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鐘霖田

一  FCS從大分離到統(tǒng)一系統(tǒng)平臺
1  從DDC到PLC、DCS與FCS
20世紀(jì)60年代初出現(xiàn)的DDC(Direct Digital Controller)直接數(shù)字控制儀開創(chuàng)了數(shù)字化控制之先河，將電子數(shù)字計算機應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)控制。由于當(dāng)時元器件質(zhì)次價高，其安全可靠性難以保障，而
從產(chǎn)品價格的競爭力考慮，又必須使單機擁有的回路數(shù)愈多愈好。為此，正如外國諺語所言：“把所有雞蛋都放在一個籃子里”，即危險集中，當(dāng)然也就形成不了氣候。于是，從功能上分成PLC與DCS。前者，運用計算機本能的“與、或、非”等邏輯運算功能，對開關(guān)量（DI/O）進(jìn)行加工處理，滿足一些諸如機組的開停等離散控制的生產(chǎn)需求；而后者延至70年代中期才面市。DCS的設(shè)計思路是控制分散、信息集中，即將危險分散。但是，分散到什么程度？是徹底分散到諸如單回路數(shù)字調(diào)節(jié)器還是一個控制站擁有局部集中的I/O容量？這個看似很簡單的問題，卻是一個令DCS乃至FCS設(shè)計者不太容易回答的問題。
筆者認(rèn)為，DCS或FCS作為一種控制工具應(yīng)滿足工業(yè)控制、生產(chǎn)系統(tǒng)要求，應(yīng)從應(yīng)用系統(tǒng)總體角度予以考慮。
筆者曾在文獻(xiàn)[1]、[2]、[3]中指出：在大規(guī)模集成芯片的可靠性已無需顧及并采用冗余措施以后，采用I/O大容量的局部集中控制，徹底分散到諸如單回路數(shù)字調(diào)節(jié)器早已在市場消失就是反證，國產(chǎn)四回路數(shù)字調(diào)節(jié)器夭折于投產(chǎn)之中。現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)，一個生產(chǎn)單元涉及的范圍愈來愈廣。過去，考慮生產(chǎn)安全因素而多采用中間緩沖儲槽罐已多予取消。例如鋼鐵企業(yè)的聯(lián)鑄聯(lián)軋，煉油廠的常減壓―催化聯(lián)合裝置，用連續(xù)的延遲焦化取代過去間歇焦化（釜）生產(chǎn)，這要求一個控制站的I/O容量能盡量覆蓋一套生產(chǎn)單元，絕對應(yīng)避免有Timelines(及時性)控制信息交換以確保整體控制安全可靠，這種從控制（應(yīng)用）系統(tǒng)總體角度考慮控制工具結(jié)構(gòu)體系的思路未必被有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計人員所接受，F(xiàn)CS的FF-H1就是如此[3]、[4]。
2  FCS的Profibus與FF-H1
由IEC通過的現(xiàn)場總線規(guī)范多達(dá)8種，其中World Fip與FF十分相近，而其它6種均是由PLC拓展過來的，就實質(zhì)而言，就是PLC與DCS之爭。前者以Profibus為代表，后者以FF為代表。
從某種意義上講，Profibus似是先有產(chǎn)品后完善規(guī)范，以搶占市場，作為商家無可厚非。其早期以DP為中心，下聯(lián)PA，上接FMS，彼此以網(wǎng)關(guān)（或稱耦合器）相連，所謂高速的FMS也不過12.5Mbps。其中PA無應(yīng)用層，事實上PA是DP的RI/O（遠(yuǎn)程I/O）。PA雖放在現(xiàn)場，但控制運算卻在DP上，由通信線予以連接，其安全可靠性實乃堪虞。毋庸置疑，在所有數(shù)字控制設(shè)備中，如靠通信及通信線將其構(gòu)成閉環(huán)控制，則可靠性瓶頸非其莫屬，這是工業(yè)控制之大忌。國內(nèi)現(xiàn)在宣稱有FCS面市者，包括e網(wǎng)在內(nèi)，均是仿效于此，均是其DCS的RI/O。RI/O者，早在Y公司的DCS產(chǎn)品中就出現(xiàn)了，其縮寫也為FCS，即Field Control Station，用RS-232或RS-485將其與DCS相連。所以，筆者贊同文獻(xiàn)[5]的結(jié)論，并再次強調(diào)：稱FCS（Fieldbus Control System）者，控制運算必須在現(xiàn)場。
FF則反之，先制定一套完整而嚴(yán)密的技術(shù)規(guī)范，而產(chǎn)品卻遲遲才面市，而且其推出的H1產(chǎn)品是以變送器及閥門（定位器）為主體的真正的FCS，筆者在文獻(xiàn)[3]、[4]中對其特點詳加了評述。為了下文起見，筆者在此簡要概括為：作為儀表智能化而言，已近乎達(dá)到極至，包括園卡主要部件并涉及敏感元件在內(nèi)的故障信息多達(dá)百余種，對測量、控制以至ESD均是極為重要而難能可貴的！但從控制角度看來，卻是分散到比單回路數(shù)字調(diào)節(jié)器還徹底的程度：依靠發(fā)行/訂戶的強制通信（極強的Timelines要求），完成閉環(huán)的單回路控制，通信被緊緊地嵌入控制（回路）之中，犯了控制可靠性全仰仗于通信可靠性之大忌！其技術(shù)十分繁復(fù)[3]、[4]。這種徹底分散到無以復(fù)加的結(jié)構(gòu)體系無法實施快速的PLC控制，在Profibus的強力市場宣傳面前，只有本無DCS而以變送器為主要產(chǎn)品的Smar公司獨撐局面。然而，F(xiàn)F的技術(shù)實力是以連續(xù)控制稱雄，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手卻成了“柳暗花明又一村”了。
3  將DCS控制站整體搬至現(xiàn)場的局部集中體系結(jié)構(gòu)奠定了統(tǒng)一系統(tǒng)平臺的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體系
文獻(xiàn)[3]詳述了NI公司FP-3000型FCS，將與下面敘述有關(guān)的特點概括如下：① 整體搬移的局部集中體系結(jié)構(gòu)為DCS、PLC、ESD轉(zhuǎn)為FCS的共同結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中既有NI的FP-3000(與Smar等成為H1節(jié)點變送器相連)，也有AB公司的Control Net等；② 控制與通信分開，如不采用H1通信協(xié)議，而采用HSE則FP-3000就變成另一種HSE型號的多功能控制器了。所以，這種體系結(jié)構(gòu)為各總線所接受，其通信協(xié)議可以維持不變。

圖1  將DCS控制站整體搬移的局部集中體系結(jié)構(gòu)

早在1995年初，筆者一位朋友就向筆者提起過這種整體搬移的思路。此處提及，只是想說明這樣一件事：從系統(tǒng)總體著眼，所見略同！筆者認(rèn)為FF有兩大亮點，其一是HSE，其二是其Function Block (FB功能模塊)。
FF的H1艱難面市而且在某種程度上遭冷落之后，其原定高速的H2（也只不過是2Mbps）因內(nèi)部爭執(zhí)不下而夭折，而于1999前后，審時度勢地采用HSE（高速以太網(wǎng)）。于是，群起而仿之，Profibus放棄FMS而改為Profinet[3]。終于形成了以局部集中體系結(jié)構(gòu)為硬件平臺，其通信均采用以太網(wǎng)+TCP（UDP）/IP，而相當(dāng)于ISO的OSI七層模型的表示層與會話層均采用OPC（服務(wù)器）作為與應(yīng)用層的接口，為用戶的應(yīng)用層提供一個統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺[4]。用戶的應(yīng)用（程序）是多種多樣的，但都可以在上述統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺上運行[6]，用戶的應(yīng)用（程序）有如“劇本”，而統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺如同大劇院。
4  統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺是用戶應(yīng)用的一向需求
以石化生產(chǎn)為例，間歇過程與連續(xù)過程交織在一起是常見的。例如，多個乙烯裂解爐并聯(lián)運行以輪流清焦；變壓吸附的分子篩需定時或不定時卸壓再生，再生后再加壓運行；遲延焦化的加熱裂解過程是連續(xù)的，而兩個大容量結(jié)焦塔卻是輪流運行的。以往，多是將間歇生產(chǎn)過程交由PLC執(zhí)行，連續(xù)生產(chǎn)過程由DCS控制，而ESD作為“消防隊”單獨待命，“養(yǎng)兵千日，用兵一時”。這種原本是同一生產(chǎn)裝置或單元的綜合控制問題，理應(yīng)在同一系統(tǒng)平臺上按時序、狀態(tài)或命令，調(diào)用不同應(yīng)用程序予以通盤控制處理的事情，過去均由按各自分割使命的三套獨立的控制裝置來處理。因為三者的輸入大多相同，而常常爭執(zhí)這些信號由誰來采集誰引用；輸出信號部分相同而爭執(zhí)不大。現(xiàn)在統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺是一套控制裝置，爭搶信號的問題不復(fù)存在！所以，DCS、PLC、ESD的使命均可由FCS的統(tǒng)一系統(tǒng)平臺予以囊括而不應(yīng)再有爭執(zhí)了。
統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺在響應(yīng)速度上是有所差異的[5]，這也使各廠家按其以往的特長仍有競爭優(yōu)勢。例如，要執(zhí)行ESD，則需取得安全許可認(rèn)證，而Profibus的Profisafe就有明顯的優(yōu)勢。所以，統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺是一種概念性的[4]，其上組合的各種應(yīng)用程序在執(zhí)行時間上或執(zhí)行周期上也是有較大差距的，從某種意義上而言，應(yīng)按時間劃分來執(zhí)行各（任務(wù)組成的）線程予以實時調(diào)度，而ESD則應(yīng)按狀態(tài)（信號）經(jīng)甄別處理后予以“喚醒”執(zhí)行！
5  有關(guān)ESD的一些問題
筆者在文獻(xiàn)[7]中提出預(yù)聯(lián)鎖的概念是：正常運行的控制系統(tǒng)應(yīng)在異常情況下力挽狂瀾，在確保安全的前提下阻遏“喚醒”ESD的因素出現(xiàn)。現(xiàn)在這一概念已拓展為軟聯(lián)鎖，并有相應(yīng)的IEC標(biāo)準(zhǔn)。過去ESD制造商在其硬件結(jié)構(gòu)上多采用了冗余，并以3取2的表決方式予以決策，而對輸入信號真?zhèn)蔚脑\斷卻往往少有涉及。筆者認(rèn)為，現(xiàn)在在統(tǒng)一系統(tǒng)平臺上運行的正常的調(diào)節(jié)控制程序已作為第二道關(guān)口盡量阻遏“喚醒”其執(zhí)行，而第一道關(guān)口則是對輸入信號的“智能化”處理斷定其可信度，已經(jīng)相當(dāng)可靠地在確保安全的前提下拒絕ESD的誤動作！至于是否要冗余，由用戶選擇，按文獻(xiàn)[3]所提采用二節(jié)點整體冗余即可。
然而，ESD的主要問題并不是上述信號冗余而是參數(shù)設(shè)置。例如，文獻(xiàn)[7]中提到水/碳聯(lián)鎖跳車（ESD），當(dāng)水/碳比值連續(xù)7秒低于2.0時，則A-A級（全廠停車）跳車，這個7秒是怎么定的？據(jù)筆者所知，包括工藝、自控設(shè)計在內(nèi)的人員均難以說明。筆者貿(mào)然認(rèn)為，這個時間應(yīng)是負(fù)荷的函數(shù)，應(yīng)從過程動態(tài)學(xué)角度予以探索、研究！設(shè)計人員所定的7秒鐘有相當(dāng)大的裕度，寧愿讓其跳車，也不愿讓其結(jié)炭。當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備發(fā)生器質(zhì)性故障時，則應(yīng)立即停車；反之，如因操作失誤或原料成份大幅度變化等，則采取軟聯(lián)鎖方式予以處理。統(tǒng)一系統(tǒng)平臺可提供或創(chuàng)造這些條件，關(guān)鍵在于用戶如何擇定控制方案和設(shè)置其中的參數(shù)，特別是時間參數(shù)。
二  統(tǒng)一系統(tǒng)平臺上的集成
將應(yīng)用程序（用戶層）掛到統(tǒng)一系統(tǒng)平臺上就集成為FCS，筆者在文獻(xiàn)[4]、[6]中已詳述了這種系統(tǒng)集成。據(jù)筆者所知，符合FF標(biāo)準(zhǔn)的HSE型FCS一些生產(chǎn)廠商其本身就是系統(tǒng)集成商，其應(yīng)用層FB（功能模塊）就是花了不少代價委托另一家軟件公司開發(fā)的，而系統(tǒng)平臺則部分或大部分外購OEM產(chǎn)品，其集成的FCS近來為市場看好。據(jù)悉，最近又有什么國產(chǎn)化FCS攻關(guān)立項。“九