钟霖田

一  FCS从大分离到统一系统平台
1  从DDC到PLC、DCS与FCS
20世纪60年代初出现的DDC(Direct Digital Controller)直接数字控制仪开创了数字化控制之先河，将电子数字计算机应用于工业生产控制。由于当时元器件质次价高，其安全可靠性难以保障，而
从产品价格的竞争力考虑，又必须使单机拥有的回路数愈多愈好。为此，正如外国谚语所言：“把所有鸡蛋都放在一个篮子里”，即危险集中，当然也就形成不了气候。于是，从功能上分成PLC与DCS。前者，运用计算机本能的“与、或、非”等逻辑运算功能，对开关量（DI/O）进行加工处理，满足一些诸如机组的开停等离散控制的生产需求；而后者延至70年代中期才面市。DCS的设计思路是控制分散、信息集中，即将危险分散。但是，分散到什么程度？是彻底分散到诸如单回路数字调节器还是一个控制站拥有局部集中的I/O容量？这个看似很简单的问题，却是一个令DCS乃至FCS设计者不太容易回答的问题。
笔者认为，DCS或FCS作为一种控制工具应满足工业控制、生产系统要求，应从应用系统总体角度予以考虑。
笔者曾在文献[1]、[2]、[3]中指出：在大规模集成芯片的可靠性已无需顾及并采用冗余措施以后，采用I/O大容量的局部集中控制，彻底分散到诸如单回路数字调节器早已在市场消失就是反证，国产四回路数字调节器夭折于投产之中。现代工业生产，一个生产单元涉及的范围愈来愈广。过去，考虑生产安全因素而多采用中间缓冲储槽罐已多予取消。例如钢铁企业的联铸联轧，炼油厂的常减压―催化联合装置，用连续的延迟焦化取代过去间歇焦化（釜）生产，这要求一个控制站的I/O容量能尽量覆盖一套生产单元，绝对应避免有Timelines(及时性)控制信息交换以确保整体控制安全可靠，这种从控制（应用）系统总体角度考虑控制工具结构体系的思路未必被有关产品设计人员所接受，FCS的FF-H1就是如此[3]、[4]。
2  FCS的Profibus与FF-H1
由IEC通过的现场总线规范多达8种，其中World Fip与FF十分相近，而其它6种均是由PLC拓展过来的，就实质而言，就是PLC与DCS之争。前者以Profibus为代表，后者以FF为代表。
从某种意义上讲，Profibus似是先有产品后完善规范，以抢占市场，作为商家无可厚非。其早期以DP为中心，下联PA，上接FMS，彼此以网关（或称耦合器）相连，所谓高速的FMS也不过12.5Mbps。其中PA无应用层，事实上PA是DP的RI/O（远程I/O）。PA虽放在现场，但控制运算却在DP上，由通信线予以连接，其安全可靠性实乃堪虞。毋庸置疑，在所有数字控制设备中，如靠通信及通信线将其构成闭环控制，则可靠性瓶颈非其莫属，这是工业控制之大忌。国内现在宣称有FCS面市者，包括e网在内，均是仿效于此，均是其DCS的RI/O。RI/O者，早在Y公司的DCS产品中就出现了，其缩写也为FCS，即Field Control Station，用RS-232或RS-485将其与DCS相连。所以，笔者赞同文献[5]的结论，并再次强调：称FCS（Fieldbus Control System）者，控制运算必须在现场。
FF则反之，先制定一套完整而严密的技术规范，而产品却迟迟才面市，而且其推出的H1产品是以变送器及阀门（定位器）为主体的真正的FCS，笔者在文献[3]、[4]中对其特点详加了评述。为了下文起见，笔者在此简要概括为：作为仪表智能化而言，已近乎达到极至，包括园卡主要部件并涉及敏感元件在内的故障信息多达百余种，对测量、控制以至ESD均是极为重要而难能可贵的！但从控制角度看来，却是分散到比单回路数字调节器还彻底的程度：依靠发行/订户的强制通信（极强的Timelines要求），完成闭环的单回路控制，通信被紧紧地嵌入控制（回路）之中，犯了控制可靠性全仰仗于通信可靠性之大忌！其技术十分繁复[3]、[4]。这种彻底分散到无以复加的结构体系无法实施快速的PLC控制，在Profibus的强力市场宣传面前，只有本无DCS而以变送器为主要产品的Smar公司独撑局面。然而，FF的技术实力是以连续控制称雄，从系统结构入手却成了“柳暗花明又一村”了。
3  将DCS控制站整体搬至现场的局部集中体系结构奠定了统一系统平台的基础结构体系
文献[3]详述了NI公司FP-3000型FCS，将与下面叙述有关的特点概括如下：① 整体搬移的局部集中体系结构为DCS、PLC、ESD转为FCS的共同结构，如图1所示，其中既有NI的FP-3000(与Smar等成为H1节点变送器相连)，也有AB公司的Control Net等；② 控制与通信分开，如不采用H1通信协议，而采用HSE则FP-3000就变成另一种HSE型号的多功能控制器了。所以，这种体系结构为各总线所接受，其通信协议可以维持不变。

图1  将DCS控制站整体搬移的局部集中体系结构

早在1995年初，笔者一位朋友就向笔者提起过这种整体搬移的思路。此处提及，只是想说明这样一件事：从系统总体着眼，所见略同！笔者认为FF有两大亮点，其一是HSE，其二是其Function Block (FB功能模块)。
FF的H1艰难面市而且在某种程度上遭冷落之后，其原定高速的H2（也只不过是2Mbps）因内部争执不下而夭折，而于1999前后，审时度势地采用HSE（高速以太网）。于是，群起而仿之，Profibus放弃FMS而改为Profinet[3]。终于形成了以局部集中体系结构为硬件平台，其通信均采用以太网+TCP（UDP）/IP，而相当于ISO的OSI七层模型的表示层与会话层均采用OPC（服务器）作为与应用层的接口，为用户的应用层提供一个统一的系统平台[4]。用户的应用（程序）是多种多样的，但都可以在上述统一的系统平台上运行[6]，用户的应用（程序）有如“剧本”，而统一的系统平台如同大剧院。
4  统一的系统平台是用户应用的一向需求
以石化生产为例，间歇过程与连续过程交织在一起是常见的。例如，多个乙烯裂解炉并联运行以轮流清焦；变压吸附的分子筛需定时或不定时卸压再生，再生后再加压运行；迟延焦化的加热裂解过程是连续的，而两个大容量结焦塔却是轮流运行的。以往，多是将间歇生产过程交由PLC执行，连续生产过程由DCS控制，而ESD作为“消防队”单独待命，“养兵千日，用兵一时”。这种原本是同一生产装置或单元的综合控制问题，理应在同一系统平台上按时序、状态或命令，调用不同应用程序予以通盘控制处理的事情，过去均由按各自分割使命的三套独立的控制装置来处理。因为三者的输入大多相同，而常常争执这些信号由谁来采集谁引用；输出信号部分相同而争执不大。现在统一的系统平台是一套控制装置，争抢信号的问题不复存在！所以，DCS、PLC、ESD的使命均可由FCS的统一系统平台予以囊括而不应再有争执了。
统一的系统平台在响应速度上是有所差异的[5]，这也使各厂家按其以往的特长仍有竞争优势。例如，要执行ESD，则需取得安全许可认证，而Profibus的Profisafe就有明显的优势。所以，统一的系统平台是一种概念性的[4]，其上组合的各种应用程序在执行时间上或执行周期上也是有较大差距的，从某种意义上而言，应按时间划分来执行各（任务组成的）线程予以实时调度，而ESD则应按状态（信号）经甄别处理后予以“唤醒”执行！
5  有关ESD的一些问题
笔者在文献[7]中提出预联锁的概念是：正常运行的控制系统应在异常情况下力挽狂澜，在确保安全的前提下阻遏“唤醒”ESD的因素出现。现在这一概念已拓展为软联锁，并有相应的IEC标准。过去ESD制造商在其硬件结构上多采用了冗余，并以3取2的表决方式予以决策，而对输入信号真伪的诊断却往往少有涉及。笔者认为，现在在统一系统平台上运行的正常的调节控制程序已作为第二道关口尽量阻遏“唤醒”其执行，而第一道关口则是对输入信号的“智能化”处理断定其可信度，已经相当可靠地在确保安全的前提下拒绝ESD的误动作！至于是否要冗余，由用户选择，按文献[3]所提采用二节点整体冗余即可。
然而，ESD的主要问题并不是上述信号冗余而是参数设置。例如，文献[7]中提到水/碳联锁跳车（ESD），当水/碳比值连续7秒低于2.0时，则A-A级（全厂停车）跳车，这个7秒是怎么定的？据笔者所知，包括工艺、自控设计在内的人员均难以说明。笔者贸然认为，这个时间应是负荷的函数，应从过程动态学角度予以探索、研究！设计人员所定的7秒钟有相当大的裕度，宁愿让其跳车，也不愿让其结炭。当生产设备发生器质性故障时，则应立即停车；反之，如因操作失误或原料成份大幅度变化等，则采取软联锁方式予以处理。统一系统平台可提供或创造这些条件，关键在于用户如何择定控制方案和设置其中的参数，特别是时间参数。
二  统一系统平台上的集成
将应用程序（用户层）挂到统一系统平台上就集成为FCS，笔者在文献[4]、[6]中已详述了这种系统集成。据笔者所知，符合FF标准的HSE型FCS一些生产厂商其本身就是系统集成商，其应用层FB（功能模块）就是花了不少代价委托另一家软件公司开发的，而系统平台则部分或大部分外购OEM产品，其集成的FCS近来为市场看好。据悉，最近又有什么国产化FCS攻关立项。“九