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              中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會現(xiàn)場總線專業(yè)委員會 卞正崗 

     1　引言

   流程工業(yè)自動化系統(tǒng)及現(xiàn)場儀表，都逐步從采用模擬技術(shù)發(fā)展為數(shù)字技術(shù)，要解決“3C”技術(shù)（Comunication 、Computer、 Control即通訊、計(jì)算機(jī)、控制）的融合，自動化儀表和系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)是必由之路。在現(xiàn)場總線基金會成立18年之際，我們有必要回顧一下歷史，這對總結(jié)近20年來推廣數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化新一代自動化儀表和系統(tǒng)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）的市場研究報(bào)告指出，以東南亞為例，2010年FF現(xiàn)場總線的銷售額是1.701億美元，2017年估計(jì)將達(dá)2.52億美元，基金會現(xiàn)場總線在不增加人員的情況下，可以提高生產(chǎn)力10%，擴(kuò)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(jì)70年代微處理機(jī)應(yīng)用熱潮中，DCS逐步成為流程工業(yè)中控制系統(tǒng)的主流，而后現(xiàn)場儀表數(shù)字化也提到了日程上，直到1994年下半年才出現(xiàn)了ISP（互可操作系統(tǒng)協(xié)儀）和World FIP 北美全球工廠儀表協(xié)議，兩大現(xiàn)場總線國際組織合并，合并后組織稱現(xiàn)場總線基金會FF（Field-bus Foundation），對應(yīng)技術(shù)稱基金會現(xiàn)場總線（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355家主要儀表供應(yīng)商和主要流程工業(yè)用戶的非盈利性國際組織。

   FF于1995年5月完成了HI規(guī)范草案，于1998年9月注冊了第1臺FF HI現(xiàn)場總線設(shè)備。FF于1999年9月完成了高速以太網(wǎng)HSE規(guī)范草案，于2001年5月注冊了第1臺HSE鏈接設(shè)備，于2009年4月注冊了第1套主機(jī)系統(tǒng)。對于FF發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)的人有John Pittman(1994—2001年總裁和執(zhí)行官)、Paul Griem(秘書、在霍尼韋爾退休)、Chuck Micallef（技術(shù)推廣總監(jiān)，在橫河退休）等人。我國在FF應(yīng)用工程方面為世界做出了很多貢獻(xiàn)：中海油殼牌廣東惠州乙烯項(xiàng)目；上海賽科乙烯項(xiàng)目，福建煉化一體化項(xiàng)目及近百項(xiàng)中、小型項(xiàng)目。經(jīng)過了設(shè)計(jì)安裝、調(diào)試、開車、大修、日常維護(hù)、軟件升級、系統(tǒng)擴(kuò)建、培訓(xùn)等多項(xiàng)考驗(yàn)，證明了基金會現(xiàn)場總踐在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)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(xiàng)目也是大型的FF項(xiàng)目。

   1997年開始在我國開展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、福克斯波羅、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(xiàn)場總線提供IEC電源的供應(yīng)商之一）、TOPWORX、摩爾（Moore Hawke前身為Hawke Field bus，有多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新）、諾斯威爾等公司都做出了貢獻(xiàn)。

   我國在“九五”攻關(guān)的基礎(chǔ)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，比較突出的是沈陽科學(xué)院自動化所及相關(guān)的中科博微自動化技術(shù)有限公司，他們研發(fā)了一系列現(xiàn)場儀表和系統(tǒng)，通過了國際上的FF認(rèn)證，從2000年12月就開始了FF現(xiàn)場總線相關(guān)的工程應(yīng)用，受到基金會的表揚(yáng)，并且活躍在相關(guān)現(xiàn)場總線及無線通信標(biāo)準(zhǔn)制定的國際學(xué)術(shù)活動中。另外，浙江中控的最新型DCS系統(tǒng)也通過了國際FF認(rèn)證，而且開始了工程實(shí)踐。和利時(shí)還推出與FF兼容的HOLLiAS設(shè)備管理系統(tǒng)。

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

    18年以來，F(xiàn)F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IEC61158-2標(biāo)準(zhǔn)即FF-HI和HSE；而后功能塊概念和電子設(shè)備描述語言（EDDL）納入IEC61804-2規(guī)范；在ISPLima工廠成功演示HSE和柔性功能塊；FISCO（現(xiàn)場總線本質(zhì)安全模型）和FNICO（現(xiàn)場總線非易燃模型）防爆技術(shù)通過認(rèn)證；完善化技術(shù)規(guī)范、嚴(yán)格的設(shè)備與系統(tǒng)測試，在全世界范圍內(nèi)設(shè)備真正可互操作，COTS交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的集成，使HI現(xiàn)場控制、HSE、OPC、應(yīng)用軟件包、MIS（ERP）等五層結(jié)構(gòu)體系在石化、火電廠等流程工業(yè)自動化系統(tǒng)形成框架（FF+新一代DCS）；FF與設(shè)備管理系統(tǒng)結(jié)合；FF-SIS基金會現(xiàn)場總線安全儀表系統(tǒng)通過國際TUV論證，它基于IEC61508國際標(biāo)準(zhǔn)，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(xiàn)主機(jī)系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備的互連、互通、互操作；深入研討FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)行全生命周期管理，提倡預(yù)測性維護(hù)、前瞻性維護(hù)，宣講FF系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間與現(xiàn)金流入關(guān)系曲線，介紹CAPEX（投資成本）和OPEX（運(yùn)行成本）分析方法，通過ARC對FF的商業(yè)價(jià)值進(jìn)行深度咨詢，并得出肯定的結(jié)論；其它無線通信、遠(yuǎn)程I/O、ROM（遠(yuǎn)程操作管理）（注：遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)）等正在推進(jìn)中。FF技術(shù)不僅提供了通訊網(wǎng)絡(luò)，還全面提供了自動化系統(tǒng)的解決方案。關(guān)于FFHI技術(shù)，當(dāng)然也有需要改進(jìn)之處，但FFHI技術(shù)是自動化儀表和系統(tǒng)近半個世紀(jì)成果的薈萃，打下的基礎(chǔ)是牢固的，其技術(shù)是經(jīng)過了長期工程考驗(yàn)的，是值得信賴的。我認(rèn)為隨著智能化水平的提高，F(xiàn)FH1將會不斷進(jìn)步。這里還要指出，F(xiàn)F技術(shù)在ISO/OSI7層模型的應(yīng)用層之上，增加了用戶層，目前該技術(shù)已經(jīng)被自動化行業(yè)認(rèn)可，而且已經(jīng)完善化，這是FF技術(shù)的一大貢獻(xiàn)。

    根據(jù)2006年的數(shù)據(jù)，ARC提供對全世界流程工業(yè)中現(xiàn)場總線的解決方案的報(bào)告，2006年FF的銷售收入為5.666億美元，占總線銷售收入的68.1%，并預(yù)測2011年FF總收入可達(dá)17.142億美元，占總線總收入的75.2%，復(fù)合年均增長率為24.8%。已注冊的FF儀表和系統(tǒng)品種約400多種分別為壓力變送器43種，溫度變送器31種，流量儀表40種，物位儀表34種、執(zhí)行器（閥門定位器、耦合器）38種，分析儀表（包括物性儀表）47種，電源（電源調(diào)節(jié)器、中繼器、安全柵）56種，鏈路設(shè)備（網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋、連接器、轉(zhuǎn)換器、耦合器）56種，其它（現(xiàn)場指示器、過程I/O、芯片、堆棧、模塊、模板）41種，解決方案系統(tǒng)軟件，服務(wù)資訊33種，總線電纜6種，總線控制系統(tǒng)18種（注：這些系統(tǒng)是根據(jù)第一次可互操作規(guī)范注冊的控制系統(tǒng)），而且在不斷增加新的品種，這就為開拓市場打下了良好基礎(chǔ)。全世界已安裝的基金現(xiàn)場總線系統(tǒng)超過12000套，已安裝的現(xiàn)場設(shè)備超過100萬臺以上，其中，中國為100套系統(tǒng)，數(shù)萬臺設(shè)備。

   3　主機(jī)及新一代DCS系統(tǒng)

   上一節(jié)中提到的自動化系統(tǒng)框架俗稱“ F F +新一代DCS ” ， 應(yīng)寫為FFHI+HSE+Host，這里Host主機(jī)是指支持基金會現(xiàn)場總線信息的設(shè)備，包括配置（組態(tài)）工具，記錄設(shè)備、報(bào)警顯示板、HMI或者具有多種功能特性的系統(tǒng)。主機(jī)可能具有H1接口、HSE接口或兼而有之，它支持安全設(shè)備控制和監(jiān)視設(shè)備或兼而有之，帶H1接口的主機(jī)應(yīng)該具有通過基金會注冊的通信協(xié)議棧和物理層接口，帶HSE接口的主機(jī)應(yīng)該具有注冊的通信協(xié)議棧。對應(yīng)主機(jī)測試協(xié)議為HIST主機(jī)互操作支持測試（Host InteroperabilitySupport Test）即FF-569，具體性能要求為設(shè)備信號分配，設(shè)備地址分配、鏈路主設(shè)備的組態(tài)、功能塊信號組態(tài)、功能塊組態(tài)測試、標(biāo)準(zhǔn)功能塊、增強(qiáng)功能塊、客戶功能塊、功能塊鏈路組態(tài)、FF報(bào)警組態(tài)、FF報(bào)警處理、FF趨勢組態(tài)、FF趨勢處理、DD（設(shè)備描述）服務(wù)、DD方法的執(zhí)行、DD菜單處理、DD編輯顯示處理和能力文件等，經(jīng)過多次改進(jìn)，對Host主機(jī)逐步由支持性測試升級為用于注冊的HIST（FF-569Rev.2）。

   結(jié)合《基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)工程指南》3.1版及NAMUR NE10《自監(jiān)測和現(xiàn)場設(shè)備診斷標(biāo)準(zhǔn)》（對應(yīng)基金會的《現(xiàn)場總線診斷規(guī)范FF-912》）主機(jī)劃分成五類：Class61—集成主機(jī)（Integratedhost），為主要的在線主機(jī)（on-processhost）；Class62—訪問主機(jī)（Visitorhost），為臨時(shí)在線主機(jī)；Class63—臺式主機(jī)（Bench host），為主要的離線主機(jī)（off-process host）；Class64—臺式主機(jī)，為主要的離線主機(jī)；Class71—SIF集成主機(jī)，為主要的帶有安全儀表功能（SIF）的在線主機(jī)。主機(jī)類型后綴有a或b，a代表這臺主機(jī)通過了發(fā)生在原始HIST之后的第一撥配置測試，b代表具有更多強(qiáng)制特性的新要求，2010年開始所有主機(jī)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(jī)系統(tǒng)有12個主機(jī)系統(tǒng)：ABB的Industrial IT System 800xA(61a類集成主機(jī)系統(tǒng))；艾默生的Delta V &AMS Stuite(61a類集成主機(jī)系統(tǒng))；艾默生的Ovation Expert Control System&AMSStuite(61a類集成主機(jī)系統(tǒng))；GE的GEConrtol ST(61a類集成主機(jī)系統(tǒng))；霍尼韋爾的Experion PKS(61a類集成主機(jī)系統(tǒng))；Invensys的Infusion Enterprise ControlSystem(61a類集成主機(jī)系統(tǒng))；山武的Industrial—DEO/Harmonas(61a類集成主機(jī)系統(tǒng))；橫河的CENTUM VP (61a類集成主機(jī)系統(tǒng))；橫河的STARDOM(61a類集成主機(jī)系統(tǒng))；浙江中控（SUPCON）的ECS—700 V3&SAMS V2.60(61b類集成主機(jī)系統(tǒng))。其中61類集成主機(jī)系統(tǒng)即通常所說的新一代DCS的主控制系統(tǒng)，它滿足了過程工程師、工藝操作員、儀表和系統(tǒng)維護(hù)人員、管理層（工長、調(diào)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(chǔ)，使跨設(shè)備的互操作、即插即用、設(shè)備管理等成為現(xiàn)實(shí)。也證明了FF技術(shù)提供了自動化系統(tǒng)的解決方案，提供了集成化的系統(tǒng)，而不是由用戶自己去進(jìn)行集成或主機(jī)供應(yīng)商在沒有注冊的情況下向用戶提供系統(tǒng)。把這些主機(jī)，稱為新一代DCS，或DCS/FCS，已是水到渠成了。

   4　著作及設(shè)計(jì)工程維護(hù)經(jīng)驗(yàn)

   我國在大量實(shí)踐基礎(chǔ)上已有多部關(guān)于現(xiàn)場總線的著作出版，其中陽憲惠編著的《工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)》、鐘耀球、張衛(wèi)華編著的《FF總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用》、斯可克的《基金會現(xiàn)場總線功能塊原理及應(yīng)用》、魏華編著的《基金會現(xiàn)場總線—設(shè)計(jì)、工程與維護(hù)》，都是在實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐基礎(chǔ)上寫成的佳作，這也證明了我國的軟實(shí)力。

   在《基金會現(xiàn)場總線—設(shè)計(jì)、工程與維護(hù)》一書的第八章中寫到了故障診斷方面的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。一般故障檢查分如下幾方面：FF設(shè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。在典型案例分析中，對軟件故障舉出由于數(shù)據(jù)幀丟失和循環(huán)編碼錯誤產(chǎn)生頻繁的通訊中斷、互操作性問題，由于組態(tài)缺陷導(dǎo)致的IOP/OOP/CNF狀態(tài)等類故障。其中互操作性問題的實(shí)例很有代表性，介紹如下：某60萬噸/年甲醇項(xiàng)目中，閥門定位器采用的是SAMSON公司的3730系列產(chǎn)品，試生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)部分調(diào)節(jié)閥經(jīng)常出現(xiàn)突然關(guān)閉，1～2秒后又自動打開到原來的開度，這種故障給生產(chǎn)運(yùn)行帶來隱患，這現(xiàn)象出現(xiàn)沒有規(guī)律，有時(shí)連續(xù)正常運(yùn)行2個月，有時(shí)1天出現(xiàn)幾次閥門關(guān)閉。故障分析：閥門定位器是由LEUCH閥門成套廠集成的產(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。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用的是橫河公司的CENTUM CS 3000 R3.07版本，在FF網(wǎng)站沒有發(fā)現(xiàn)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閥門定位器所在的現(xiàn)場總線網(wǎng)段進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)段存在令牌丟失現(xiàn)象，在一定的監(jiān)測時(shí)間內(nèi)接收了77個令牌，丟失了10個令牌，令牌的接收率為88%，所以現(xiàn)場總線網(wǎng)段數(shù)據(jù)丟失情況嚴(yán)重。另外用NI監(jiān)視器也進(jìn)行測試，結(jié)果為90%，比較接近。經(jīng)過整改故障消除。

   最后，用該書序言作者中海油CEO總裁楊業(yè)新的話作結(jié)束語：“借用國學(xué)大師王國維在人間詞話的“三種境界”來表達(dá)對學(xué)問的求索歷程，尋找目標(biāo)—苦心探索—豁然開朗的追求歷程，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)自動化系統(tǒng)的專業(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(jī)系，早年從事電機(jī)及微型電機(jī)研究，后多年從事工業(yè)自動化儀表、集散系統(tǒng)和現(xiàn)場總線的研制和自動化系統(tǒng)集成的工程實(shí)踐，享受政府特殊津貼，中國自動化學(xué)會科普工作委員會委員，曾獲得有色總公司科技進(jìn)步一等獎和國家機(jī)械總局科技進(jìn)步三等獎。