中国仪器仪表行业协会现场总线专业委员会 卞正岗 

     1　引言

   流程工业自动化系统及现场仪表，都逐步从采用模拟技术发展为数字技术，要解决“3C”技术（Comunication 、Computer、 Control即通讯、计算机、控制）的融合，自动化仪表和系统采用现场总线技术是必由之路。在现场总线基金会成立18年之际，我们有必要回顾一下历史，这对总结近20年来推广数字化、智能化、网络化、集成化新一代自动化仪表和系统及在新的工程或技术改造中如何选型都很有益处。

   最近ARC和弗罗斯特•沙利文公司（Frost & Sullivan）的市场研究报告指出，以东南亚为例，2010年FF现场总线的销售额是1.701亿美元，2017年估计将达2.52亿美元，基金会现场总线在不增加人员的情况下，可以提高生产力10%，扩大容量30%和提高能效20%。这些信息都可供对品质和安全要求很高的流程工业参考。

   2 FF的发展历程

   在20世纪70年代微处理机应用热潮中，DCS逐步成为流程工业中控制系统的主流，而后现场仪表数字化也提到了日程上，直到1994年下半年才出现了ISP（互可操作系统协仪）和World FIP 北美全球工厂仪表协议，两大现场总线国际组织合并，合并后组织称现场总线基金会FF（Field-bus Foundation），对应技术称基金会现场总线（Foundation Field-bus），实际上是美洲与亚洲为主的联合，逐步发展成代表全世界超过355家主要仪表供应商和主要流程工业用户的非盈利性国际组织。

   FF于1995年5月完成了HI规范草案，于1998年9月注册了第1台FF HI现场总线设备。FF于1999年9月完成了高速以太网HSE规范草案，于2001年5月注册了第1台HSE链接设备，于2009年4月注册了第1套主机系统。对于FF发展做出重要贡献的人有John Pittman(1994—2001年总裁和执行官)、Paul Griem(秘书、在霍尼韦尔退休)、Chuck Micallef（技术推广总监，在横河退休）等人。我国在FF应用工程方面为世界做出了很多贡献：中海油壳牌广东惠州乙烯项目；上海赛科乙烯项目，福建炼化一体化项目及近百项中、小型项目。经过了设计安装、调试、开车、大修、日常维护、软件升级、系统扩建、培训等多项考验，证明了基金会现场总践在技术上、经济上的优势。台湾对推广FF也很积极，其在大陆的福建翔鹭、腾龙化纤项目也是大型的FF项目。

   1997年开始在我国开展FF技术推广工作，除去艾默生、霍尼韦尔、横河等公司以外，ABB、山武、Smar、MTL（Relcom）、P+F、NI、Softing、罗克韦尔、梅特勒一托利多、美卓、萨姆森、图尔克、赫思曼、E+H、福克斯波罗、STAHL（德安防爆）（注：STAHL是为防爆方面FF创始成员最早成为本安型现场总线提供IEC电源的供应商之一）、TOPWORX、摩尔（Moore Hawke前身为Hawke Field bus，有多项技术创新）、诺斯威尔等公司都做出了贡献。

   我国在“九五”攻关的基础上已有10多家仪表制造商不同程度地掌握了FF技术，并推出了相关产品，比较突出的是沈阳科学院自动化所及相关的中科博微自动化技术有限公司，他们研发了一系列现场仪表和系统，通过了国际上的FF认证，从2000年12月就开始了FF现场总线相关的工程应用，受到基金会的表扬，并且活跃在相关现场总线及无线通信标准制定的国际学术活动中。另外，浙江中控的最新型DCS系统也通过了国际FF认证，而且开始了工程实践。和利时还推出与FF兼容的HOLLiAS设备管理系统。

    以在中国的外商为主成立了FF中国市场委员会，其巡回活动绵延10多年，遍及中国的大中城市，对保持中国FF市场的热度功不可没，外企员工和国内相关企业员工都为保持这种局面做出了努力。回眸FF进入中国的18载，笔者深感有必要进行一次总结。

    18年以来，FF经历了多次发展。如用HSE（IP/TCP/UDP）取代H2，并于2000年国际IEC通过IEC61158-2标准即FF-HI和HSE；而后功能块概念和电子设备描述语言（EDDL）纳入IEC61804-2规范；在ISPLima工厂成功演示HSE和柔性功能块；FISCO（现场总线本质安全模型）和FNICO（现场总线非易燃模型）防爆技术通过认证；完善化技术规范、严格的设备与系统测试，在全世界范围内设备真正可互操作，COTS交换机等网络设备的集成，使HI现场控制、HSE、OPC、应用软件包、MIS（ERP）等五层结构体系在石化、火电厂等流程工业自动化系统形成框架（FF+新一代DCS）；FF与设备管理系统结合；FF-SIS基金会现场总线安全仪表系统通过国际TUV论证，它基于IEC61508国际标准，支持SIL1、SIL2、SIL3；EDDL和互操作性经历了FF与HART、Profibus、OPC（OPC UA合作）及进一步加入FDT的阶段，正在完善FDI方案，使之更好地实现主机系统和现场设备的互连、互通、互操作；深入研讨FF现场总线系统的经济性，实行全生命周期管理，提倡预测性维护、前瞻性维护，宣讲FF系统设备运行时间与现金流入关系曲线，介绍CAPEX（投资成本）和OPEX（运行成本）分析方法，通过ARC对FF的商业价值进行深度咨询，并得出肯定的结论；其它无线通信、远程I/O、ROM（远程操作管理）（注：远程测控系统）等正在推进中。FF技术不仅提供了通讯网络，还全面提供了自动化系统的解决方案。关于FFHI技术，当然也有需要改进之处，但FFHI技术是自动化仪表和系统近半个世纪成果的荟萃，打下的基础是牢固的，其技术是经过了长期工程考验的，是值得信赖的。我认为随着智能化水平的提高，FFH1将会不断进步。这里还要指出，FF技术在ISO/OSI7层模型的应用层之上，增加了用户层，目前该技术已经被自动化行业认可，而且已经完善化，这是FF技术的一大贡献。

    根据2006年的数据，ARC提供对全世界流程工业中现场总线的解决方案的报告，2006年FF的销售收入为5.666亿美元，占总线销售收入的68.1%，并预测2011年FF总收入可达17.142亿美元，占总线总收入的75.2%，复合年均增长率为24.8%。已注册的FF仪表和系统品种约400多种分别为压力变送器43种，温度变送器31种，流量仪表40种，物位仪表34种、执行器（阀门定位器、耦合器）38种，分析仪表（包括物性仪表）47种，电源（电源调节器、中继器、安全栅）56种，链路设备（网关、网桥、连接器、转换器、耦合器）56种，其它（现场指示器、过程I/O、芯片、堆栈、模块、模板）41种，解决方案系统软件，服务资讯33种，总线电缆6种，总线控制系统18种（注：这些系统是根据第一次可互操作规范注册的控制系统），而且在不断增加新的品种，这就为开拓市场打下了良好基础。全世界已安装的基金现场总线系统超过12000套，已安装的现场设备超过100万台以上，其中，中国为100套系统，数万台设备。

   3　主机及新一代DCS系统

   上一节中提到的自动化系统框架俗称“ F F +新一代DCS ” ， 应写为FFHI+HSE+Host，这里Host主机是指支持基金会现场总线信息的设备，包括配置（组态）工具，记录设备、报警显示板、HMI或者具有多种功能特性的系统。主机可能具有H1接口、HSE接口或兼而有之，它支持安全设备控制和监视设备或兼而有之，带H1接口的主机应该具有通过基金会注册的通信协议栈和物理层接口，带HSE接口的主机应该具有注册的通信协议栈。对应主机测试协议为HIST主机互操作支持测试（Host InteroperabilitySupport Test）即FF-569，具体性能要求为设备信号分配，设备地址分配、链路主设备的组态、功能块信号组态、功能块组态测试、标准功能块、增强功能块、客户功能块、功能块链路组态、FF报警组态、FF报警处理、FF趋势组态、FF趋势处理、DD（设备描述）服务、DD方法的执行、DD菜单处理、DD编辑显示处理和能力文件等，经过多次改进，对Host主机逐步由支持性测试升级为用于注册的HIST（FF-569Rev.2）。

   结合《基金会现场总线系统工程指南》3.1版及NAMUR NE10《自监测和现场设备诊断标准》（对应基金会的《现场总线诊断规范FF-912》）主机划分成五类：Class61—集成主机（Integratedhost），为主要的在线主机（on-processhost）；Class62—访问主机（Visitorhost），为临时在线主机；Class63—台式主机（Bench host），为主要的离线主机（off-process host）；Class64—台式主机，为主要的离线主机；Class71—SIF集成主机，为主要的带有安全仪表功能（SIF）的在线主机。主机类型后缀有a或b，a代表这台主机通过了发生在原始HIST之后的第一拨配置测试，b代表具有更多强制特性的新要求，2010年开始所有主机测试都必须在b配置下完成。

   到目前为止（ 2 0 1 2 年中期） ， 已完成注册的主机系统有12个主机系统：ABB的Industrial IT System 800xA(61a类集成主机系统)；艾默生的Delta V &AMS Stuite(61a类集成主机系统)；艾默生的Ovation Expert Control System&AMSStuite(61a类集成主机系统)；GE的GEConrtol ST(61a类集成主机系统)；霍尼韦尔的Experion PKS(61a类集成主机系统)；Invensys的Infusion Enterprise ControlSystem(61a类集成主机系统)；山武的Industrial—DEO/Harmonas(61a类集成主机系统)；横河的CENTUM VP (61a类集成主机系统)；横河的STARDOM(61a类集成主机系统)；浙江中控（SUPCON）的ECS—700 V3&SAMS V2.60(61b类集成主机系统)。其中61类集成主机系统即通常所说的新一代DCS的主控制系统，它满足了过程工程师、工艺操作员、仪表和系统维护人员、管理层（工长、调度员、管理人员）的相关要求。

   所有这些都为集成化打下了基础，使跨设备的互操作、即插即用、设备管理等成为现实。也证明了FF技术提供了自动化系统的解决方案，提供了集成化的系统，而不是由用户自己去进行集成或主机供应商在没有注册的情况下向用户提供系统。把这些主机，称为新一代DCS，或DCS/FCS，已是水到渠成了。

   4　著作及设计工程维护经验

   我国在大量实践基础上已有多部关于现场总线的著作出版，其中阳宪惠编著的《工业数据通信与控制网络》、钟耀球、张卫华编著的《FF总线控制系统设计与应用》、斯可克的《基金会现场总线功能块原理及应用》、魏华编著的《基金会现场总线—设计、工程与维护》，都是在实验、实践基础上写成的佳作，这也证明了我国的软实力。

   在《基金会现场总线—设计、工程与维护》一书的第八章中写到了故障诊断方面的实际经验总结。一般故障检查分如下几方面：FF设备电压故障检查、FF网段故障分析、FF网段噪音情况分析、电磁耦合干扰、接地回路干扰、错误的网络拓扑结构等。在典型案例分析中，对软件故障举出由于数据帧丢失和循环编码错误产生频繁的通讯中断、互操作性问题，由于组态缺陷导致的IOP/OOP/CNF状态等类故障。其中互操作性问题的实例很有代表性，介绍如下：某60万吨/年甲醇项目中，阀门定位器采用的是SAMSON公司的3730系列产品，试生产中发现部分调节阀经常出现突然关闭，1～2秒后又自动打开到原来的开度，这种故障给生产运行带来隐患，这现象出现没有规律，有时连续正常运行2个月，有时1天出现几次阀门关闭。故障分析：阀门定位器是由LEUCH阀门成套厂集成的产品，固件版本（firmware）是K1.10/R1.30，而其它工作正常的产品固件版本为K1.20/R1.40或以上版本。现场总线控制系统采用的是横河公司的CENTUM CS 3000 R3.07版本，在FF网站没有发现SAMSON3730固件版本K1.10/R1.30的产品和CENTUM CS 3000R3.07版本的互操作性测试记录。用P+F的PACTware软件对SAMSON3730固件版本K1.10/R1.30阀门定位器所在的现场总线网段进行监测，发现该网段存在令牌丢失现象，在一定的监测时间内接收了77个令牌，丢失了10个令牌，令牌的接收率为88%，所以现场总线网段数据丢失情况严重。另外用NI监视器也进行测试，结果为90%，比较接近。经过整改故障消除。

   最后，用该书序言作者中海油CEO总裁杨业新的话作结束语：“借用国学大师王国维在人间词话的“三种境界”来表达对学问的求索历程，寻找目标—苦心探索—豁然开朗的追求历程，这也是成功的管理人员和技术人员必须经过的历程”。形象而且深刻，这值得追求FF技术的人员品味！更值得从事流程工业自动化系统的专业人士品味！

   卞正岗 (1936-)男，教授级高级工程师，1961年毕业于清华大学电机系，早年从事电机及微型电机研究，后多年从事工业自动化仪表、集散系统和现场总线的研制和自动化系统集成的工程实践，享受政府特殊津贴，中国自动化学会科普工作委员会委员，曾获得有色总公司科技进步一等奖和国家机械总局科技进步三等奖。