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鐘霖田

一  FCS從大分離到統一系統平臺
1  從DDC到PLC、DCS與FCS
20世紀60年代初出現的DDC(Direct Digital Controller)直接數字控制儀開創了數字化控制之先河，將電子數字計算機應用于工業生產控制。由于當時元器件質次價高，其安全可靠性難以保障，而
從產品價格的競爭力考慮，又必須使單機擁有的回路數愈多愈好。為此，正如外國諺語所言：“把所有雞蛋都放在一個籃子里”，即危險集中，當然也就形成不了氣候。于是，從功能上分成PLC與DCS。前者，運用計算機本能的“與、或、非”等邏輯運算功能，對開關量（DI/O）進行加工處理，滿足一些諸如機組的開停等離散控制的生產需求；而后者延至70年代中期才面市。DCS的設計思路是控制分散、信息集中，即將危險分散。但是，分散到什么程度？是徹底分散到諸如單回路數字調節器還是一個控制站擁有局部集中的I/O容量？這個看似很簡單的問題，卻是一個令DCS乃至FCS設計者不太容易回答的問題。
筆者認為，DCS或FCS作為一種控制工具應滿足工業控制、生產系統要求，應從應用系統總體角度予以考慮。
筆者曾在文獻[1]、[2]、[3]中指出：在大規模集成芯片的可靠性已無需顧及并采用冗余措施以后，采用I/O大容量的局部集中控制，徹底分散到諸如單回路數字調節器早已在市場消失就是反證，國產四回路數字調節器夭折于投產之中。現代工業生產，一個生產單元涉及的范圍愈來愈廣。過去，考慮生產安全因素而多采用中間緩沖儲槽罐已多予取消。例如鋼鐵企業的聯鑄聯軋，煉油廠的常減壓―催化聯合裝置，用連續的延遲焦化取代過去間歇焦化（釜）生產，這要求一個控制站的I/O容量能盡量覆蓋一套生產單元，絕對應避免有Timelines(及時性)控制信息交換以確保整體控制安全可靠，這種從控制（應用）系統總體角度考慮控制工具結構體系的思路未必被有關產品設計人員所接受，FCS的FF-H1就是如此[3]、[4]。
2  FCS的Profibus與FF-H1
由IEC通過的現場總線規范多達8種，其中World Fip與FF十分相近，而其它6種均是由PLC拓展過來的，就實質而言，就是PLC與DCS之爭。前者以Profibus為代表，后者以FF為代表。
從某種意義上講，Profibus似是先有產品后完善規范，以搶占市場，作為商家無可厚非。其早期以DP為中心，下聯PA，上接FMS，彼此以網關（或稱耦合器）相連，所謂高速的FMS也不過12.5Mbps。其中PA無應用層，事實上PA是DP的RI/O（遠程I/O）。PA雖放在現場，但控制運算卻在DP上，由通信線予以連接，其安全可靠性實乃堪虞。毋庸置疑，在所有數字控制設備中，如靠通信及通信線將其構成閉環控制，則可靠性瓶頸非其莫屬，這是工業控制之大忌。國內現在宣稱有FCS面市者，包括e網在內，均是仿效于此，均是其DCS的RI/O。RI/O者，早在Y公司的DCS產品中就出現了，其縮寫也為FCS，即Field Control Station，用RS-232或RS-485將其與DCS相連。所以，筆者贊同文獻[5]的結論，并再次強調：稱FCS（Fieldbus Control System）者，控制運算必須在現場。
FF則反之，先制定一套完整而嚴密的技術規范，而產品卻遲遲才面市，而且其推出的H1產品是以變送器及閥門（定位器）為主體的真正的FCS，筆者在文獻[3]、[4]中對其特點詳加了評述。為了下文起見，筆者在此簡要概括為：作為儀表智能化而言，已近乎達到極至，包括園卡主要部件并涉及敏感元件在內的故障信息多達百余種，對測量、控制以至ESD均是極為重要而難能可貴的！但從控制角度看來，卻是分散到比單回路數字調節器還徹底的程度：依靠發行/訂戶的強制通信（極強的Timelines要求），完成閉環的單回路控制，通信被緊緊地嵌入控制（回路）之中，犯了控制可靠性全仰仗于通信可靠性之大忌！其技術十分繁復[3]、[4]。這種徹底分散到無以復加的結構體系無法實施快速的PLC控制，在Profibus的強力市場宣傳面前，只有本無DCS而以變送器為主要產品的Smar公司獨撐局面。然而，FF的技術實力是以連續控制稱雄，從系統結構入手卻成了“柳暗花明又一村”了。
3  將DCS控制站整體搬至現場的局部集中體系結構奠定了統一系統平臺的基礎結構體系
文獻[3]詳述了NI公司FP-3000型FCS，將與下面敘述有關的特點概括如下：① 整體搬移的局部集中體系結構為DCS、PLC、ESD轉為FCS的共同結構，如圖1所示，其中既有NI的FP-3000(與Smar等成為H1節點變送器相連)，也有AB公司的Control Net等；② 控制與通信分開，如不采用H1通信協議，而采用HSE則FP-3000就變成另一種HSE型號的多功能控制器了。所以，這種體系結構為各總線所接受，其通信協議可以維持不變。

圖1  將DCS控制站整體搬移的局部集中體系結構

早在1995年初，筆者一位朋友就向筆者提起過這種整體搬移的思路。此處提及，只是想說明這樣一件事：從系統總體著眼，所見略同！筆者認為FF有兩大亮點，其一是HSE，其二是其Function Block (FB功能模塊)。
FF的H1艱難面市而且在某種程度上遭冷落之后，其原定高速的H2（也只不過是2Mbps）因內部爭執不下而夭折，而于1999前后，審時度勢地采用HSE（高速以太網）。于是，群起而仿之，Profibus放棄FMS而改為Profinet[3]。終于形成了以局部集中體系結構為硬件平臺，其通信均采用以太網+TCP（UDP）/IP，而相當于ISO的OSI七層模型的表示層與會話層均采用OPC（服務器）作為與應用層的接口，為用戶的應用層提供一個統一的系統平臺[4]。用戶的應用（程序）是多種多樣的，但都可以在上述統一的系統平臺上運行[6]，用戶的應用（程序）有如“劇本”，而統一的系統平臺如同大劇院。
4  統一的系統平臺是用戶應用的一向需求
以石化生產為例，間歇過程與連續過程交織在一起是常見的。例如，多個乙烯裂解爐并聯運行以輪流清焦；變壓吸附的分子篩需定時或不定時卸壓再生，再生后再加壓運行；遲延焦化的加熱裂解過程是連續的，而兩個大容量結焦塔卻是輪流運行的。以往，多是將間歇生產過程交由PLC執行，連續生產過程由DCS控制，而ESD作為“消防隊”單獨待命，“養兵千日，用兵一時”。這種原本是同一生產裝置或單元的綜合控制問題，理應在同一系統平臺上按時序、狀態或命令，調用不同應用程序予以通盤控制處理的事情，過去均由按各自分割使命的三套獨立的控制裝置來處理。因為三者的輸入大多相同，而常常爭執這些信號由誰來采集誰引用；輸出信號部分相同而爭執不大。現在統一的系統平臺是一套控制裝置，爭搶信號的問題不復存在！所以，DCS、PLC、ESD的使命均可由FCS的統一系統平臺予以囊括而不應再有爭執了。
統一的系統平臺在響應速度上是有所差異的[5]，這也使各廠家按其以往的特長仍有競爭優勢。例如，要執行ESD，則需取得安全許可認證，而Profibus的Profisafe就有明顯的優勢。所以，統一的系統平臺是一種概念性的[4]，其上組合的各種應用程序在執行時間上或執行周期上也是有較大差距的，從某種意義上而言，應按時間劃分來執行各（任務組成的）線程予以實時調度，而ESD則應按狀態（信號）經甄別處理后予以“喚醒”執行！
5  有關ESD的一些問題
筆者在文獻[7]中提出預聯鎖的概念是：正常運行的控制系統應在異常情況下力挽狂瀾，在確保安全的前提下阻遏“喚醒”ESD的因素出現。現在這一概念已拓展為軟聯鎖，并有相應的IEC標準。過去ESD制造商在其硬件結構上多采用了冗余，并以3取2的表決方式予以決策，而對輸入信號真偽的診斷卻往往少有涉及。筆者認為，現在在統一系統平臺上運行的正常的調節控制程序已作為第二道關口盡量阻遏“喚醒”其執行，而第一道關口則是對輸入信號的“智能化”處理斷定其可信度，已經相當可靠地在確保安全的前提下拒絕ESD的誤動作！至于是否要冗余，由用戶選擇，按文獻[3]所提采用二節點整體冗余即可。
然而，ESD的主要問題并不是上述信號冗余而是參數設置。例如，文獻[7]中提到水/碳聯鎖跳車（ESD），當水/碳比值連續7秒低于2.0時，則A-A級（全廠停車）跳車，這個7秒是怎么定的？據筆者所知，包括工藝、自控設計在內的人員均難以說明。筆者貿然認為，這個時間應是負荷的函數，應從過程動態學角度予以探索、研究！設計人員所定的7秒鐘有相當大的裕度，寧愿讓其跳車，也不愿讓其結炭。當生產設備發生器質性故障時，則應立即停車；反之，如因操作失誤或原料成份大幅度變化等，則采取軟聯鎖方式予以處理。統一系統平臺可提供或創造這些條件，關鍵在于用戶如何擇定控制方案和設置其中的參數，特別是時間參數。
二  統一系統平臺上的集成
將應用程序（用戶層）掛到統一系統平臺上就集成為FCS，筆者在文獻[4]、[6]中已詳述了這種系統集成。據筆者所知，符合FF標準的HSE型FCS一些生產廠商其本身就是系統集成商，其應用層FB（功能模塊）就是花了不少代價委托另一家軟件公司開發的，而系統平臺則部分或大部分外購OEM產品，其集成的FCS近來為市場看好。據悉，最近又有什么國產化FCS攻關立項。“九