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FCS技術國內應用的現狀及存在的問題
闡述目前現場總線技術存在的問題及國內應用現狀，并對有望解決這些問題的新技術給予了簡單介紹。
關鍵詞：現場總線控制系統；開放性；工業以太網；OPC技術；Internet技術
GAO Peilin, CHENG Lianghong
(University of Shanghai for Science & Technology, Shanghai 200093, China)
Key words: FCS; opening; industry Ethernet; OPC technology; Internet technology
1.1多種標準并存
目前現場總線國際標準有12種，各個標準都有其特點，都有其不足，沒有一種標準能夠覆蓋所有的應用面。由于不同的現場總線的通信協議有很大差異，要實現不同總線產品的互連非常困難，這使得FCS的開放性，分散性和可互操作性等特點難以體現，給現場總線技術的推廣及現場總線控制系統的應用帶來不利影響。
1.2開放性
一般認為DCS和PLC是封閉性的控制系統，而FCS是開放性的系統。在12種國際標準的后面，那些支持它們的公司，其中不乏就是制造DCS或者PLC的大廠商，很難保證FCS的完全的開放性。?
1.3可互操作性
現場總線的主要特點之一是可互操作性，但現有的12種現場總線國際標準中，異種現場總線之間是不能進行互操作的，雖說可以通過網關(gateway)通信或通過OPC協議進行互操作，但這種互操作只能在各自的主機間進行，不能在彼此的現場儀表間進行，這種互操作達不到系統的實時性要求。在一種國際標準現場總線的內部，進行互操作應該是沒有問題的；實際應用中發現，不同供應商提供同一現場總線標準的設備之間不能完全實現互操作。
1.4現場設備缺少選擇余地
一方面標準過多，另一方面卻缺少選擇余地。以FF為例，用于連續過程是較為有利的，FF的H1開發已有10多年了，但到2001年5月31日為止，還只有30余品種83個現場儀表被正式注冊可供選用，國內沒有一種產品注冊［2］。近幾年來，雖然國內也有不少廠家生產現場總線儀表，但品種，數量都比較少，達不到批量生產，成本據高不下，性能也不十分理想。
目前現場總線國際標準有12種，各個標準都有其特點，都有其不足，沒有一種標準能夠覆蓋所有的應用面。由于不同的現場總線的通信協議有很大差異，要實現不同總線產品的互連非常困難，這使得FCS的開放性，分散性和可互操作性等特點難以體現，給現場總線技術的推廣及現場總線控制系統的應用帶來不利影響。
1.2開放性
一般認為DCS和PLC是封閉性的控制系統，而FCS是開放性的系統。在12種國際標準的后面，那些支持它們的公司，其中不乏就是制造DCS或者PLC的大廠商，很難保證FCS的完全的開放性。?
1.3可互操作性
現場總線的主要特點之一是可互操作性，但現有的12種現場總線國際標準中，異種現場總線之間是不能進行互操作的，雖說可以通過網關(gateway)通信或通過OPC協議進行互操作，但這種互操作只能在各自的主機間進行，不能在彼此的現場儀表間進行，這種互操作達不到系統的實時性要求。在一種國際標準現場總線的內部，進行互操作應該是沒有問題的；實際應用中發現，不同供應商提供同一現場總線標準的設備之間不能完全實現互操作。
1.4現場設備缺少選擇余地
一方面標準過多，另一方面卻缺少選擇余地。以FF為例，用于連續過程是較為有利的，FF的H1開發已有10多年了，但到2001年5月31日為止，還只有30余品種83個現場儀表被正式注冊可供選用，國內沒有一種產品注冊［2］。近幾年來，雖然國內也有不少廠家生產現場總線儀表，但品種，數量都比較少，達不到批量生產，成本據高不下，性能也不十分理想。
2.1價格問題
FCS的主要特點是節省安裝費用和維護開銷，在硬件的價格方面并不比傳統的DCS或者PLC低，甚至要略高于它們。國外的FCS應用試點報告已說明了這種情況，FCS的總費用低。但在國內，一方面用戶對硬件的價格十分敏感，而進口FCS硬件的價格高得驚人；另一方面，由于國內目前人工費用低，所以工程設計，管理，安裝，調試等費用遠比國外低。這是FCS在國內應用不多的一個重要原因。
2.2冗余問題
按照現場總線的設計思想，低速部分不需要冗余，因為它已經將危險分散了，局部故障不會導致全局的故障。現場總線的智能化儀表又有實現維修預報的功能，可以事先防范；而且萬一現場儀表故障，調節回路失靈，也可以由主機進行操作干預。主機出現故障時，現場儀表在現場自成調節回路而實現自主調節。但在實際生產中的一些特殊應用場合，控制系統用戶(尤其是出現過由于控制系統失靈導致工廠事故的生產企業)特別強調冗余，有的甚至要冗余到底(包括電源，網絡等等)，而目前現場總線國際標準FF的F1和Profibus的PA都沒有冗余。當然，要完全冗余，在技術上不是完全不可能的，但這樣一來，在經濟上往往是不允許的。
2.3調試和運行維護比預料的難
由于現場總線技術包含許多新的技術內容，尤其是像FF這樣的現場總線本身相當復雜，在調試過程和運行維護中經常會遇到這樣那樣的困難。
2.4應用規模較小，與傳統控制系統相比較優點不明顯
FCS盡管已經發展多年，由于其經濟性，安全性等諸多方面的原因，目前應用主要集中在小系統和舊系統的改造，在大系統、關鍵系統中不敢采用現場總線。這導致兩方面的問題：一方面，因系統小，沒有把管理自動化和遠程診斷功能納入系統，因此無法發揮現場總線系統降低運行維護費用的優勢；另一方面，應用規模越大，它的優越性越能得到充分的體現，同時也能發現它的缺陷(一些問題難以在小系統應用中表現出來)，從而使其不斷得到完善和發展，逐步得到用戶的認可和推廣。僅在小系統中應用難以促進FCS的快速發展。?
FCS的主要特點是節省安裝費用和維護開銷，在硬件的價格方面并不比傳統的DCS或者PLC低，甚至要略高于它們。國外的FCS應用試點報告已說明了這種情況，FCS的總費用低。但在國內，一方面用戶對硬件的價格十分敏感，而進口FCS硬件的價格高得驚人；另一方面，由于國內目前人工費用低，所以工程設計，管理，安裝，調試等費用遠比國外低。這是FCS在國內應用不多的一個重要原因。
2.2冗余問題
按照現場總線的設計思想，低速部分不需要冗余，因為它已經將危險分散了，局部故障不會導致全局的故障。現場總線的智能化儀表又有實現維修預報的功能，可以事先防范；而且萬一現場儀表故障，調節回路失靈，也可以由主機進行操作干預。主機出現故障時，現場儀表在現場自成調節回路而實現自主調節。但在實際生產中的一些特殊應用場合，控制系統用戶(尤其是出現過由于控制系統失靈導致工廠事故的生產企業)特別強調冗余，有的甚至要冗余到底(包括電源，網絡等等)，而目前現場總線國際標準FF的F1和Profibus的PA都沒有冗余。當然，要完全冗余，在技術上不是完全不可能的，但這樣一來，在經濟上往往是不允許的。
2.3調試和運行維護比預料的難
由于現場總線技術包含許多新的技術內容，尤其是像FF這樣的現場總線本身相當復雜，在調試過程和運行維護中經常會遇到這樣那樣的困難。
2.4應用規模較小，與傳統控制系統相比較優點不明顯
FCS盡管已經發展多年，由于其經濟性，安全性等諸多方面的原因，目前應用主要集中在小系統和舊系統的改造，在大系統、關鍵系統中不敢采用現場總線。這導致兩方面的問題：一方面，因系統小，沒有把管理自動化和遠程診斷功能納入系統，因此無法發揮現場總線系統降低運行維護費用的優勢；另一方面，應用規模越大，它的優越性越能得到充分的體現，同時也能發現它的缺陷(一些問題難以在小系統應用中表現出來)，從而使其不斷得到完善和發展，逐步得到用戶的認可和推廣。僅在小系統中應用難以促進FCS的快速發展。?
3.1工業以太網技術
以太網適配器價格的大幅度下跌以及各種產品和標準對以太網的支持是其成功的重要因素。企業的信息層大多數采用了以太網的解決方案，當控制層和設備層都采用以太網時，則可以實現各層之間信息的無縫連接，并且整個網絡系統將是透明的。以太網采用IEEE802.3所定義的數據傳輸協議，是一個開放的協議標準，從而為PLC和DCS廠家廣泛接受。在大多數場合，它還可以使用現有的布線。此外，還允許逐步采用新技術，可以一步步將網絡升級。至于以太網存在的不確定性和實時性能欠佳的問題，由于智能集線器的使用，主動交換功能的實現，優先權的引入以及雙工的布線等，基本上得到了解決。通過提高數據傳輸速率，仔細選擇網絡的拓撲結構及限制網絡負載等，可以將發生數據沖突的概率降到最低。這些都給以太網進入實時控制領域創造了條件。
3.2OPC技術
OPC技術以OLE、組建對象模型COM、分布式組建對象模型DCOM技術為基礎，定義了一套適用于過程控制應用，支持數據訪問、報警、事件與歷史數據訪問等功能的接口，便于不同供應商的軟硬件實現“即插即用”的連接與系統的集成。當各現場設備、應用軟件都具有標準的OPC接口時，便于集成不同數據源的數據，使運行在不同平臺上、用不同語言編寫的各種應用軟件順利集成。還可以跨越網絡將不同網絡節點上的組建模型連接成應用系統，成為集成計算機應用系統和軟件的有效工具。OPC可以作為現場設備間開放式數據交換的中間件，作為網段間數據共享的中間件，作為集成FCS，DCS與PLC的中間件，作為訪問專有數據庫的中間件，可以作為即插即用的軟件主板。OPC技術為構建開放的自動化系統提供了有效的解決方案和工具，成為控制系統數據交換的核心技術。OPC DX(數據交換)、以太網(高速)和現場總線(低速)三者的結合將在很多領域得到廣泛的應用。
3.3Internet技術
現場總線技術與互聯網技術結合已經成為當今現場總線技術發展的新亮點。一方面是因為它技術成熟，易于得到，性能價格比高；另一方面是因為技術的發展，現場設備對通信性能的要求提高，原有的現場總線技術難以滿足應用要求，因而轉向青睞互聯網技術。控制網絡與互聯網的結合無疑會拓寬測量控制系統的范圍與視野，為實現跨地區的遠程控制與故障診斷創造了條件。人們可以在千里之外查詢生產現場的運行狀態；方便地實現偏遠地區生產設備的無人值守；遠程診斷生產過程或設備的故障等。在現場總線領域采用快速以太網技術，以物美價廉的以太網設備代替控制網絡中相對昂貴的專用設備是趨勢之一。在現場設備中內置Web服務器使現場設備具有網頁發布功能，通過網頁與外界交換信息，應該說這是將互聯網設備的功能與技術直接引入到現場總線設備的結果，當前許多現場總線組織都在致力于與互聯網技術相結合的現場總線產品研發。
以太網適配器價格的大幅度下跌以及各種產品和標準對以太網的支持是其成功的重要因素。企業的信息層大多數采用了以太網的解決方案，當控制層和設備層都采用以太網時，則可以實現各層之間信息的無縫連接，并且整個網絡系統將是透明的。以太網采用IEEE802.3所定義的數據傳輸協議，是一個開放的協議標準，從而為PLC和DCS廠家廣泛接受。在大多數場合，它還可以使用現有的布線。此外，還允許逐步采用新技術，可以一步步將網絡升級。至于以太網存在的不確定性和實時性能欠佳的問題，由于智能集線器的使用，主動交換功能的實現，優先權的引入以及雙工的布線等，基本上得到了解決。通過提高數據傳輸速率，仔細選擇網絡的拓撲結構及限制網絡負載等，可以將發生數據沖突的概率降到最低。這些都給以太網進入實時控制領域創造了條件。
3.2OPC技術
OPC技術以OLE、組建對象模型COM、分布式組建對象模型DCOM技術為基礎，定義了一套適用于過程控制應用，支持數據訪問、報警、事件與歷史數據訪問等功能的接口，便于不同供應商的軟硬件實現“即插即用”的連接與系統的集成。當各現場設備、應用軟件都具有標準的OPC接口時，便于集成不同數據源的數據，使運行在不同平臺上、用不同語言編寫的各種應用軟件順利集成。還可以跨越網絡將不同網絡節點上的組建模型連接成應用系統，成為集成計算機應用系統和軟件的有效工具。OPC可以作為現場設備間開放式數據交換的中間件，作為網段間數據共享的中間件，作為集成FCS，DCS與PLC的中間件，作為訪問專有數據庫的中間件，可以作為即插即用的軟件主板。OPC技術為構建開放的自動化系統提供了有效的解決方案和工具，成為控制系統數據交換的核心技術。OPC DX(數據交換)、以太網(高速)和現場總線(低速)三者的結合將在很多領域得到廣泛的應用。
3.3Internet技術
現場總線技術與互聯網技術結合已經成為當今現場總線技術發展的新亮點。一方面是因為它技術成熟，易于得到，性能價格比高；另一方面是因為技術的發展，現場設備對通信性能的要求提高，原有的現場總線技術難以滿足應用要求，因而轉向青睞互聯網技術。控制網絡與互聯網的結合無疑會拓寬測量控制系統的范圍與視野，為實現跨地區的遠程控制與故障診斷創造了條件。人們可以在千里之外查詢生產現場的運行狀態；方便地實現偏遠地區生產設備的無人值守；遠程診斷生產過程或設備的故障等。在現場總線領域采用快速以太網技術，以物美價廉的以太網設備代替控制網絡中相對昂貴的專用設備是趨勢之一。在現場設備中內置Web服務器使現場設備具有網頁發布功能，通過網頁與外界交換信息，應該說這是將互聯網設備的功能與技術直接引入到現場總線設備的結果，當前許多現場總線組織都在致力于與互聯網技術相結合的現場總線產品研發。
工商網監
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