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              中國儀器儀表行業協會現場總線專業委員會 卞正崗 

     1　引言

   流程工業自動化系統及現場儀表，都逐步從采用模擬技術發展為數字技術，要解決“3C”技術（Comunication 、Computer、 Control即通訊、計算機、控制）的融合，自動化儀表和系統采用現場總線技術是必由之路。在現場總線基金會成立18年之際，我們有必要回顧一下歷史，這對總結近20年來推廣數字化、智能化、網絡化、集成化新一代自動化儀表和系統及在新的工程或技術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）的市場研究報告指出，以東南亞為例，2010年FF現場總線的銷售額是1.701億美元，2017年估計將達2.52億美元，基金會現場總線在不增加人員的情況下，可以提高生產力10%，擴大容量30%和提高能效20%。這些信息都可供對品質和安全要求很高的流程工業參考。

   2 FF的發展歷程

   在20世紀70年代微處理機應用熱潮中，DCS逐步成為流程工業中控制系統的主流，而后現場儀表數字化也提到了日程上，直到1994年下半年才出現了ISP（互可操作系統協儀）和World FIP 北美全球工廠儀表協議，兩大現場總線國際組織合并，合并后組織稱現場總線基金會FF（Field-bus Foundation），對應技術稱基金會現場總線（Foundation Field-bus），實際上是美洲與亞洲為主的聯合，逐步發展成代表全世界超過355家主要儀表供應商和主要流程工業用戶的非盈利性國際組織。

   FF于1995年5月完成了HI規范草案，于1998年9月注冊了第1臺FF HI現場總線設備。FF于1999年9月完成了高速以太網HSE規范草案，于2001年5月注冊了第1臺HSE鏈接設備，于2009年4月注冊了第1套主機系統。對于FF發展做出重要貢獻的人有John Pittman(1994—2001年總裁和執行官)、Paul Griem(秘書、在霍尼韋爾退休)、Chuck Micallef（技術推廣總監，在橫河退休）等人。我國在FF應用工程方面為世界做出了很多貢獻：中海油殼牌廣東惠州乙烯項目；上海賽科乙烯項目，福建煉化一體化項目及近百項中、小型項目。經過了設計安裝、調試、開車、大修、日常維護、軟件升級、系統擴建、培訓等多項考驗，證明了基金會現場總踐在技術上、經濟上的優勢。臺灣對推廣FF也很積極，其在大陸的福建翔鷺、騰龍化纖項目也是大型的FF項目。

   1997年開始在我國開展FF技術推廣工作，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創始成員最早成為本安型現場總線提供IEC電源的供應商之一）、TOPWORX、摩爾（Moore Hawke前身為Hawke Field bus，有多項技術創新）、諾斯威爾等公司都做出了貢獻。

   我國在“九五”攻關的基礎上已有10多家儀表制造商不同程度地掌握了FF技術，并推出了相關產品，比較突出的是沈陽科學院自動化所及相關的中科博微自動化技術有限公司，他們研發了一系列現場儀表和系統，通過了國際上的FF認證，從2000年12月就開始了FF現場總線相關的工程應用，受到基金會的表揚，并且活躍在相關現場總線及無線通信標準制定的國際學術活動中。另外，浙江中控的最新型DCS系統也通過了國際FF認證，而且開始了工程實踐。和利時還推出與FF兼容的HOLLiAS設備管理系統。

    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，外企員工和國內相關企業員工都為保持這種局面做出了努力。回眸FF進入中國的18載，筆者深感有必要進行一次總結。

    18年以來，FF經歷了多次發展。如用HSE（IP/TCP/UDP）取代H2，并于2000年國際IEC通過IEC61158-2標準即FF-HI和HSE；而后功能塊概念和電子設備描述語言（EDDL）納入IEC61804-2規范；在ISPLima工廠成功演示HSE和柔性功能塊；FISCO（現場總線本質安全模型）和FNICO（現場總線非易燃模型）防爆技術通過認證；完善化技術規范、嚴格的設備與系統測試，在全世界范圍內設備真正可互操作，COTS交換機等網絡設備的集成，使HI現場控制、HSE、OPC、應用軟件包、MIS（ERP）等五層結構體系在石化、火電廠等流程工業自動化系統形成框架（FF+新一代DCS）；FF與設備管理系統結合；FF-SIS基金會現場總線安全儀表系統通過國際TUV論證，它基于IEC61508國際標準，支持SIL1、SIL2、SIL3；EDDL和互操作性經歷了FF與HART、Profibus、OPC（OPC UA合作）及進一步加入FDT的階段，正在完善FDI方案，使之更好地實現主機系統和現場設備的互連、互通、互操作；深入研討FF現場總線系統的經濟性，實行全生命周期管理，提倡預測性維護、前瞻性維護，宣講FF系統設備運行時間與現金流入關系曲線，介紹CAPEX（投資成本）和OPEX（運行成本）分析方法，通過ARC對FF的商業價值進行深度咨詢，并得出肯定的結論；其它無線通信、遠程I/O、ROM（遠程操作管理）（注：遠程測控系統）等正在推進中。FF技術不僅提供了通訊網絡，還全面提供了自動化系統的解決方案。關于FFHI技術，當然也有需要改進之處，但FFHI技術是自動化儀表和系統近半個世紀成果的薈萃，打下的基礎是牢固的，其技術是經過了長期工程考驗的，是值得信賴的。我認為隨著智能化水平的提高，FFH1將會不斷進步。這里還要指出，FF技術在ISO/OSI7層模型的應用層之上，增加了用戶層，目前該技術已經被自動化行業認可，而且已經完善化，這是FF技術的一大貢獻。

    根據2006年的數據，ARC提供對全世界流程工業中現場總線的解決方案的報告，2006年FF的銷售收入為5.666億美元，占總線銷售收入的68.1%，并預測2011年FF總收入可達17.142億美元，占總線總收入的75.2%，復合年均增長率為24.8%。已注冊的FF儀表和系統品種約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（電源調節器、中繼器、安全柵）56種，鏈路設備（網關、網橋、連接器、轉換器、耦合器）56種，其它（現場指示器、過程I/O、芯片、堆棧、模塊、模板）41種，解決方案系統軟件，服務資訊33種，總線電纜6種，總線控制系統18種（注：這些系統是根據第一次可互操作規范注冊的控制系統），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。全世界已安裝的基金現場總線系統超過12000套，已安裝的現場設備超過100萬臺以上，其中，中國為100套系統，數萬臺設備。

   3　主機及新一代DCS系統

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

   結合《基金會現場總線系統工程指南》3.1版及NAMUR NE10《自監測和現場設備診斷標準》（對應基金會的《現場總線診斷規范FF-912》）主機劃分成五類：Class61—集成主機（Integratedhost），為主要的在線主機（on-processhost）；Class62—訪問主機（Visitorhost），為臨時在線主機；Class63—臺式主機（Bench host），為主要的離線主機（off-process host）；Class64—臺式主機，為主要的離線主機；Class71—SIF集成主機，為主要的帶有安全儀表功能（SIF）的在線主機。主機類型后綴有a或b，a代表這臺主機通過了發生在原始HIST之后的第一撥配置測試，b代表具有更多強制特性的新要求，2010年開始所有主機測試都必須在b配置下完成。

   到目前為止（ 2 0 1 2 年中期） ， 已完成注冊的主機系統有12個主機系統：ABB的Industrial IT System 800xA(61a類集成主機系統)；艾默生的Delta V &AMS Stuite(61a類集成主機系統)；艾默生的Ovation Expert Control System&AMSStuite(61a類集成主機系統)；GE的GEConrtol ST(61a類集成主機系統)；霍尼韋爾的Experion PKS(61a類集成主機系統)；Invensys的Infusion Enterprise ControlSystem(61a類集成主機系統)；山武的Industrial—DEO/Harmonas(61a類集成主機系統)；橫河的CENTUM VP (61a類集成主機系統)；橫河的STARDOM(61a類集成主機系統)；浙江中控（SUPCON）的ECS—700 V3&SAMS V2.60(61b類集成主機系統)。其中61類集成主機系統即通常所說的新一代DCS的主控制系統，它滿足了過程工程師、工藝操作員、儀表和系統維護人員、管理層（工長、調度員、管理人員）的相關要求。

   所有這些都為集成化打下了基礎，使跨設備的互操作、即插即用、設備管理等成為現實。也證明了FF技術提供了自動化系統的解決方案，提供了集成化的系統，而不是由用戶自己去進行集成或主機供應商在沒有注冊的情況下向用戶提供系統。把這些主機，稱為新一代DCS，或DCS/FCS，已是水到渠成了。

   4　著作及設計工程維護經驗

   我國在大量實踐基礎上已有多部關于現場總線的著作出版，其中陽憲惠編著的《工業數據通信與控制網絡》、鐘耀球、張衛華編著的《FF總線控制系統設計與應用》、斯可克的《基金會現場總線功能塊原理及應用》、魏華編著的《基金會現場總線—設計、工程與維護》，都是在實驗、實踐基礎上寫成的佳作，這也證明了我國的軟實力。

   在《基金會現場總線—設計、工程與維護》一書的第八章中寫到了故障診斷方面的實際經驗總結。一般故障檢查分如下幾方面：FF設備電壓故障檢查、FF網段故障分析、FF網段噪音情況分析、電磁耦合干擾、接地回路干擾、錯誤的網絡拓撲結構等。在典型案例分析中，對軟件故障舉出由于數據幀丟失和循環編碼錯誤產生頻繁的通訊中斷、互操作性問題，由于組態缺陷導致的IOP/OOP/CNF狀態等類故障。其中互操作性問題的實例很有代表性，介紹如下：某60萬噸/年甲醇項目中，閥門定位器采用的是SAMSON公司的3730系列產品，試生產中發現部分調節閥經常出現突然關閉，1～2秒后又自動打開到原來的開度，這種故障給生產運行帶來隱患，這現象出現沒有規律，有時連續正常運行2個月，有時1天出現幾次閥門關閉。故障分析：閥門定位器是由LEUCH閥門成套廠集成的產品，固件版本（firmware）是K1.10/R1.30，而其它工作正常的產品固件版本為K1.20/R1.40或以上版本。現場總線控制系統采用的是橫河公司的CENTUM CS 3000 R3.07版本，在FF網站沒有發現SAMSON3730固件版本K1.10/R1.30的產品和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場總線網段進行監測，發現該網段存在令牌丟失現象，在一定的監測時間內接收了77個令牌，丟失了10個令牌，令牌的接收率為88%，所以現場總線網段數據丟失情況嚴重。另外用NI監視器也進行測試，結果為90%，比較接近。經過整改故障消除。

   最后，用該書序言作者中海油CEO總裁楊業新的話作結束語：“借用國學大師王國維在人間詞話的“三種境界”來表達對學問的求索歷程，尋找目標—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人員必須經過的歷程”。形象而且深刻，這值得追求FF技術的人員品味！更值得從事流程工業自動化系統的專業人士品味！

   卞正崗 (1936-)男，教授級高級工程師，1961年畢業于清華大學電機系，早年從事電機及微型電機研究，后多年從事工業自動化儀表、集散系統和現場總線的研制和自動化系統集成的工程實踐，享受政府特殊津貼，中國自動化學會科普工作委員會委員，曾獲得有色總公司科技進步一等獎和國家機械總局科技進步三等獎。