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(biāo)準(zhǔn)并存
　　目前現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有12種，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都有其特點(diǎn)，都有其不足，沒有一種標(biāo)準(zhǔn)能夠覆蓋所有的應(yīng)用面。由于不同的現(xiàn)場(chǎng)總線的通信協(xié)議有很大差異，要實(shí)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(diǎn)難以體現(xiàn)，給現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的推廣及現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用帶來不利影響。
1.2開放性
　　一般認(rèn)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)總線的主要特點(diǎn)之一是可互操作性，但現(xiàn)有的12種現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，異種現(xiàn)場(chǎng)總線之間是不能進(jìn)行互操作的，雖說可以通過網(wǎng)關(guān)(gateway)通信或通過OPC協(xié)議進(jìn)行互操作，但這種互操作只能在各自的主機(jī)間進(jìn)行，不能在彼此的現(xiàn)場(chǎng)儀表間進(jìn)行，這種互操作達(dá)不到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。在一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線的內(nèi)部，進(jìn)行互操作應(yīng)該是沒有問題的；實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，不同供應(yīng)商提供同一現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備之間不能完全實(shí)現(xiàn)互操作。
1.4現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備缺少選擇余地
　　一方面標(biāo)準(zhǔn)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(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表被正式注冊(cè)可供選用，國(guó)內(nèi)沒有一種產(chǎn)品注冊(cè)［2］。近幾年來，雖然國(guó)內(nèi)也有不少廠家生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線儀表，但品種，數(shù)量都比較少，達(dá)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(jià)格問題
　　FCS的主要特點(diǎn)是節(jié)省安裝費(fèi)用和維護(hù)開銷，在硬件的價(jià)格方面并不比傳統(tǒng)的DCS或者PLC低，甚至要略高于它們。國(guó)外的FCS應(yīng)用試點(diǎn)報(bào)告已說明了這種情況，F(xiàn)CS的總費(fèi)用低。但在國(guó)內(nèi)，一方面用戶對(duì)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(guó)內(nèi)目前人工費(fèi)用低，所以工程設(shè)計(jì)，管理，安裝，調(diào)試等費(fèi)用遠(yuǎn)比國(guó)外低。這是FCS在國(guó)內(nèi)應(yīng)用不多的一個(gè)重要原因。
2.2冗余問題
　　按照現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)計(jì)思想，低速部分不需要冗余，因?yàn)樗呀?jīng)將危險(xiǎn)分散了，局部故障不會(huì)導(dǎo)致全局的故障?，F(xiàn)場(chǎng)總線的智能化儀表又有實(shí)現(xiàn)維修預(yù)報(bào)的功能，可以事先防范；而且萬一現(xiàn)場(chǎng)儀表故障，調(diào)節(jié)回路失靈，也可以由主機(jī)進(jìn)行操作干預(yù)。主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)儀表在現(xiàn)場(chǎng)自成調(diào)節(jié)回路而實(shí)現(xiàn)自主調(diào)節(jié)。但在實(shí)際生產(chǎn)中的一些特殊應(yīng)用場(chǎng)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(dǎo)致工廠事故的生產(chǎn)企業(yè))特別強(qiáng)調(diào)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(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)FF的F1和Profibus的PA都沒有冗余。當(dāng)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(jì)上往往是不允許的。
2.3調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)比預(yù)料的難
　　由于現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線本身相當(dāng)復(fù)雜，在調(diào)試過程和運(yùn)行維護(hù)中經(jīng)常會(huì)遇到這樣那樣的困難。
2.4應(yīng)用規(guī)模較小，與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)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(jì)性，安全性等諸多方面的原因，目前應(yīng)用主要集中在小系統(tǒng)和舊系統(tǒng)的改造，在大系統(tǒng)、關(guān)鍵系統(tǒng)中不敢采用現(xiàn)場(chǎng)總線。這導(dǎo)致兩方面的問題：一方面，因系統(tǒng)小，沒有把管理自動(dòng)化和遠(yuǎn)程診斷功能納入系統(tǒng)，因此無法發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的優(yōu)勢(shì)；另一方面，應(yīng)用規(guī)模越大，它的優(yōu)越性越能得到充分的體現(xiàn)，同時(shí)也能發(fā)現(xiàn)它的缺陷(一些問題難以在小系統(tǒng)應(yīng)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(rèn)可和推廣。僅在小系統(tǒng)中應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(dāng)控制層和設(shè)備層都采用以太網(wǎng)時(shí)，則可以實(shí)現(xiàn)各層之間信息的無縫連接，并且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(gè)開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，從而為PLC和DCS廠家廣泛接受。在大多數(shù)場(chǎng)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(luò)升級(jí)。至于以太網(wǎng)存在的不確定性和實(shí)時(shí)性能欠佳的問題，由于智能集線器的使用，主動(dòng)交換功能的實(shí)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(xì)選擇網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及限制網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(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O(shè)LE、組建對(duì)象模型COM、分布式組建對(duì)象模型DCOM技術(shù)為基礎(chǔ)，定義了一套適用于過程控制應(yīng)用，支持?jǐn)?shù)據(jù)訪問、報(bào)警、事件與歷史數(shù)據(jù)訪問等功能的接口，便于不同供應(yīng)商的軟硬件實(shí)現(xiàn)“即插即用”的連接與系統(tǒng)的集成。當(dāng)各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、應(yīng)用軟件都具有標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口時(shí)，便于集成不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，使運(yùn)行在不同平臺(tái)上、用不同語言編寫的各種應(yīng)用軟件順利集成。還可以跨越網(wǎng)絡(luò)將不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的組建模型連接成應(yīng)用系統(tǒng)，成為集成計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和軟件的有效工具。OPC可以作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(dòng)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(chǎng)總線(低速)三者的結(jié)合將在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
3.3Internet技術(shù)
　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合已經(jīng)成為當(dāng)今現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展的新亮點(diǎn)。一方面是因?yàn)樗夹g(shù)成熟，易于得到，性能價(jià)格比高；另一方面是因?yàn)榧夹g(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備對(duì)通信性能的要求提高，原有的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)難以滿足應(yīng)用要求，因而轉(zhuǎn)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(jié)合無疑會(huì)拓寬測(cè)量控制系統(tǒng)的范圍與視野，為實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)的遠(yuǎn)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(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài)；方便地實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)生產(chǎn)設(shè)備的無人值守；遠(yuǎn)程診斷生產(chǎn)過程或設(shè)備的故障等。在現(xiàn)場(chǎng)總線領(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(shè)備代替控制網(wǎng)絡(luò)中相對(duì)昂貴的專用設(shè)備是趨勢(shì)之一。在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中內(nèi)置Web服務(wù)器使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有網(wǎng)頁發(fā)布功能，通過網(wǎng)頁與外界交換信息，應(yīng)該說這是將互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功能與技術(shù)直接引入到現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的結(jié)果，當(dāng)前許多現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)化系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)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(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)，開發(fā)先進(jìn)的過程控制策略(APC)；在各個(gè)層次上實(shí)現(xiàn)在線優(yōu)化(OPC)；推行管理信息系統(tǒng)(MIS/DSS)，進(jìn)而開發(fā)計(jì)算機(jī)集成的管理與控制一體化系統(tǒng)；部署企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(MPRⅡ/EPR)，連接基于Internet的電子商務(wù)系統(tǒng)，已成為發(fā)達(dá)國(guó)家過程工業(yè)控制與計(jì)算機(jī)在線應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展模式，這也最終將成為我國(guó)過程自動(dòng)化的發(fā)展方向。