再论现场总线控制系统的应用及困惑

现场总线控制系统在技术上具有许多特点：具有系统的开放性；互可操作性与互用性；现场设备的智能化与功能自治性；系统结构的高度分散性；对现场环境的适应性。由于FCS在技术上的特点，因此体现出许多优越性：节省硬件数量与投资；节省安装、维护费用；用户具有高度的系统集成主动权；提高了系统的准确性与可靠性。鉴于FCS的种种优越性，我们在2001年装置控制系统更新改造中毅然选择了FCS。

图1 FCS基本构成图

一、问题的提出

装置采用FCS的初衷，是将大型空分装置及其所属相关工艺装置原来Foxboro SPEC200组装仪表更新改造成FCS，这是继CETEM、CETEM-CS、TDC3000 TPS等多套大型DCS系统在我厂所属50万吨/年大化肥、甲醇、丁醇、辛醇等化工装置改造、运行成功的基础上进行的。计划改造规模：现场总线型AI 92点、AO 91点及其常规点AI、DI、DO近千点。但令人遗憾的是：实际只完成计划改造规模的1/2不到，对于过程反应激烈的工艺装置的改造计划实难被各方认可而流产，其中的困惑和无奈是多方面的，但FCS自身的许多缺陷难逃干系。

二、故障实例

1. 现场总线卡两次损坏

2004年9月5日，操作人员反映空分装置的一个生产单元的多块仪表突然失灵，经仪表维修人员紧急排查发现：一块现场总线卡上的故障（Error）“红灯”亮起，该卡所带的两个通道（Port1、Port2）即两个现场总线网络段（Fieldbus network segments）的全部信息处于故障状态，近20台现场变送器、调节阀信息及人—机对话全部中断，使该装置的一个生产单元的相关仪表全部处于失控状态。手足无措的仪表维修人员紧急向厂商技术支持求助，要求技术支持提供处理方法的同时，要对该装置生产的安全提供承诺，但得到的回答都是“不保证”或“不敢肯定”的答复。该控制系统现场总线卡故障这已是第二次，它是一个月前大修期间刚换上的新备件卡，且无论如何也不能软恢复的硬件故障。见图，现场总线控制系统的基本构成。

2. 现场总线接线箱进雨水

2003年9月12日雨后，操作人员发现数台仪表、阀门的数据同时回零，接报后的仪表维修人员根据出问题的区域，果断确认是某条总线段出现了故障。认真排查了现场总线卡、总线电源等都没有发现问题。当打开现场总线接线箱FJB（Field Junction Box）时发现内部渗有水滴。问题十分明确：是现场总线接线箱渗进雨水，造成这条现场总线主干电缆线上的某点接地或短路，致使这条总线主干电缆所带数台仪表、阀门的数据全部回零。

FCS的应用指南中要求用户，现场总线双绞线不能接地、短路、开路是用户必须“绝对”遵守的准则。为了防止类似事故的再次发生，根据厂商的建议和推荐，我们利用2004年8月装置大修的机会，将厂商提供的普通型总线集线器全部拆除，换上了具有防接地、短路、开路保护功能的MTL Megablock系列被动型现场总线式集线器（Passive hubs for fieldbus networks）。据资料介绍，该系列被动型现场总线式集线器具有较强的接地、短路、开路保护功能，可以及时将故障点从回路中切除，防止故障的进一步扩大并保证其他无故障回路的正常运行。资料没有介绍是利用硬的方法还是软的方法检测出故障点并及时切除该故障点的，其准确性、可靠性如何，有待于时间和现场实际运行的考验。

3. 信息流阻塞

“数据刷新太慢了，而且越急越上不来”，这是操作人员对总线控制系统不时发出的报怨。为了满足工艺控制的基本要求，利用检修的机会我们作了两项调整工作：一是将重要控制点调出总线控制系统，并进一步调整并削减了每条总线段上的挂载量，原则上每条总线段要少于6台现场仪表；二是将重要点的逻辑扫描时间由系统默认的500ms调整到100ms，但这已是FCS给用户选择的极限扫描速度。

针对操作界面的死锁；控制器时间程序系统的吃内存，造成控制器内存不够而死锁等软件缺陷和漏洞。我们利用2004年8月装置大修的机会，与厂商签订合同将软件版本进行升级，厂商保证升级后的版本软件不存在安全、使用方面的缺陷和漏洞。但令人遗憾的是：由于控制器硬件的限制，系统软件不能采用最新版本进行升级。

5. 数字式定位器死机

2003年11月7日，操作人员从其他工艺参数判断某调节阀自行关闭，检查操作画面却无任何异常信息报出。经仪表维护人员现场检查确认是总线定位器DVC5010F失灵无输出，致气动薄膜调节阀失气全关。进一步检查组态窗口发现定位器内部AO块返回PID的信号在线显红色报错，但系统诊断无错。从控制室手操输出100%，定位器输出仍然为零，在资源管理器（EXPLORER）中调出通信模件看到定位器仍无输出，重新识别也不认，只好更换新的定位器。以上故障出现过两次，都更换了定位器。

2003年3月6日，总线定位器DVC5010F也是突然失灵，但重新STAND BY再ON LINE故障自动解除，显然这是软件故障；还有一次现场总线定位器DVC5010F的反馈杆自行脱落，DVC5010F并无察觉，控制系统并无报错，操作人员通过其他参数确定其阀门动作异常，仪表维修人员跑到现场才找出真正故障原因。FCS投用至今，已有多台数字式定位器或因死机频繁或因硬损坏被换下
。由于总线数字式定位器软故障的叠加，其综合故障、坏损率要远高于常规数字型定位器。