FCS技術(shù)國內應用的現狀及存在的問(wèn)題

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
　　目前現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準有12種，各個(gè)標準都有其特點(diǎn)，都有其不足，沒(méi)有一種標準能夠覆蓋所有的應用面。由于不同的現場(chǎng)總線(xiàn)的通信協(xié)議有很大差異，要實(shí)現不同總線(xiàn)產(chǎn)品的互連非常困難，這使得FCS的開(kāi)放性，分散性和可互操作性等特點(diǎn)難以體現，給現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的推廣及現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的應用帶來(lái)不利影響。
1.2開(kāi)放性
　　一般認為DCS和PLC是封閉性的控制系統，而FCS是開(kāi)放性的系統。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(chǎng)商，很難保證FCS的完全的開(kāi)放性。?
1.3可互操作性
　　現場(chǎng)總線(xiàn)的主要特點(diǎn)之一是可互操作性，但現有的12種現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準中，異種現場(chǎng)總線(xiàn)之間是不能進(jìn)行互操作的，雖說(shuō)可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)(gateway)通信或通過(guò)OPC協(xié)議進(jìn)行互操作，但這種互操作只能在各自的主機間進(jìn)行，不能在彼此的現場(chǎng)儀表間進(jìn)行，這種互操作達不到系統的實(shí)時(shí)性要求。在一種國際標準現場(chǎng)總線(xiàn)的內部，進(jìn)行互操作應該是沒(méi)有問(wèn)題的；實(shí)際應用中發(fā)現，不同供應商提供同一現場(chǎng)總線(xiàn)標準的設備之間不能完全實(shí)現互操作。
1.4現場(chǎng)設備缺少選擇余地
　　一方面標準過(guò)多，另一方面卻缺少選擇余地。以FF為例，用于連續過(guò)程是較為有利的，FF的H1開(kāi)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(gè)現場(chǎng)儀表被正式注冊可供選用，國內沒(méi)有一種產(chǎn)品注冊［2］。近幾年來(lái)，雖然國內也有不少廠(chǎng)家生產(chǎn)現場(chǎng)總線(xiàn)儀表，但品種，數量都比較少，達不到批量生產(chǎn)，成本據高不下，性能也不十分理想。

2.1價(jià)格問(wèn)題
　　FCS的主要特點(diǎn)是節省安裝費用和維護開(kāi)銷(xiāo)，在硬件的價(jià)格方面并不比傳統的DCS或者PLC低，甚至要略高于它們。國外的FCS應用試點(diǎn)報告已說(shuō)明了這種情況，FCS的總費用低。但在國內，一方面用戶(hù)對硬件的價(jià)格十分敏感，而進(jìn)口FCS硬件的價(jià)格高得驚人；另一方面，由于國內目前人工費用低，所以工程設計，管理，安裝，調試等費用遠比國外低。這是FCS在國內應用不多的一個(gè)重要原因。
2.2冗余問(wèn)題
　　按照現場(chǎng)總線(xiàn)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(huì )導致全局的故障?，F場(chǎng)總線(xiàn)的智能化儀表又有實(shí)現維修預報的功能，可以事先防范；而且萬(wàn)一現場(chǎng)儀表故障，調節回路失靈，也可以由主機進(jìn)行操作干預。主機出現故障時(shí)，現場(chǎng)儀表在現場(chǎng)自成調節回路而實(shí)現自主調節。但在實(shí)際生產(chǎn)中的一些特殊應用場(chǎng)合，控制系統用戶(hù)(尤其是出現過(guò)由于控制系統失靈導致工廠(chǎng)事故的生產(chǎn)企業(yè))特別強調冗余，有的甚至要冗余到底(包括電源，網(wǎng)絡(luò )等等)，而目前現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準FF的F1和Profibus的PA都沒(méi)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(lái)，在經(jīng)濟上往往是不允許的。
2.3調試和運行維護比預料的難
　　由于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)包含許多新的技術(shù)內容，尤其是像FF這樣的現場(chǎng)總線(xiàn)本身相當復雜，在調試過(guò)程和運行維護中經(jīng)常會(huì )遇到這樣那樣的困難。
2.4應用規模較小，與傳統控制系統相比較優(yōu)點(diǎn)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和舊系統的改造，在大系統、關(guān)鍵系統中不敢采用現場(chǎng)總線(xiàn)。這導致兩方面的問(wèn)題：一方面，因系統小，沒(méi)有把管理自動(dòng)化和遠程診斷功能納入系統，因此無(wú)法發(fā)揮現場(chǎng)總線(xiàn)系統降低運行維護費用的優(yōu)勢；另一方面，應用規模越大，它的優(yōu)越性越能得到充分的體現，同時(shí)也能發(fā)現它的缺陷(一些問(wèn)題難以在小系統應用中表現出來(lái))，從而使其不斷得到完善和發(fā)展，逐步得到用戶(hù)的認可和推廣。僅在小系統中應用難以促進(jìn)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(jià)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(shí)，則可以實(shí)現各層之間信息的無(wú)縫連接，并且整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統將是透明的。以太網(wǎng)采用IEEE802.3所定義的數據傳輸協(xié)議，是一個(gè)開(kāi)放的協(xié)議標準，從而為PLC和DCS廠(chǎng)家廣泛接受。在大多數場(chǎng)合，它還可以使用現有的布線(xiàn)。此外，還允許逐步采用新技術(shù)，可以一步步將網(wǎng)絡(luò )升級。至于以太網(wǎng)存在的不確定性和實(shí)時(shí)性能欠佳的問(wèn)題，由于智能集線(xiàn)器的使用，主動(dòng)交換功能的實(shí)現，優(yōu)先權的引入以及雙工的布線(xiàn)等，基本上得到了解決。通過(guò)提高數據傳輸速率，仔細選擇網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構及限制網(wǎng)絡(luò )負載等，可以將發(fā)生數據沖突的概率降到最低。這些都給以太網(wǎng)進(jìn)入實(shí)時(shí)控制領(lǐng)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(guò)程控制應用，支持數據訪(fǎng)問(wèn)、報警、事件與歷史數據訪(fǎng)問(wèn)等功能的接口，便于不同供應商的軟硬件實(shí)現“即插即用”的連接與系統的集成。當各現場(chǎng)設備、應用軟件都具有標準的OPC接口時(shí)，便于集成不同數據源的數據，使運行在不同平臺上、用不同語(yǔ)言編寫(xiě)的各種應用軟件順利集成。還可以跨越網(wǎng)絡(luò )將不同網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)上的組建模型連接成應用系統，成為集成計算機應用系統和軟件的有效工具。OPC可以作為現場(chǎng)設備間開(kāi)放式數據交換的中間件，作為網(wǎng)段間數據共享的中間件，作為集成FCS，DCS與PLC的中間件，作為訪(fǎng)問(wèn)專(zhuān)有數據庫的中間件，可以作為即插即用的軟件主板。OPC技術(shù)為構建開(kāi)放的自動(dòng)化系統提供了有效的解決方案和工具，成為控制系統數據交換的核心技術(shù)。OPC DX(數據交換)、以太網(wǎng)(高速)和現場(chǎng)總線(xiàn)(低速)三者的結合將在很多領(lǐng)域得到廣泛的應用。
3.3Internet技術(shù)
　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結合已經(jīng)成為當今現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展的新亮點(diǎn)。一方面是因為它技術(shù)成熟，易于得到，性能價(jià)格比高；另一方面是因為技術(shù)的發(fā)展，現場(chǎng)設備對通信性能的要求提高，原有的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)難以滿(mǎn)足應用要求，因而轉向青睞互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)?？刂凭W(wǎng)絡(luò )與互聯(lián)網(wǎng)的結合無(wú)疑會(huì )拓寬測量控制系統的范圍與視野，為實(shí)現跨地區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(xún)生產(chǎn)現場(chǎng)的運行狀態(tài)；方便地實(shí)現偏遠地區生產(chǎn)設備的無(wú)人值守；遠程診斷生產(chǎn)過(guò)程或設備的故障等。在現場(chǎng)總線(xiàn)領(lǐng)域采用快速以太網(wǎng)技術(shù)，以物美價(jià)廉的以太網(wǎng)設備代替控制網(wǎng)絡(luò )中相對昂貴的專(zhuān)用設備是趨勢之一。在現場(chǎng)設備中內置Web服務(wù)器使現場(chǎng)設備具有網(wǎng)頁(yè)發(fā)布功能，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)與外界交換信息，應該說(shuō)這是將互聯(lián)網(wǎng)設備的功能與技術(shù)直接引入到現場(chǎng)總線(xiàn)設備的結果，當前許多現場(chǎng)總線(xiàn)組織都在致力于與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結合的現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)。

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