FCS技术国内应用的现状及存在的问题

作者：上海理工大学 高培林 程良鸿

欢迎访问e展厅 展厅 5 现场总线/工业以太网展厅 主站板卡, 现场总线适配器, ... 摘要：阐述目前现场总线技术存在的问题及国内应用现状，并对有望解决这些问题的新技术给予了简单介绍。 关键词：现场总线控制系统；开放性；工业以太网；OPC技术；Internet技术 1 期望与现实的距离 1.1 多种标准并存 目前现场总线国际标准有12种，各个标准都有其特点，都有其不足，没有一种标准能够覆盖所有的应用面。由于不同的现场总线的通信协议有很大差异，要实现不同总线产品的互连非常困难，这使得FCS的开放性，分散性和可互操作性等特点难以体现，给现场总线技术的推广及现场总线控制系统的应用带来不利影响。 1.2 开放性 一般认为DCS和PLC是封闭性的控制系统，而FCS是开放性的系统。在12种国际标准的后面，那些支持它们的公司，其中不乏就是制造DCS或者PLC的大厂商，很难保证FCS的完全的开放性。 1.3 可互操作性 现场总线的主要特点之一是可互操作性，但现有的12种现场总线国际标准中，异种现场总线之间是不能进行互操作的，虽说可以通过网关(gateway)通信或通过OPC协议进行互操作，但这种互操作只能在各自的主机间进行，不能在彼此的现场仪表间进行，这种互操作达不到系统的实时性要求。在一种国际标准现场总线的内部，进行互操作应该是没有问题的；实际应用中发现，不同供应商提供同一现场总线标准的设备之间不能完全实现互操作。 1.4 现场设备缺少选择余地 一方面标准过多，另一方面却缺少选择余地。以FF为例，用于连续过程是较为有利的，FF的H1开发已有10多年了，但到2001年5月31日为止，还只有30余品种83个现场仪表被正式注册可供选用，国内没有一种产品注册［2］。近几年来，虽然国内也有不少厂家生产现场总线仪表，但品种，数量都比较少，达不到批量生产，成本据高不下，性能也不十分理想。 2 国内工程应用存在的问题 2.1 价格问题 FCS的主要特点是节省安装费用和维护开销，在硬件的价格方面并不比传统的DCS或者PLC低，甚至要略高于它们。国外的FCS应用试点报告已说明了这种情况，FCS的总费用低。但在国内，一方面用户对硬件的价格十分敏感，而进口FCS硬件的价格高得惊人；另一方面，由于国内目前人工费用低，所以工程设计，管理，安装，调试等费用远比国外低。这是FCS在国内应用不多的一个重要原因。 2.2 冗余问题 按照现场总线的设计思想，低速部分不需要冗余，因为它已经将危险分散了，局部故障不会导致全局的故障。现场总线的智能化仪表又有实现维修预报的功能，可以事先防范；而且万一现场仪表故障，调节回路失灵，也可以由主机进行操作干预。主机出现故障时，现场仪表在现场自成调节回路而实现自主调节。但在实际生产中的一些特殊应用场合，控制系统用户(尤其是出现过由于控制系统失灵导致工厂事故的生产企业)特别强调冗余，有的甚至要冗余到底(包括电源，网络等等)，而目前现场总线国际标准FF的F1和Profibus的PA都没有冗余。当然，要完全冗余，在技术上不是完全不可能的，但这样一来，在经济上往往是不允许的。 2.3 调试和运行维护比预料的难 由于现场总线技术包含许多新的技术内容，尤其是像FF这样的现场总线本身相当复杂，在调试过程和运行维护中经常会遇到这样那样的困难。 2.4 应用规模较小，与传统控制系统相比较优点不明显 FCS尽管已经发展多年，由于其经济性，安全性等诸多方面的原因，目前应用主要集中在小系统和旧系统的改造，在大系统、关键系统中不敢采用现场总线。这导致两方面的问题：一方面，因系统小，没有把管理自动化和远程诊断功能纳入系统，因此无法发挥现场总线系统降低运行维护费用的优势；另一方面，应用规模越大，它的优越性越能得到充分的体现，同时也能发现它的缺陷(一些问题难以在小系统应用中表现出来)，从而使其不断得到完善和发展，逐步得到用户的认可和推广。仅在小系统中应用难以促进FCS的快速发展。 3 新技术展望 3.1 工业以太网技术 以太网适配器价格的大幅度下跌以及各种产品和标准对以太网的支持是其成功的重要因素。企业的信息层大多数采用了以太网的解决方案，当控制层和设备层都采用以太网时，则可以实现各层之间信息的无缝连接，并且整个网络系统将是透明的。以太网采用IEEE802.3所定义的数据传输协议，是一个开放的协议标准，从而为PLC和DCS厂家广泛接受。在大多数场合，它还可以使用现有的布线。此外，还允许逐步采用新技术，可以一步步将网络升级。至于以太网存在的不确定性和实时性能欠佳的问题，由于智能集线器的使用，主动交换功能的实现，优先权的引入以及双工的布线等，基本上得到了解决。通过提高数据传输速率，仔细选择网络的拓扑结构及限制网络负载等，可以将发生数据冲突的概率降到最低。这些都给以太网进入实时控制领域创造了条件。 3.2 OPC技术 OPC技术以OLE、组建对象模型COM、分布式组建对象模型DCOM技术为基础，定义了一套适用于过程控制应用，支持数据访问、报警、事件与历史数据访问等功能的接口，便于不同供应商的软硬件实现“即插即用”的连接与系统的集成。当各现场设备、应用软件都具有标准的OPC接口时，便于集成不同数据源的数据，使运行在不同平台上、用不同语言编写的各种应用软件顺利集成。还可以跨越网络将不同网络节点上的组建模型连接成应用系统，成为集成计算机应用系统和软件的有效工具。OPC可以作为现场设备间开放式数据交换的中间件，作为网段间数据共享的中间件，作为集成FCS，DCS与PLC的中间件，作为访问专有数据库的中间件，可以作为即插即用的软件主板。OPC技术为构建开放的自动化系统提供了有效的解决方案和工具，成为控制系统数据交换的核心技术。OPC DX(数据交换)、以太网(高速)和现场总线(低速)三者的结合将在很多领域得到广泛的应用。 3.3 Internet技术 现场总线技术与互联网技术结合已经成为当今现场总线技术发展的新亮点。一方面是因为它技术成熟，易于得到，性能价格比高；另一方面是因为技术的发展，现场设备对通信性能的要求提高，原有的现场总线技术难以满足应用要求，因而转向青睐互联网技术。控制网络与互联网的结合无疑会拓宽测量控制系统的范围与视野，为实现跨地区的远程控制与故障诊断创造了条件。人们可以在千里之外查询生产现场的运行状态；方便地实现偏远地区生产设备的无人值守；远程诊断生产过程或设备的故障等。在现场总线领域采用快速以太网技术，以物美价廉的以太网设备代替控制网络中相对昂贵的专用设备是趋势之一。在现场设备中内置Web服务器使现场设备具有网页发布功能，通过网页与外界交换信息，应该说这是将互联网设备的功能与技术直接引入到现场总线设备的结果，当前许多现场总线组织都在致力于与互联网技术相结合的现场总线产品研发。 4 结束语 随着近年来各种新技术地不断涌现，新一代工业自动化系统也应运而生，目前正向着整体、综合、集成的方向发展。采用高可靠性智能化的现场总线控制系统(FCS)，开发先进的过程控制策略(APC)；在各个层次上实现在线优化(OPC)；推行管理信息系统(MIS/DSS)，进而开发计算机集成的管理与控制一体化系统；部署企业资源计划系统(MPRⅡ/EPR)，连接基于Internet的电子商务系统，已成为发达国家过程工业控制与计算机在线应用的标准发展模式，这也最终将成为我国过程自动化的发展方向。 参考文献 ［1］阳宪惠.现场总线技术及应用［M］.北京清华大学出版社，1999. ［2］夏德海.现场总线的困惑、无奈与出路［J］.世界仪表与自动化，2001，(12) . ［3］阳宪惠.开放工控系统的中间件—OPC技术［J］.自动化博览，2002，(4). ［4］邹益仁.现场总线控制系统的设计和开发［M］.北京：国防工业出版社，2003 .(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/5/2006)