現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)就是將微處置器植入現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、節(jié)制儀表中，使它們各自都有了數(shù)字打算和數(shù)字通訊能力，采納可進(jìn)行簡(jiǎn)略連線的雙絞線等作為總線，把多個(gè)測(cè)量、節(jié)制儀表銜接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。按公開(kāi)、規(guī)范的通訊協(xié)定，在位于現(xiàn)場(chǎng)的多臺(tái)數(shù)字化測(cè)量、節(jié)制儀表之間及現(xiàn)場(chǎng)儀表與節(jié)制打算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)字傳輸與信息交換，形成各種適應(yīng)生產(chǎn)裝置實(shí)際須要的現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)制系統(tǒng)FCS（Fieldbus control system）。




現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)制系統(tǒng)在技術(shù)上具有許多特性：具有系統(tǒng)的開(kāi)放性；互可操作性與互用性；現(xiàn)場(chǎng)裝備的智能化與功能自治性；系統(tǒng)構(gòu)造的高度分散性；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。由于FCS在技術(shù)上的特性，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)集成自動(dòng)權(quán)；提高了系統(tǒng)的正確性與可靠性。鑒于FCS的種種優(yōu)越性，我們?cè)?001年裝置節(jié)制系統(tǒng)更新改革中毅然選擇了FCS。

一、問(wèn)題的提出

裝置采納FCS的初衷，是將大型空分裝置及其所屬相干工藝裝置原先Foxboro SPEC200組裝儀表更新改革成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(wàn)噸/年大化肥、甲醇、丁醇、辛醇等化工裝置改革、運(yùn)行成功的基本上進(jìn)行的。籌劃改革規(guī)模：現(xiàn)場(chǎng)總線型AI 92點(diǎn)、AO 91點(diǎn)及其通例點(diǎn)AI、DI、DO近千點(diǎn)。但令人遺憾的是：實(shí)際只完成籌劃改革規(guī)模的1/2不到，對(duì)于過(guò)程反響激烈的工藝裝置的改革籌劃實(shí)難被各方認(rèn)可而流產(chǎn)，其中的疑惑和無(wú)奈是多方面的，但FCS自身的許多錯(cuò)誤難逃干系。

二、故障實(shí)例

（一）現(xiàn)場(chǎng)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(gè)生產(chǎn)單元的多塊儀表突然失靈，經(jīng)儀表維修人員緊迫排查發(fā)現(xiàn)：一塊現(xiàn)場(chǎng)總線卡上的故障（Error）“紅燈”亮起，該卡所帶的兩個(gè)通道（Port1、Port2）即兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)段（Fieldbus network segments）的全體信息處于故障狀況，近20臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)變送器、調(diào)節(jié)閥信息及人—機(jī)對(duì)話全體中斷，使該裝置的一個(gè)生產(chǎn)單元的相干儀表全體處于失控狀況。手足無(wú)措的儀表維修人員緊迫向廠商技術(shù)支持求助，請(qǐng)求技術(shù)支持供應(yīng)處置辦法的同時(shí)，要對(duì)該裝置生產(chǎn)的安全供應(yīng)許諾，但得到的回答都是“不保證”或“不敢確定”的回答。該節(jié)制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線卡故障這已是第二次，它是一個(gè)月前大修期間剛換上的新備件卡，且無(wú)論如何也不能軟恢復(fù)的硬件故障。見(jiàn)圖，現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)制系統(tǒng)的基本構(gòu)成。

（二）現(xiàn)場(chǎng)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(tái)儀表、閥門(mén)的數(shù)據(jù)同時(shí)回零，接報(bào)后的儀表維修人員依據(jù)出問(wèn)題的區(qū)域，武斷確認(rèn)是某條總線段涌現(xiàn)了故障。認(rèn)真排查了現(xiàn)場(chǎng)總線卡、總線電源等都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。當(dāng)打開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)總線接線箱FJB（Field Junction Box）時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部滲有水滴。問(wèn)題十分明白：是現(xiàn)場(chǎng)總線接線箱滲進(jìn)雨水，造成這條現(xiàn)場(chǎng)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(tái)儀表、閥門(mén)的數(shù)據(jù)全體回零。

FCS的利用指南中請(qǐng)求用戶，現(xiàn)場(chǎng)總線雙絞線不能接地、短路、開(kāi)路是用戶必需“絕對(duì)”遵守的準(zhǔn)則。為了防止類似事故的再次產(chǎn)生，依據(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(huì)，將廠商供應(yīng)的普通型總線集線器全體拆除，換上了具有防接地、短路、開(kāi)路掩護(hù)功能的MTL Megablock系列被動(dòng)型現(xiàn)場(chǎng)總線式集線器（Passive hubs for fieldbus networks）。據(jù)材料介紹，該系列被動(dòng)型現(xiàn)場(chǎng)總線式集線器具有較強(qiáng)的接地、短路、開(kāi)路掩護(hù)功能，可以及時(shí)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(wú)故障回路的正常運(yùn)行。材料沒(méi)有介紹是利用硬的辦法還是軟的辦法檢測(cè)出故障點(diǎn)并及時(shí)切除該故障點(diǎn)的，其正確性、可靠性如何，有待于時(shí)光和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的考驗(yàn)。

（三）信息流阻塞

“數(shù)據(jù)刷新太慢了，而且越急越上不來(lái)”，這是操作人員對(duì)總線節(jié)制系統(tǒng)不時(shí)發(fā)出的報(bào)怨。為了滿足工藝節(jié)制的基本請(qǐng)求，利用檢修的機(jī)會(huì)我們作了兩項(xiàng)調(diào)整工作：一是將主要節(jié)制點(diǎn)調(diào)出總線節(jié)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(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表；二是將主要點(diǎn)的邏輯掃描時(shí)光由系統(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。

（四）軟件版本升級(jí)

針對(duì)操作界面的死鎖；節(jié)制器時(shí)光程序系統(tǒng)的吃內(nèi)存，造成節(jié)制器內(nèi)存不夠而死鎖等軟件錯(cuò)誤和馬腳。我們利用2004年8月裝置大修的機(jī)會(huì)，與廠商簽訂合同將軟件版本進(jìn)行升級(jí)，廠商保證升級(jí)后的版本軟件不存在安全、使用方面的錯(cuò)誤和馬腳。但令人遺憾的是：由于節(jié)制器硬件的限制，系統(tǒng)軟件不能采納最新版本進(jìn)行升級(jí)。

（五）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)確定某調(diào)節(jié)閥自行關(guān)閉，檢查操作畫(huà)面卻無(wú)任何異常信息報(bào)出。經(jīng)儀表維護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)是總線定位器DVC5010F失靈無(wú)輸出，致氣動(dòng)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(hào)在線顯紅色報(bào)錯(cuò)，但系統(tǒng)診斷無(wú)錯(cuò)。從節(jié)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)出通訊模件看到定位器仍無(wú)輸出，重新辨認(rèn)也不認(rèn)，只好調(diào)換新的定位器。以上故障涌現(xiàn)過(guò)兩次，都調(diào)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(dòng)解除，顯然這是軟件故障；還有一次現(xiàn)場(chǎng)總線定位器DVC5010F的反饋桿自行脫落，DVC5010F并無(wú)察覺(jué)，節(jié)制系統(tǒng)并無(wú)報(bào)錯(cuò)，操作人員通過(guò)其他參數(shù)確定其閥門(mén)動(dòng)作異常，儀表維修人員跑到現(xiàn)場(chǎng)才找出真正故障原因。FCS投用至今，已有多臺(tái)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)高于通例數(shù)字型定位器。

三、相干鏈接

2004年10月，某廠完成了目前國(guó)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(guò)程工藝包供應(yīng)商有名的英國(guó)戴維過(guò)程技術(shù)有限公司DPT（Davy Process Technology）與我方簽訂的技術(shù)協(xié)定中，除中外雙方設(shè)計(jì)所遵守的規(guī)程規(guī)范外，特別強(qiáng)調(diào)“裝置DCS/ESD節(jié)制系統(tǒng)采納硬連線（4～20mA）辦法，不推薦使用總線節(jié)制系統(tǒng)”。我們多次求證其原因都沒(méi)有獲得正面回答，最終在工程設(shè)計(jì)審查會(huì)上由一位DPT資深自控專家道出了其中原由。原先，DPT公司曾經(jīng)總包了美國(guó)一個(gè)大型化工裝置，部分裝置采納了總線節(jié)制系統(tǒng)，裝置開(kāi)工試車過(guò)程中，由于總線節(jié)制系統(tǒng)通訊速度慢等原因不被客戶認(rèn)可，被迫修正設(shè)計(jì)而耽擱了合同工期，這是該工程公司承攬的眾多工程中最大的一次敗筆。之后，凡該公司供應(yīng)工藝包或工程總成，都不推薦使用總線節(jié)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者一段閱歷，也是筆者作為用戶自控總代表在丁辛醇項(xiàng)目標(biāo)設(shè)計(jì)審查、裝備訂貨談判所要遵守的準(zhǔn)則之一。當(dāng)然，這也是一個(gè)鮮活的案例，須要我們反復(fù)體味。

四、關(guān)鍵

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)自20世紀(jì)80年代產(chǎn)生以來(lái)，一直受到人們的極大關(guān)注，被譽(yù)為自控領(lǐng)域的一場(chǎng)新的革命。進(jìn)入90年代以后，F(xiàn)CS一度成為人們研究的熱門(mén)，各種型號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。隨著FCS在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際利用，袒露的問(wèn)題越來(lái)越多，引起了各使用方的質(zhì)疑和鞭撻，F(xiàn)CS的產(chǎn)品也受到市場(chǎng)無(wú)情的阻擊。FCS如此叫好不叫座，究竟問(wèn)題出在那里？本文站在一個(gè)使用者的角度與傳統(tǒng)的DCS節(jié)制系統(tǒng)比擬、剖析后認(rèn)為：

（一）危險(xiǎn)集中

隨著石油化工工業(yè)的迅猛發(fā)展，裝置規(guī)模越來(lái)越大型化、持續(xù)化，加之化工過(guò)程具有易燃、易爆、高溫、高壓、有毒、有害、有腐化的特性，生產(chǎn)節(jié)制系統(tǒng)稍有閃失將會(huì)釀成災(zāi)難性事故，造成生產(chǎn)、裝備、人員、環(huán)境等方面不可挽回的重大喪失。因此，對(duì)大型石化生產(chǎn)裝置的節(jié)制系統(tǒng)而言，其安全性、可靠性是壓倒一切的主要和必要，即使一旦節(jié)制系統(tǒng)涌現(xiàn)故障或損壞（任何節(jié)制系統(tǒng)不可能不涌現(xiàn)故障或損壞）也要保證其受影響的節(jié)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)人員可依據(jù)相干工藝參數(shù)堅(jiān)持安全生產(chǎn)；維修人員對(duì)個(gè)體壞點(diǎn)的處置就比擬寬松、容易，當(dāng)然也就安全。

FCS如何設(shè)置的呢？一套雙重化的節(jié)制器帶若干現(xiàn)場(chǎng)總線卡，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線卡（防爆現(xiàn)場(chǎng)要經(jīng)過(guò)隔離柵）帶兩條通往生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的雙絞線干線，每條通往現(xiàn)場(chǎng)的雙絞線干線段（Segment）拖動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)（每條干線電纜拖動(dòng)總線儀表數(shù)量最多為16臺(tái)）總線型變送器、閥門(mén)定位器等。一條雙絞線干線既是多臺(tái)測(cè)量變送器或調(diào)節(jié)閥的供電母線，也是高低傳輸信號(hào)的母線，無(wú)疑一條雙絞線干線帶動(dòng)的是一個(gè)生產(chǎn)區(qū)域或生產(chǎn)單元的多塊測(cè)量?jī)x表和調(diào)節(jié)閥。這條現(xiàn)場(chǎng)總線干線的任何閃失，都將殃及這條雙絞線干線上的全體節(jié)點(diǎn)。對(duì)于持續(xù)化生產(chǎn)的石油化工生產(chǎn)裝置來(lái)講，一個(gè)生產(chǎn)區(qū)域或生產(chǎn)單元的多個(gè)測(cè)點(diǎn)、多個(gè)調(diào)節(jié)閥突然同時(shí)失控，連相干參考工藝數(shù)據(jù)都找不到，面對(duì)隆隆的生產(chǎn)裝置將是多么恐怖場(chǎng)面。這就是范例的危險(xiǎn)集中的體現(xiàn)……。

盡管FCS的利用指南中提示用戶，雙絞線不能接地、短路、開(kāi)路是用戶必需“絕對(duì)”遵守的準(zhǔn)則，但變革萬(wàn)千的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)如何能“絕對(duì)”做到？即使做到，F(xiàn)CS的相干卡件、隔離柵、元器件、端子等就能永遠(yuǎn)不出問(wèn)題？上述故障實(shí)例就是“危險(xiǎn)集中”的范例范例。

（二）費(fèi)用問(wèn)題

要注意的是：由于現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器、定位器功能的加強(qiáng)，其價(jià)錢(qián)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(chǎng)母線段電源系統(tǒng)（Redundant power system for fieldbus network segments）、被動(dòng)掩護(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(wú)一例外地避開(kāi)或淡化了現(xiàn)場(chǎng)總線儀表綜合費(fèi)用的話題，但FCS離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)總線相干儀表及附件能行嗎？

為了避開(kāi)FCS危險(xiǎn)集中這一固有的錯(cuò)誤，各廠商相繼開(kāi)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(dòng)掩護(hù)型母線集線器等輔助掩護(hù)型總線產(chǎn)品。信賴不久的將來(lái)定會(huì)涌現(xiàn)：冗余式現(xiàn)場(chǎng)總線卡、冗余式總線隔離柵、冗余式通訊母線等等。但是，為了一個(gè)概念或節(jié)省幾條電纜線下如此大的精力、財(cái)力值嗎？加上如此的配備還會(huì)省錢(qián)嗎？其回路價(jià)錢(qián)比無(wú)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(wèn)題信賴不久的將來(lái)會(huì)得到很好地解決，但同樣須要時(shí)光、費(fèi)用和代價(jià)。

（三）建議

并不否定FCS是今后的發(fā)展方向，但本文更贊成FCS會(huì)成為DCS大構(gòu)架下的一個(gè)主要分支，而非FCS一定會(huì)取代DCS。對(duì)大型石油化工裝置節(jié)制系統(tǒng)來(lái)講，選擇一套大構(gòu)架下的DCS節(jié)制系統(tǒng)，主要的節(jié)制回路選擇硬連線點(diǎn)—點(diǎn)式信號(hào)通訊辦法，當(dāng)然也可以選擇總線式變送器、調(diào)節(jié)閥等儀表；非主要回路選擇總線通訊辦法，由于非主要回路可以相應(yīng)減少掩護(hù)性的配置，其綜合回路價(jià)錢(qián)比當(dāng)然可以降下來(lái)。

五、出路

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)理論上講有著眾多長(zhǎng)處，1984年有關(guān)組織已開(kāi)始著手制定FCS的國(guó)際尺度。令人遺憾的是，世界上一些大公司為了各自的經(jīng)濟(jì)好處，圍繞著FCS的國(guó)際尺度進(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(guò)9次投票表決而未獲通過(guò)。最終通過(guò)協(xié)商、妥協(xié)，1999年底通過(guò)了8種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線作為IEC61158國(guó)際尺度，加上IEC TC17B已通過(guò)的三種現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際尺度，目前現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際尺度共有12種之多。眾多尺度的并存，對(duì)大公司來(lái)講好像皆大歡喜，但誰(shuí)的產(chǎn)品也不可能籠罩所有的利用層面。面對(duì)眾多尺度，面對(duì)大公司的技術(shù)封鎖，眾多中小儀表制作業(yè)的無(wú)所適從或干脆不從，造成現(xiàn)場(chǎng)總線儀表品種單一且價(jià)錢(qián)嚴(yán)重離譜。一些用量雖少但生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)決不可少的特種儀表品種空白，造成設(shè)計(jì)選型、用戶選擇、維護(hù)的極大艱苦。

眾多現(xiàn)場(chǎng)總線尺度無(wú)疑就是無(wú)尺度。我們呼喚盡快拆除籬笆統(tǒng)一尺度，打破市場(chǎng)壟斷，使所有符合統(tǒng)一尺度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(kāi)發(fā)更可靠、更貼近市場(chǎng)的總線產(chǎn)品，形成百花齊放的儀表市場(chǎng)，用戶選型、使用中的種種疑惑和懊惱自然會(huì)迎刃而解，從而大大推進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)力的發(fā)展。