yōu)勢；另一方面，應用規(guī)模越大，它的優(yōu)越性越能得到充分的體現(xiàn)，同時也能發(fā)現(xiàn)它的缺陷(一些問題難以在小系統(tǒng)應用中表現(xiàn)出來)，從而使其不斷得到完善和發(fā)展，逐步得到用戶的認可和推廣。僅在小系統(tǒng)中應用難以促進FCS的快速發(fā)展。?

3.1工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)
　　以太網(wǎng)適配器價格的大幅度下跌以及各種產(chǎn)品和標準對以太網(wǎng)的支持是其成功的重要因素。企業(yè)的信息層大多數(shù)采用了以太網(wǎng)的解決方案，當控制層和設備層都采用以太網(wǎng)時，則可以實現(xiàn)各層之間信息的無縫連接，并且整個網(wǎng)絡系統(tǒng)將是透明的。以太網(wǎng)采用IEEE802.3所定義的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，是一個開放的協(xié)議標準，從而為PLC和DCS廠家廣泛接受。在大多數(shù)場合，它還可以使用現(xiàn)有的布線。此外，還允許逐步采用新技術(shù)，可以一步步將網(wǎng)絡升級。至于以太網(wǎng)存在的不確定性和實時性能欠佳的問題，由于智能集線器的使用，主動交換功能的實現(xiàn)，優(yōu)先權(quán)的引入以及雙工的布線等，基本上得到了解決。通過提高數(shù)據(jù)傳輸速率，仔細選擇網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)及限制網(wǎng)絡負載等，可以將發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的概率降到最低。這些都給以太網(wǎng)進入實時控制領域創(chuàng)造了條件。
3.2OPC技術(shù)
　　OPC技術(shù)以OLE、組建對象模型COM、分布式組建對象模型DCOM技術(shù)為基礎，定義了一套適用于過程控制應用，支持數(shù)據(jù)訪問、報警、事件與歷史數(shù)據(jù)訪問等功能的接口，便于不同供應商的軟硬件實現(xiàn)“即插即用”的連接與系統(tǒng)的集成。當各現(xiàn)場設備、應用軟件都具有標準的OPC接口時，便于集成不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，使運行在不同平臺上、用不同語言編寫的各種應用軟件順利集成。還可以跨越網(wǎng)絡將不同網(wǎng)絡節(jié)點上的組建模型連接成應用系統(tǒng)，成為集成計算機應用系統(tǒng)和軟件的有效工具。OPC可以作為現(xiàn)場設備間開放式數(shù)據(jù)交換的中間件，作為網(wǎng)段間數(shù)據(jù)共享的中間件，作為集成FCS，DCS與PLC的中間件，作為訪問專有數(shù)據(jù)庫的中間件，可以作為即插即用的軟件主板。OPC技術(shù)為構(gòu)建開放的自動化系統(tǒng)提供了有效的解決方案和工具，成為控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的核心技術(shù)。OPC DX(數(shù)據(jù)交換)、以太網(wǎng)(高速)和現(xiàn)場總線(低速)三者的結(jié)合將在很多領域得到廣泛的應用。
3.3Internet技術(shù)
　　現(xiàn)場總線技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合已經(jīng)成為當今現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展的新亮點。一方面是因為它技術(shù)成熟，易于得到，性能價格比高；另一方面是因為技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場設備對通信性能的要求提高，原有的現(xiàn)場總線技術(shù)難以滿足應用要求，因而轉(zhuǎn)向青睞互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。控制網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合無疑會拓寬測量控制系統(tǒng)的范圍與視野，為實現(xiàn)跨地區(qū)的遠程控制與故障診斷創(chuàng)造了條件。人們可以在千里之外查詢生產(chǎn)現(xiàn)場的運行狀態(tài)；方便地實現(xiàn)偏遠地區(qū)生產(chǎn)設備的無人值守；遠程診斷生產(chǎn)過程或設備的故障等。在現(xiàn)場總線領域采用快速以太網(wǎng)技術(shù)，以物美價廉的以太網(wǎng)設備代替控制網(wǎng)絡中相對昂貴的專用設備是趨勢之一。在現(xiàn)場設備中內(nèi)置Web服務器使現(xiàn)場設備具有網(wǎng)頁發(fā)布功能，通過網(wǎng)頁與外界交換信息，應該說這是將互聯(lián)網(wǎng)設備的功能與技術(shù)直接引入到現(xiàn)場總線設備的結(jié)果，當前許多現(xiàn)場總線組織都在致力于與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的現(xiàn)場總線產(chǎn)品研發(fā)。

　　隨著近年來各種新技術(shù)地不斷涌現(xiàn)，新一代工業(yè)自動化系統(tǒng)也應運而生，目前正向著整體、綜合、集成的方向發(fā)展。采用高可靠性智能化的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)，開發(fā)先進的過程控制策略(APC)；在各個層次上實現(xiàn)在線優(yōu)化(OPC)；推行管理信息系統(tǒng)(MIS/DSS)，進而開發(fā)計算機集成的管理與控制一體化系統(tǒng)；部署企業(yè)資源計劃系統(tǒng)(MPRⅡ/EPR)，連接基于Internet的電子商務系統(tǒng)，已成為發(fā)達國家過程工業(yè)控制與計算機在線應用的標準發(fā)展模式，這也最終將成為我國過程自動化的發(fā)展方向。