現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在技術上具有許多特點：具有系統(tǒng)的開放性；互可操作性與互用性；現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性；系統(tǒng)結構的高度分散性；對現(xiàn)場環(huán)境的適應性。由于FCS在技術上的特點，因此體現(xiàn)出許多優(yōu)越性：節(jié)省硬件數量與投資；節(jié)省安裝、維護費用；用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權；提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性。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、運行成功的基礎上進行的。計劃改造規(guī)模：現(xiàn)場總線型AI 92點、AO 91點及其常規(guī)點AI、DI、DO近千點。但令人遺憾的是：實際只完成計劃改造規(guī)模的1/2不到，對于過程反應激烈的工藝裝置的改造計劃實難被各方認可而流產，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單元的多塊儀表突然失靈，經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)場總線網絡段（Fieldbus network segments）的全部信息處于故障狀態(tài)，近20臺現(xiàn)場變送器、調節(jié)閥信息及人—機對話全部中斷，使該裝置的一個生產單元的相關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支持求助，要求技術支持提供處理方法的同時，要對該裝置生產的安全提供承諾，但得到的回答都是“不保證”或“不敢肯定”的答復。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的硬件故障。見圖，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基本構成。 2. 現(xiàn)場總線接線箱進雨水 2003年9月12日雨后，操作人員發(fā)現(xiàn)數臺儀表、閥門的數據同時回零，接報后的儀表維修人員根據出問題的區(qū)域，果斷確認是某條總線段出現(xiàn)了故障。認真排查了現(xiàn)場總線卡、總線電源等都沒有發(fā)現(xiàn)問題。當打開現(xiàn)場總線接線箱FJB（Field Junction Box）時發(fā)現(xiàn)內部滲有水滴。問題十分明確：是現(xiàn)場總線接線箱滲進雨水，造成這條現(xiàn)場總線主干電纜線上的某點接地或短路，致使這條總線主干電纜所帶數臺儀表、閥門的數據全部回零。 FCS的應用指南中要求用戶，現(xiàn)場總線雙絞線不能接地、短路、開路是用戶必須“絕對”遵守的準則。為了防止類似事故的再次發(fā)生，根據廠商的建議和推薦，我們利用2004年8月裝置大修的機會，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）。據資料介紹，該系列被動型現(xiàn)場總線式集線器具有較強的接地、短路、開路保護功能，可以及時將故障點從回路中切除，防止故障的進一步擴大并保證其他無故障回路的正常運行。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并及時切除該故障點的，其準確性、可靠性如何，有待于時間和現(xiàn)場實際運行的考驗。 3. 信息流阻塞 “數據刷新太慢了，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，利用檢修的機會我們作了兩項調整工作：一是將重要控制點調出總線控制系統(tǒng)，并進一步調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；二是將重要點的邏輯掃描時間由系統(tǒng)默認的500ms調整到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)的吃內存，造成控制器內存不夠而死鎖等軟件缺陷和漏洞。我們利用2004年8月裝置大修的機會，與廠商簽訂合同將軟件版本進行升級，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行升級。 5. 數字式定位器死機 2003年11月7日，操作人員從其他工藝參數判斷某調節(jié)閥自行關閉，檢查操作畫面卻無任何異常信息報出。經儀表維護人員現(xiàn)場檢查確認是總線定位器DVC5010F失靈無輸出，致氣動薄膜調節(jié)閥失氣全關。進一步檢查組態(tài)窗口發(fā)現(xiàn)定位器內部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）中調出通信模件看到定位器仍無輸出，重新識別也不認，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，已有多臺數字式定位器或因死機頻繁或因硬損壞被換下 。由于總線數字式定位器軟故障的疊加，其綜合故障、壞損率要遠高于常規(guī)數字型定位器。 三、相關鏈接 2004年10月，某廠完成了目前國內最大的一套丁辛醇裝置的建設并如期投產，其丁辛醇產品綜合能耗、質量達到當今世界先進水平。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有限公司DPT（Davy Process Technology）與我方簽訂的技術協(xié)議中，除中外雙方設計所遵循的規(guī)程規(guī)范外，特別強調“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，最終在工程設計審查會上由一位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可，被迫修改設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，因為它也是筆者一段經歷，也是筆者作為用戶自控總代表在丁辛醇項目的設計審查、設備訂貨談判所要遵循的準則之一。當然，這也是一個鮮活的案例，需要我們反復體味。 四、關鍵 現(xiàn)場總線技術自20世紀80年代產生以來，一直受到人們的蠊刈?，睋]鑰亓煊虻囊懷⌒碌母錈?。进?0年代以后，F(xiàn)CS一度成為人們研究的熱點，各種型號的現(xiàn)場總線產品不斷涌現(xiàn)。隨著FCS在生產現(xiàn)場的實際應用，暴露的問題越來越多，引起了各使用方的質疑和抨擊，F(xiàn)CS的產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，生產控制系統(tǒng)稍有閃失將會釀成災難性事故，造成生產、設備、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要盡可能的少、受波及的生產面要盡可能的窄。這樣，壞點被切除后生產人員可根據相關工藝參數維持安全生產；維修人員對個體壞點的處理就比較寬松、容易，當然也就安全。 FCS如何設置的呢？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)場要經過隔離柵）帶兩條通往生產現(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區(qū)域或生產單元的多塊測量儀表和調節(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。對于連續(xù)化生產的石油化工生產裝置來講，一個生產區(qū)域或生產單元的多個測點、多個調節(jié)閥突然同時失控，連相關參考工藝數據都找不到，面對隆隆的生產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”遵守的準則，但變化萬千的生產現(xiàn)場如何能“絕對”做到？即使做到，F(xiàn)CS的相關卡件、隔離柵、元器件、端子等就能永遠不出問題？上述故障實例就是“危險集中”的典型范例。 2. 費用問題 要注意的是：由于現(xiàn)場總線型變送器、定位器功能的增強，其價格要遠高于普通智能型變送器、定位器；再加上費用咋舌的冗余型現(xiàn)場母線段電源系統(tǒng)（Redundant power system for fieldbus network segments）、被動保護型母線集線器，非一般特性且專用的總線電纜等，其綜合費用要比DCS的綜合費用高得多。值得注意的是：FCS節(jié)省費用的廣告，都無一例外地避開或淡化了現(xiàn)場總線儀表綜合費用的話題，但FCS離開現(xiàn)場總線相關儀表及附件能行嗎？ 為了避開FCS危險集中這一固有的缺陷，各廠商相繼開發(fā)了用于總線網絡段冗余電源系統(tǒng)；用于總線網絡母線的被動保護型母線集線器等輔助保護型總線產品。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遠高于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、費用和代價。 3. 建議 并不否認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，選擇一套大構架下的DCS控制系統(tǒng)，重要的控制回路選擇硬連線點—點式信號通信方式，當然也可以選擇總線式變送器、調節(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減少保護性的配置，其綜合回路價格比當然可以降下來。 五、出路 現(xiàn)場總線技術理論上講有著眾多優(yōu)點，1984年有關組織已開始著手制定FCS的國際標準。令人遺憾的是，世界上一些大公司為了各自的經濟利益，圍繞著FCS的國際標準進行了互不相讓的大戰(zhàn)，歷經16年磨難與挫折，先后經過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國際標準，加上IEC TC17B已通過的三種現(xiàn)場總線國際標準，目前現(xiàn)場總線國際標準共有12種之多。眾多標準的并存，對大公司來講好像皆大歡喜，但誰的產品也不可能覆蓋所有的應用層面。面對眾多標準，面對大公司的技術封鎖，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重離譜。一些用量雖少但生產現(xiàn)場決不可少的特種儀表品種空白，造成設計選型、用戶選擇、維護的極大困難。 眾多現(xiàn)場總線標準無疑就是無標準。我們呼喚盡快拆除籬笆統(tǒng)一標準，打破市場壟斷，使所有符合統(tǒng)一標準的各類儀表都可以互連互通，儀表生產企業(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，從而大大推進工業(yè)生產力的發(fā)展。