現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在技術(shù)上具有許多特點(diǎn)：具有系統(tǒng)的開放性；互可操作性與互用性；現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性；對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。由于FCS在技術(shù)上的特點(diǎn)，因此體現(xiàn)出許多優(yōu)越性：節(jié)省硬件數(shù)量與投資；節(jié)省安裝、維護(hù)費(fèi)用；用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)；提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。鑒于FCS的種種優(yōu)越性，我們在2001年裝置控制系統(tǒng)更新改造中毅然選擇了FCS。 圖1 FCS基本構(gòu)成圖 一、問題的提出 裝置采用FCS的初衷，是將大型空分裝置及其所屬相關(guān)工藝裝置原來Foxboro SPEC200組裝儀表更新改造成FCS，這是繼CETEM、CETEM-CS、TDC3000 TPS等多套大型DCS系統(tǒng)在我廠所屬50萬噸/年大化肥、甲醇、丁醇、辛醇等化工裝置改造、運(yùn)行成功的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。計劃改造規(guī)模：現(xiàn)場總線型AI 92點(diǎn)、AO 91點(diǎn)及其常規(guī)點(diǎn)AI、DI、DO近千點(diǎn)。但令人遺憾的是：實(shí)際只完成計劃改造規(guī)模的1/2不到，對于過程反應(yīng)激烈的工藝裝置的改造計劃實(shí)難被各方認(rèn)可而流產(chǎn)，其中的困惑和無奈是多方面的，但FCS自身的許多缺陷難逃干系。 二、故障實(shí)例 1. 現(xiàn)場總線卡兩次損壞 2004年9月5日，操作人員反映空分裝置的一個生產(chǎn)單元的多塊儀表突然失靈，經(jīng)儀表維修人員緊急排查發(fā)現(xiàn)：一塊現(xiàn)場總線卡上的故障（Error）“紅燈”亮起，該卡所帶的兩個通道（Port1、Port2）即兩個現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)段（Fieldbus network segments）的全部信息處于故障狀態(tài)，近20臺現(xiàn)場變送器、調(diào)節(jié)閥信息及人—機(jī)對話全部中斷，使該裝置的一個生產(chǎn)單元的相關(guān)儀表全部處于失控狀態(tài)。手足無措的儀表維修人員緊急向廠商技術(shù)支持求助，要求技術(shù)支持提供處理方法的同時，要對該裝置生產(chǎn)的安全提供承諾，但得到的回答都是“不保證”或“不敢肯定”的答復(fù)。該控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線卡故障這已是第二次，它是一個月前大修期間剛換上的新備件卡，且無論如何也不能軟恢復(fù)的硬件故障。見圖，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成。 2. 現(xiàn)場總線接線箱進(jìn)雨水 2003年9月12日雨后，操作人員發(fā)現(xiàn)數(shù)臺儀表、閥門的數(shù)據(jù)同時回零，接報后的儀表維修人員根據(jù)出問題的區(qū)域，果斷確認(rèn)是某條總線段出現(xiàn)了故障。認(rèn)真排查了現(xiàn)場總線卡、總線電源等都沒有發(fā)現(xiàn)問題。當(dāng)打開現(xiàn)場總線接線箱FJB（Field Junction Box）時發(fā)現(xiàn)內(nèi)部滲有水滴。問題十分明確：是現(xiàn)場總線接線箱滲進(jìn)雨水，造成這條現(xiàn)場總線主干電纜線上的某點(diǎn)接地或短路，致使這條總線主干電纜所帶數(shù)臺儀表、閥門的數(shù)據(jù)全部回零。 FCS的應(yīng)用指南中要求用戶，現(xiàn)場總線雙絞線不能接地、短路、開路是用戶必須“絕對”遵守的準(zhǔn)則。為了防止類似事故的再次發(fā)生，根據(jù)廠商的建議和推薦，我們利用2004年8月裝置大修的機(jī)會，將廠商提供的普通型總線集線器全部拆除，換上了具有防接地、短路、開路保護(hù)功能的MTL Megablock系列被動型現(xiàn)場總線式集線器（Passive hubs for fieldbus networks）。據(jù)資料介紹，該系列被動型現(xiàn)場總線式集線器具有較強(qiáng)的接地、短路、開路保護(hù)功能，可以及時將故障點(diǎn)從回路中切除，防止故障的進(jìn)一步擴(kuò)大并保證其他無故障回路的正常運(yùn)行。資料沒有介紹是利用硬的方法還是軟的方法檢測出故障點(diǎn)并及時切除該故障點(diǎn)的，其準(zhǔn)確性、可靠性如何，有待于時間和現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行的考驗(yàn)。 3. 信息流阻塞 “數(shù)據(jù)刷新太慢了，而且越急越上不來”，這是操作人員對總線控制系統(tǒng)不時發(fā)出的報怨。為了滿足工藝控制的基本要求，利用檢修的機(jī)會我們作了兩項(xiàng)調(diào)整工作：一是將重要控制點(diǎn)調(diào)出總線控制系統(tǒng)，并進(jìn)一步調(diào)整并削減了每條總線段上的掛載量，原則上每條總線段要少于6臺現(xiàn)場儀表；二是將重要點(diǎn)的邏輯掃描時間由系統(tǒng)默認(rèn)的500ms調(diào)整到100ms，但這已是FCS給用戶選擇的極限掃描速度。 4. 軟件版本升級 針對操作界面的死鎖；控制器時間程序系統(tǒng)的吃內(nèi)存，造成控制器內(nèi)存不夠而死鎖等軟件缺陷和漏洞。我們利用2004年8月裝置大修的機(jī)會，與廠商簽訂合同將軟件版本進(jìn)行升級，廠商保證升級后的版本軟件不存在安全、使用方面的缺陷和漏洞。但令人遺憾的是：由于控制器硬件的限制，系統(tǒng)軟件不能采用最新版本進(jìn)行升級。 5. 數(shù)字式定位器死機(jī) 2003年11月7日，操作人員從其他工藝參數(shù)判斷某調(diào)節(jié)閥自行關(guān)閉，檢查操作畫面卻無任何異常信息報出。經(jīng)儀表維護(hù)人員現(xiàn)場檢查確認(rèn)是總線定位器DVC5010F失靈無輸出，致氣動薄膜調(diào)節(jié)閥失氣全關(guān)。進(jìn)一步檢查組態(tài)窗口發(fā)現(xiàn)定位器內(nèi)部AO塊返回PID的信號在線顯紅色報錯，但系統(tǒng)診斷無錯。從控制室手操輸出100%，定位器輸出仍然為零，在資源管理器（EXPLORER）中調(diào)出通信模件看到定位器仍無輸出，重新識別也不認(rèn)，只好更換新的定位器。以上故障出現(xiàn)過兩次，都更換了定位器。 2003年3月6日，總線定位器DVC5010F也是突然失靈，但重新STAND BY再ON LINE故障自動解除，顯然這是軟件故障；還有一次現(xiàn)場總線定位器DVC5010F的反饋桿自行脫落，DVC5010F并無察覺，控制系統(tǒng)并無報錯，操作人員通過其他參數(shù)確定其閥門動作異常，儀表維修人員跑到現(xiàn)場才找出真正故障原因。FCS投用至今，已有多臺數(shù)字式定位器或因死機(jī)頻繁或因硬損壞被換下 。由于總線數(shù)字式定位器軟故障的疊加，其綜合故障、壞損率要遠(yuǎn)高于常規(guī)數(shù)字型定位器。 三、相關(guān)鏈接 2004年10月，某廠完成了目前國內(nèi)最大的一套丁辛醇裝置的建設(shè)并如期投產(chǎn)，其丁辛醇產(chǎn)品綜合能耗、質(zhì)量達(dá)到當(dāng)今世界先進(jìn)水平。耐人尋味的是：專利和過程工藝包提供商著名的英國戴維過程技術(shù)有限公司DPT（Davy Process Technology）與我方簽訂的技術(shù)協(xié)議中，除中外雙方設(shè)計所遵循的規(guī)程規(guī)范外，特別強(qiáng)調(diào)“裝置DCS/ESD控制系統(tǒng)采用硬連線（4～20mA）方式，不推薦使用總線控制系統(tǒng)”。我們多次求證其原因都沒有獲得正面答復(fù)，最終在工程設(shè)計審查會上由一位DPT資深自控專家道出了其中原由。原來，DPT公司曾經(jīng)總包了美國一個大型化工裝置，部分裝置采用了總線控制系統(tǒng)，裝置開工試車過程中，由于總線控制系統(tǒng)通信速度慢等原因不被客戶認(rèn)可，被迫修改設(shè)計而延誤了合同工期，這是該工程公司承攬的眾多工程中最大的一次敗筆。之后，凡該公司提供工藝包或工程總成，都不推薦使用總線控制系統(tǒng)。 之所以鏈接這段信息，不是刻意用它去證明什么，因?yàn)樗彩枪P者一段經(jīng)歷，也是筆者作為用戶自控總代表在丁辛醇項(xiàng)目的設(shè)計審查、設(shè)備訂貨談判所要遵循的準(zhǔn)則之一。當(dāng)然，這也是一個鮮活的案例，需要我們反復(fù)體味。 四、關(guān)鍵 現(xiàn)場總線技術(shù)自20世紀(jì)80年代產(chǎn)生以來，一直受到人們的蠊刈?，睋]鑰亓煊虻囊懷⌒碌母錈＝?0年代以后，F(xiàn)CS一度成為人們研究的熱點(diǎn)，各種型號的現(xiàn)場總線產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。隨著FCS在生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用，暴露的問題越來越多，引起了各使用方的質(zhì)疑和抨擊，F(xiàn)CS的產(chǎn)品也受到市場無情的阻擊。FCS如此叫好不叫座，究竟問題出在那里？本文站在一個使用者的角度與傳統(tǒng)的DCS控制系統(tǒng)比較、分析后認(rèn)為： 1. 危險集中 隨著石油化工工業(yè)的迅猛發(fā)展，裝置規(guī)模越來越大型化、連續(xù)化，加之化工過程具有易燃、易爆、高溫、高壓、有毒、有害、有腐蝕的特點(diǎn)，生產(chǎn)控制系統(tǒng)稍有閃失將會釀成災(zāi)難性事故，造成生產(chǎn)、設(shè)備、人員、環(huán)境等方面不可挽回的重大損失。因此，對大型石化生產(chǎn)裝置的控制系統(tǒng)而言，其安全性、可靠性是壓倒一切的重要和必要，即使一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或損壞（任何控制系統(tǒng)不可能不出現(xiàn)故障或損壞）也要保證其受影響的控制點(diǎn)要盡可能的少、受波及的生產(chǎn)面要盡可能的窄。這樣，壞點(diǎn)被切除后生產(chǎn)人員可根據(jù)相關(guān)工藝參數(shù)維持安全生產(chǎn)；維修人員對個體壞點(diǎn)的處理就比較寬松、容易，當(dāng)然也就安全。 FCS如何設(shè)置的呢？一套雙重化的控制器帶若干現(xiàn)場總線卡，每個現(xiàn)場總線卡（防爆現(xiàn)場要經(jīng)過隔離柵）帶兩條通往生產(chǎn)現(xiàn)場的雙絞線干線，每條通往現(xiàn)場的雙絞線干線段（Segment）拖動現(xiàn)場多臺（每條干線電纜拖動總線儀表數(shù)量最多為16臺）總線型變送器、閥門定位器等。一條雙絞線干線既是多臺測量變送器或調(diào)節(jié)閥的供電母線，也是上下傳輸信號的母線，無疑一條雙絞線干線帶動的是一個生產(chǎn)區(qū)域或生產(chǎn)單元的多塊測量儀表和調(diào)節(jié)閥。這條現(xiàn)場總線干線的任何閃失，都將殃及這條雙絞線干線上的全部節(jié)點(diǎn)。對于連續(xù)化生產(chǎn)的石油化工生產(chǎn)裝置來講，一個生產(chǎn)區(qū)域或生產(chǎn)單元的多個測點(diǎn)、多個調(diào)節(jié)閥突然同時失控，連相關(guān)參考工藝數(shù)據(jù)都找不到，面對隆隆的生產(chǎn)裝置將是多么恐怖場面。這就是典型的危險集中的體現(xiàn)……。 盡管FCS的應(yīng)用指南中提醒用戶，雙絞線不能接地、短路、開路是用戶必須“絕對”遵守的準(zhǔn)則，但變化萬千的生產(chǎn)現(xiàn)場如何能“絕對”做到？即使做到，F(xiàn)CS的相關(guān)卡件、隔離柵、元器件、端子等就能永遠(yuǎn)不出問題？上述故障實(shí)例就是“危險集中”的典型范例。 2. 費(fèi)用問題 要注意的是：由于現(xiàn)場總線型變送器、定位器功能的增強(qiáng)，其價格要遠(yuǎn)高于普通智能型變送器、定位器；再加上費(fèi)用咋舌的冗余型現(xiàn)場母線段電源系統(tǒng)（Redundant power system for fieldbus network segments）、被動保護(hù)型母線集線器，非一般特性且專用的總線電纜等，其綜合費(fèi)用要比DCS的綜合費(fèi)用高得多。值得注意的是：FCS節(jié)省費(fèi)用的廣告，都無一例外地避開或淡化了現(xiàn)場總線儀表綜合費(fèi)用的話題，但FCS離開現(xiàn)場總線相關(guān)儀表及附件能行嗎？ 為了避開FCS危險集中這一固有的缺陷，各廠商相繼開發(fā)了用于總線網(wǎng)絡(luò)段冗余電源系統(tǒng)；用于總線網(wǎng)絡(luò)母線的被動保護(hù)型母線集線器等輔助保護(hù)型總線產(chǎn)品。相信不久的將來定會出現(xiàn)：冗余式現(xiàn)場總線卡、冗余式總線隔離柵、冗余式通信母線等等。但是，為了一個概念或節(jié)省幾條電纜線下如此大的精力、財力值嗎？加上如此的配備還會省錢嗎？其回路價格比無疑要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于DCS的相同配置。 信息流阻塞、定位器死鎖等問題相信不久的將來會得到很好地解決，但同樣需要時間、費(fèi)用和代價。 3. 建議 并不否認(rèn)FCS是今后的發(fā)展方向，但本文更贊同F(xiàn)CS會成為DCS大構(gòu)架下的一個重要分支，而非FCS一定會取代DCS。對大型石油化工裝置控制系統(tǒng)來講，選擇一套大構(gòu)架下的DCS控制系統(tǒng)，重要的控制回路選擇硬連線點(diǎn)—點(diǎn)式信號通信方式，當(dāng)然也可以選擇總線式變送器、調(diào)節(jié)閥等儀表；非重要回路選擇總線通信方式，由于非重要回路可以相應(yīng)減少保護(hù)性的配置，其綜合回路價格比當(dāng)然可以降下來。 五、出路 現(xiàn)場總線技術(shù)理論上講有著眾多優(yōu)點(diǎn)，1984年有關(guān)組織已開始著手制定FCS的國際標(biāo)準(zhǔn)。令人遺憾的是，世界上一些大公司為了各自的經(jīng)濟(jì)利益，圍繞著FCS的國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了互不相讓的大戰(zhàn)，歷經(jīng)16年磨難與挫折，先后經(jīng)過9次投票表決而未獲通過。最終通過協(xié)商、妥協(xié)，1999年底通過了8種類型的現(xiàn)場總線作為IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)，加上IEC TC17B已通過的三種現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，目前現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)共有12種之多。眾多標(biāo)準(zhǔn)的并存，對大公司來講好像皆大歡喜，但誰的產(chǎn)品也不可能覆蓋所有的應(yīng)用層面。面對眾多標(biāo)準(zhǔn)，面對大公司的技術(shù)封鎖，眾多中小儀表制造業(yè)的無所適從或干脆不從，造成現(xiàn)場總線儀表品種單一且價格嚴(yán)重離譜。一些用量雖少但生產(chǎn)現(xiàn)場決不可少的特種儀表品種空白，造成設(shè)計選型、用戶選擇、維護(hù)的極大困難。 眾多現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)無疑就是無標(biāo)準(zhǔn)。我們呼喚盡快拆除籬笆統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，打破市場壟斷，使所有符合統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的各類儀表都可以互連互通，儀表生產(chǎn)企業(yè)也能騰出更多精力去開發(fā)更可靠、更貼近市場的總線產(chǎn)品，形成百花齊放的儀表市場，用戶選型、使用中的種種困惑和煩惱自然會迎刃而解，從而大大推進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)力的發(fā)展。