如何评价现场总线技术的优越性

　　目前对现场总路线有两种看法：一是认为现场总路线的优点很多；二是认为没有体会到有价值的优越性，甚至还有诸多的问题没有得到解决。解析这种现象的原因就是要搞清应该如何评价和发挥现场总线技术的优越性。

一 现场总线技术的优越性

二 现场总线另一角度的优点

　　如果换一个角度看，上述现场总线技术的优越性又可以划分为表面的、隐含的和潜在的优越性3类。
1．表面性
　　最表面的优越性就是节省60%甚至更多的电缆及相关的辅件、节省系统硬件数量和设备投资。节省电缆是非常直观的也没有什么分歧。据有关典型试验工程的测算资料表明。可节约安装费用30%以上。有一点说明的是，对于大中系统这个优点是重要的，有震撼力的。而对于小系统则因为节省额度有限经常不被当作重要因素考虑。
　　系统硬件节省主要是减少了很多I/O卡。一条总线段如果挂8台现场设备（不分输入和输出），那么有2个通道的总线接口卡可以取代2块8通道的传统I/O卡，而4通道的总线接口卡可以取代4块I/O卡。同时本安系统可以节省许多数量的安全栅。特别是FISCO（现场总线本质安全概念）安全栅，一台可以取代4～8台传统安全栅。
　　但需要特别说明一点。现场总线系统硬件节省与系统结构和设计有较大的关系。所以在规划设计阶段理解现场总线技术精髓，合理确定系统结构和功能分配对降低硬件开销有较大的作用。分析目前市场可以买到的现场总线系统可以大致分为：
（1）传统DCS＋现场总线接口卡结构，优点是全面继承DCS所有特点和用户已有习惯。
（2）完全基于现场总线体系的结构，优点是更有效地节省硬件开销。
　　由于智能现场总线现场仪表可以完成基本控制功能。如PID调节，甚至较复杂的串级、比率、前馈和分程等。所以，上位控制器/链接桥路器可以设计得较“苗条”。这也为降低现场总线控制系统硬件费用创造了条件。反之，如果我们不在现场仪表中完成它们本来可以而且应该执行的任务而继续完全依靠传统DCS一样强大复杂的“控制器”来完成所有控制任务，而仅仅将总线用于信号通信。这就“浪费了”现场总线现场设备的智能能力，导致了上下功能重叠和成本不必要地上升。[page]
　　合理地设计网段上仪表的数量对系统硬件成本也有直接的影响。
　　另外，合理地设计网段上仪表的数量对系统硬件成本也有直接的影响。在考虑了风险度、速度、电源压降和设计裕度后尽可能在网段上多挂仪表能明显降低硬件成本。
　　一般说现场总线控制系统设备费用构成和DCS有所差别，现场总线现场设备的列表价比同档次的智能设备高20%。但设计合理的控制室设备应比DCS低。两者之和应与DCS持平。对于设备费用的比较特别要注意“同档次”。因为DCS可以选择低成本简单模拟现场设备。而现场总线现场仪表则都是“智能”的，而且目前大部分是进口设备。从这个角度说，现场总线的确不是以“便宜”为卖点的低成本技术。但因为它用不贵的价格购买到有更高技术性能的系统，所以我们还是说它为用户节省了金钱。
　　上海塞科的工程实践证明，如果采用进口电缆则虽然节省了电缆数量但将比采用国产电缆的DCS系统的投资反而增加17.5%，但如果采用国产电缆就将减少4.5%。安全栅的情况也类似，如果采用国产总线安全栅就可以不仅减少安全栅数量同时也减少投资。影响设备采购价格还有许多复杂因素。例如一次购买的数量，因为商业竞争局面而导致的“特殊折扣”等。供应商掌握的原则是既要体现性能价格比的竞争力，也要尽可能快地收回研发的投入以利于继续的技术进步。所以预计现场总线控制系统设备费用（不是建设费用）目前会维持在DCS的同样水平。随着应用不断扩大，价格呈下降趋势而且有更大的空间。
目前使人感到现场总线不便宜的一个原因是大部分“辅件”全部采用进口设备所致。如果类似安全栅、端子及接线盒之类的设备采用国产设备的话，则这些设备不仅数量比传统系统减少且费用也同步减少。笔者认为，以国内的技术水平而言完全可在短期内研发出这些产品。
2．隐含性
　　现场总线技术的很大一部分优越性是有“隐含”的性质。它们虽然肯定有社会效益但可能不会立即表现为业主的经济利益，例如安装施工费用。虽然电缆减少将节省很多工作量，但由于缺少经验和核算数据，可能在初期阶段施工单位并没有少收业主的费用。特别是在调试、运行和维护的全过程，这些隐含利益是不断地陆续得以体现。
　　供应商掌握的原则是既要体现性能价格比的竞争力，也要尽可能快地收回研发的投入以利于继续的技术进步。
　　为了充分发挥这些“隐含”的优越性，用户必须首先重视人员的培训。使用者一定要熟悉现场总线技术和设备的性能甚至是技术细节。如果技术非常生疏，“误操作”不断，所谓优越性的发挥就无从谈起。一些初次的使用者恰恰就是这样而没有体会到什么优越性的。另外，人员组织机构也会影响优越性的发挥。传统情况往往是由那些不熟悉计算机技术的人员负责现场仪表，而熟悉计算机技术的人员负责控制室DCS。现场总线的情况不同了，现场仪表也由计算机管理起来了，所以人员配备应该有所调整。由于调试、运行和维护省时省力，可以体现为缩短占用时间和减少人工。所以适当地调整组织机构才能体现这一节省。例如基金会统计认为，采用现场总线技术将安装施工劳动节省50%，调试劳动节省75%，工程设计节省50%。（总节省占工程投资的比例因为国内外劳动价格不同而不同，所以本文不予以引用）但同时强调只有在项目一开始就按现场总线技术来规划时，才容易显现优越性认识，反之如果还完全按常规方法规划组织项目，可能有若干优越性也许就被埋没了。

图1 不同精度系统控制工艺参数的优化水平

图2 自动化系统各部分的故障发生率

图3 自动化系统维护工作量构成[page]

　　数字系统的“鲁棒性”使生产效率的提高和产品质量的改善是现场总线技术典型的“隐含”优越性。手动、模拟自动和数字自动控制的精确度不同，而精度最好的数字系统可以使参数控制点靠近最优同时又是极限的区域，而精确度低的系统为防止超出极限只能将设定值放在远离参数优化的位置上，如图1所示。

　　另外，美国权威的自动化研究公司ARC的独立研究报告认为设备维护成本高达生产管理成本的40%。自动化系统各部分的故障发生率统计如图2。
　　现场总线技术通过现场变送器和执行器的自诊断功能，接线数量减少，I/O卡件减少和对CPU依赖的降低自然地提高了系统的运行率。传统的维护工作量如图3构成。
　　我们把维护分为“反应性维护——即坏了再修”、“预防性维护——即定期检修”和“预见性维护——即根据需要检修”。统计表明预防性维护中约63%（35%＋28%）是不必要的浪费。但为了将预防性维护改进为预见性维护是需要有强大的诊断能力作为条件的。而现场总线技术提供了这种能力，通过实现预见性维护估计可以节省10～20%的维护费用，并使系统运行率提高了2%。现场总线基金会用经济现金流来示意现场总线在全生命周期的利益。
　　图4中表示由于模拟技术（虚线）的多次维护投入使得现场总线技术（实线）有较大的总体正效益（即实线在上虚线在下所包括的面积减去虚线在上实线在下的部分面积的差值）。

3．潜在性
　　现场总线技术还有一部分优越性是“潜在”的。它们提供了一个平台但在初期阶段由于观念和配套的技术暂时还不十分到位，有待于今后的发展中得以体现。最具代表意义的如“资产管理系统”，“现场设备诊断专家系统”。这里的资产管理即业主的财富管理在自动化设备范围的体现。通过资产管理，可以减少备件库存、减少维护消耗（Maintenance Repair and Operations，MRO）、提高生产稳定运行率从而提高企业净资产回报（Return On Net Assets，RONA）或总体设备绩效（Overall Equipment Effectiveness，OEE）虽然国内大部分企业还没有通过结合控制系统来完成它，但现场总线技术无疑为它的实现提供了最便利的平台。诊断专家系统则把多年设备运行中存在的问题和处理的专家经验进行系统化模型化所编成的专用程序来指导我们的维护工作。这种专家系统可以是购买的，也完全可以在现场总线平台上自行开发的。
　　统计表明预防性维护中约63%（35%＋28%）是不必要的浪费。

结论：现场总线技术的优越性不仅仅在一次性购买时体现而更主要是在它整个生命周期内持续不断地发挥。它也不仅仅是一个单纯的技术经济问题。只有在适当的观念、管理需求乃至于技术文化的背景下它才能更充分地得以体现和发扬。