摘要：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在工業(yè)領域的應用是一個新的開始，隨著各種傳感器，變送器的出現(xiàn)，一種新型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)開始了一個新紀元。文章主要介紹該FCS的原理，特點及在電廠中的應用。
　　
　　一、引言
　　
　　隨著控制技術、計算機技術和通信技術的飛速發(fā)展，數(shù)字化作為一種趨勢正從工業(yè)生產(chǎn)過程的決策層、管理層、監(jiān)控層和控制層一直滲透到現(xiàn)場設備。現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，使數(shù)字通信技術迅速占領工業(yè)過程控制系統(tǒng)中模擬量信號的zui后一塊領地。一種全數(shù)字化的、全開放式的、可互操作的新型控制系統(tǒng)——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)正在向我們走來。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)代表了工業(yè)自動化領域中一個新紀元的開始，并將對該領域的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。
　　
　　50年前，過程控制系統(tǒng)采用3~15psi的氣動信號標準，即所謂的*代過程控制體系結構（PCS）。到了60年代，4~20mA模擬信號的廣泛應用，促成了第二代過程控制體系結構（ACS）。70年代前后，數(shù)字計算機進入過程控制領域，出現(xiàn)了集中控制，即第三代過程控制體系結構（CCS）。進入80年代后，由于微處理機的廣泛應用而產(chǎn)生了分散控制系統(tǒng)，即第四代過程控制體系結構（DCS）。目前在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用的DCS系統(tǒng)采用了分散式的體系結構，型的網(wǎng)絡支撐和模擬式的現(xiàn)場信號。盡管它克服了CCS系統(tǒng)結構復雜、可靠性和實時性差等缺點，但由于其通信網(wǎng)絡的封閉性和現(xiàn)場模擬信號傳輸?shù)木窒扌裕沟萌藗儾坏貌恢匦聦徱旸CS體系結構的合理性。隨著各種智能傳感器、變送器和執(zhí)行器的出現(xiàn)，數(shù)字化到現(xiàn)場、控制功能到現(xiàn)場、設備管理到現(xiàn)場的呼聲日益增高，一種新的過程控制系統(tǒng)體系結構——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS已經(jīng)呈現(xiàn)在我們面前。
　　
　　二、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的分類
　　
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)作為第五代過程控制體系結構目前還處在發(fā)展骱段，各種不同的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)層出不窮，其系統(tǒng)結構形態(tài)各異，有的是按照現(xiàn)場總線體系結構的概念設計的新型控制系統(tǒng)，有的是在現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)上擴充了現(xiàn)場總線的功能。為了便于討論，我們將重點放在監(jiān)控級、控制級和現(xiàn)場級。監(jiān)控級之上的管理級、決策級等不予考慮。因此我們可以把FCS分為三類：一類是由現(xiàn)場設備和人機接口組成的兩層結構的FCS；另一類是由現(xiàn)場設備、控制站和人機接口組成的三層結構的FCS；還有一類是由DCS擴充了現(xiàn)場總線接口模件所構成的FCS。
　　
　　1．具有兩層結構的FCS
　　
　　具有兩層結構的FCS如圖1所示。它是由現(xiàn)場設備和人機接口兩部分組成的。現(xiàn)場設備包括符合現(xiàn)場總線通信協(xié)議的各種智能儀表。例如，現(xiàn)場總線變送器、轉換器、執(zhí)行器和分析儀表等。由于系統(tǒng)中沒有單獨的控制器，系統(tǒng)的控制功能全部由現(xiàn)場設備完成。例如，常規(guī)的P1D控制算法可以在現(xiàn)場總線變送器或執(zhí)行器中實現(xiàn)。人機接口設備一般有運行員操作站和工程師工作站。運行員操作站或工程師工作站通過位于機內的現(xiàn)場總線接口卡和現(xiàn)場總線與現(xiàn)場設備交換信息，人機接口之間的或與更高層設備之間的信息交換，通過高速以太網(wǎng)HSE實現(xiàn)。高速以太網(wǎng)上還可以連接需要高速通信的現(xiàn)場設備，例如可編程邏輯控制器PLC等。低速現(xiàn)場總線還可以通過網(wǎng)關連接到高速現(xiàn)場總線上，通過高速現(xiàn)場總線與人機接口設備或其他高層設備交換信息。　　
　　這種現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結構適合于控制規(guī)模相對較小、控制回路相對獨立、不需要復雜協(xié)調控制功能的生產(chǎn)過程。在這種情況下，由現(xiàn)場設備所提供的控制功能即可以滿足要求。因此在系統(tǒng)結構上取消了傳統(tǒng)意義上的控制站，控制站的控制功能下放到現(xiàn)場，簡化了系統(tǒng)結構。但帶來的問題是不便于處理控制回路之間的協(xié)調問題，一種解決辦法是將協(xié)調控制功能放在運行員操作站或者其他高層計算機上實現(xiàn)；另一種解決辦法是在現(xiàn)場總線接口卡上實現(xiàn)部分協(xié)調控制功能。
　　
　　2．具有三層結構的FCS
　　
　　具有三層結構的FCS如圖2所示。它由現(xiàn)場設備、控制站和人機接口三層所組成。其中現(xiàn)場設備包括各種符合現(xiàn)場總線通信協(xié)議的智能傳感器、變送器、執(zhí)行器、轉換器和分析儀表等；控制站可以完成基本控制功能或協(xié)調控制功能，執(zhí)行各種控制算法；人機接口包括：運行員操作站和工程師工作站，主要用于生產(chǎn)過程的監(jiān)控以及控制系統(tǒng)的組態(tài)、維護和檢修。系統(tǒng)中其余各部分的功能同前所述，故不贅述。
　　
　　這種現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結構雖然保留了控制站，但控制站所實現(xiàn)的功能與傳統(tǒng)DCS有很大區(qū)別。在傳統(tǒng)的DCS中，所有的控制功能，無論是基本控制回路的PID運算，還是控制回路之間的協(xié)調控制功能均由控制站實現(xiàn)。但在FCS中，低層的基本控制功能一般是由現(xiàn)場設備實現(xiàn)的，控制站僅完成協(xié)調控制或其他控制功能。當然，如有必要，控制站本身是*可以實現(xiàn)基本控制功能的。這樣就可以讓用戶有更加靈活的選擇。具有三層結構的FCS適合用于比較復雜的工業(yè)生產(chǎn)過程，特別是那些控制回路之間關聯(lián)密切、需要協(xié)調控制功能的生產(chǎn)過程，以及需要特殊控制功能的生產(chǎn)過程。
　　
　　3．由DCS擴充而成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)　　
　　現(xiàn)場總線作為一種*的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸技術正在滲透到新興產(chǎn)業(yè)中的各個領域。DCS系統(tǒng)的制造商同樣也在利用這一技術改進現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)，他們在DCS系統(tǒng)的I／0總線上掛接現(xiàn)場總線接口模件，通過現(xiàn)場總線接口模件擴展出若干條現(xiàn)場總線，然后經(jīng)現(xiàn)場總線與現(xiàn)場智能設備相連。如圖3所示。　　
　　這種現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是由DCS演變而來的。因此，不可避免地保留了DCS的某些特征。例如I／O總線和高層通信網(wǎng)絡可能是DCS制造商的專有通信協(xié)議，系統(tǒng)開放性要差一些。現(xiàn)場總線裝置的組態(tài)可能需要特殊的組態(tài)設備和組態(tài)軟件，也就是說不能在DCS原有的工程師工作站上對現(xiàn)場設備進行組態(tài)等。這種類型的系統(tǒng)比較適合于在用戶已有的DCS系統(tǒng)中進一步擴展應用現(xiàn)場總線技術，或者改造現(xiàn)有DCS系統(tǒng)中的模擬量I／O，提高系統(tǒng)的整體性能和現(xiàn)場設備的維護管理水平。
　　
　　三、電廠應用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的動力
　　
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一種全數(shù)字化的控制系統(tǒng)，它的應用將使電廠自動化進入一個嶄新的時代。我們不難通過現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)特點看到它巨大的應用潛力，以及對企業(yè)自動化進程的巨大推動作用。
　　
　　（一）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點
　　
　　1．分散性
　　
　　分布式FCS系統(tǒng)比DCS系統(tǒng)更好地體現(xiàn)了“信息集中，控制分散”的思想。同傳統(tǒng)的DCS相比，F(xiàn)CS體現(xiàn)了更*的分散性。它可以由現(xiàn)場設備組成自治的控制回路。現(xiàn)場控制設備具有高度的智能化與功能自主性，可以完成絕大多數(shù)的基本控制功能，并可以隨時診斷設備的運行情況。DCS僅僅實現(xiàn)了控制站層次的控制分散化，而FCS則實現(xiàn)了現(xiàn)場控制設備層次的控制分散化。
　　
　　2．可靠性
　　
　　同DCS相比，F(xiàn)CS的安全柵、隔離器、端子柜、I／O模件、現(xiàn)場電纜和接線端子的數(shù)量大大減少，因此，由于設備或接線故障所造成的停機機率大大減少；FCS中的現(xiàn)場信號采用數(shù)字傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗*力。FCS的結構比DCS簡化，有的省略了DCS中控制站這一層，操作站直接與現(xiàn)場儀表相連。這些因素均使FCS的可靠性得到提高。
　　
　　3．性
　　
　　引入現(xiàn)場總線可消除模擬通信方式中數(shù)據(jù)傳輸時產(chǎn)生的誤差，提高傳輸精度。模擬通信方式中產(chǎn)生誤差的原因有以下三個：輸入通道中A／D轉換產(chǎn)生誤差、模擬信號傳輸產(chǎn)生誤差和輸出通道中D／A轉換產(chǎn)生誤差。使用現(xiàn)場總線，可以消除轉換誤差和傳輸誤差。現(xiàn)場總線是用數(shù)字信號傳輸數(shù)據(jù)的，數(shù)字信號傳輸與模擬信號傳輸?shù)牟煌幵谟冢呵罢卟划a(chǎn)生信號傳輸過程中所帶來的誤差。現(xiàn)場總線中的數(shù)據(jù)以數(shù)字狀態(tài)傳送，不需要A／D、D／A轉換，因此，也不會產(chǎn)生轉換誤差。引入現(xiàn)場總線，就消除了上述三個誤差，提高了傳送精度。
　　
　　另外，F(xiàn)CS采用*的分散控制方式，控制任務分別由不同的現(xiàn)場總線設備中的微處理機同時執(zhí)行，實現(xiàn)了控制回路之間的并行分布式處理，其控制速度可以比DCS提高2~10倍，能夠達到更高的控制精度和控制速度。
　　
　　4．開放性
　　
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有開放性。對相關標準具有一致性、公開性，強調對標準的共識與遵從。通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設備之間可實現(xiàn)信息交換，通過現(xiàn)場總線可構筑自動化領域的開放互統(tǒng)。開放性決定了它具有互操作性和互用性。互操作性指互聯(lián)設備間、系統(tǒng)間信息的傳送與溝通；而互用則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設備可實現(xiàn)相互替換。作為工廠網(wǎng)絡底層的現(xiàn)場總線還對環(huán)境有較強地適應性，具有較強的抗*力。
　　
　　5．經(jīng)濟性
　　
　　由于FCS體系結構上的改變，F(xiàn)CS比DCS更節(jié)約硬件設備。使用FCS可以大量地減少安全柵、隔離器、I／O模件、現(xiàn)場電纜和接線端子，這樣就節(jié)省了I／O裝置以及安裝這些裝置的機柜和空間，同時大大地減少了安裝費用。
　　
　　采用現(xiàn)場總線技術，可以實現(xiàn)多儀表互聯(lián)、多變量檢測和多變量傳送，這樣就可以減少現(xiàn)場設備的數(shù)量，降低控制系統(tǒng)的造價。
　　
　　6．維修性
　　
　　FCS的可維修性要大大優(yōu)于DCS。DCS的故障診斷系統(tǒng)的診斷范圍僅能達到I／O模件級，在DCS中幾乎*無法了解現(xiàn)場設備的工作情況；而FCS的故障診斷范圍卻可以達到現(xiàn)場設備級，在FCS中，技術人員在工程師站上就可以了解所有現(xiàn)場設備的工作狀態(tài)，調整零點和量程，查閱產(chǎn)品型號、技術規(guī)范、制造廠，以及安裝和維修記錄等。從某種意義上說，F(xiàn)CS*消除了DCS的“現(xiàn)場盲區(qū)”，顯著提高了控制系統(tǒng)的可維修性。
　　
　　（二）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是企業(yè)信息集成化的需要
　　
　　中國加入WTO之后，企業(yè)將加入經(jīng)濟大循環(huán)，并面臨更加激烈的市場競爭。企業(yè)要在瞬息萬變的市場風云中站穩(wěn)腳跟，就必須重視信息集成技術。企業(yè)信息的組成中不僅需要位于頂層的市場信息、位于中層的管理信息和監(jiān)控信息，而且需要位于底層的現(xiàn)場信息。目前廣泛應用的DCS不能有效地獲取現(xiàn)場信息，業(yè)已成為企業(yè)實現(xiàn)信息集成的障礙。隨著網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，分散控制系統(tǒng)的上層將與互聯(lián)網(wǎng)Internet融合在一起，而下層將采用現(xiàn)場總線通信技術，使通信網(wǎng)絡延伸到現(xiàn)場。zui終實現(xiàn)以廣域網(wǎng)為基礎的互聯(lián)網(wǎng)Internet、以局域網(wǎng)為基礎的企業(yè)網(wǎng)Intranet和以現(xiàn)場總線為基礎的底層網(wǎng)Infranet所構成的三網(wǎng)融合的網(wǎng)絡架構。依托這樣一個網(wǎng)絡架構，企業(yè)所需要的市場信息、管理信息、監(jiān)控信息和現(xiàn)場信息就能夠更有效地集成在一起。
　　
　　（三）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是企業(yè)管理現(xiàn)代化的需要
　　
　　企業(yè)管理現(xiàn)代化包含了相當豐富的內容，它不僅需要人事管理、財務管理、生產(chǎn)管理，而且需要設備管理、運行管理、檢修管理等。后面的這些管理工作需要大量的現(xiàn)場信息，遺憾的是，DCS并不能提供這些信息。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)能夠將大量的現(xiàn)場信息存儲在現(xiàn)場設備中，這些信息可以包括各種運行檢修記錄、設備調整記錄、環(huán)境參數(shù)記錄，甚至還可以將傳感器的安裝位置和裝卸注意事項均記錄在案。毫無疑問，這將大大提高現(xiàn)場設備的管理水平，為實現(xiàn)設備的狀態(tài)檢修，減少備品備件和實行全面質量管理奠定必要的基礎。
　　
　　（四）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是企業(yè)綜合自動化的需要
　　
　　企業(yè)的綜合自動化包含三方面的內容：即基礎自動化、管理自動化和決策自動化。過去我們對于基礎自動化給予了較多的關注，管理自動化仍然停留在較窄的范圍內和較低的水平上，而決策自動化則幾乎是空白的。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，促進了現(xiàn)場信息、監(jiān)控信息、管理信息和市場信息的融合、交流與互動。使基礎自動化、管理自動化和決策自動化有機地結合在一起，實現(xiàn)三者的無縫集成（SeamlessIntegration）。它可以更好地實現(xiàn)企業(yè)的優(yōu)化運行和*調度，并且能在更大的范圍內支持企業(yè)的正確決策，給企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。顯然，現(xiàn)場總線通信技術是提高基礎自動化水平，實現(xiàn)企業(yè)綜合自動化的關鍵技術。
　　
　　四、電廠熱工過程控制系統(tǒng)的特點
　　
　　電廠熱工過程是一個包含了燃料的化學能到蒸汽的熱能，以及蒸汽的熱能到汽輪機的機械能的高度復雜的過程，其控制系統(tǒng)同一般的過程控制系統(tǒng)相比，主要特點如下。
　　
　　1．高度復雜的過程控制系統(tǒng)
　　
　　電廠熱工過程控制系統(tǒng)的高度復雜性決定了它必須采用分級分布式的控制體系、分解與協(xié)調的控制思想。鍋爐與汽輪機主控系統(tǒng)之間、鍋爐各子系統(tǒng)或汽輪機各子系統(tǒng)之間、各子系統(tǒng)中的控制回路之間均需要復雜的協(xié)調控制功能。
　　
　　2．開關量控制與模擬量控制密切相關
　　
　　在電廠熱工過程控制系統(tǒng)中，開關量控制系統(tǒng)與模擬量控制系統(tǒng)之間的關系十分密切，幾乎所有的模擬量控制系統(tǒng)都不可避免地包含開關量的控制。同樣，開關量控制系統(tǒng)也或多或少地包含一些模擬量的檢測或控制。
　　
　　3．高速開關量與模擬量控制系統(tǒng)
　　
　　在電廠的某些熱工過程控制系統(tǒng)中需要高速的開關量或模擬量控制系統(tǒng)。例如：事件順序記錄系統(tǒng)（SOE）、汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）等。前者需要1ms的分辨率，后者需要1Oms左右的控制周期，這些都對控制系統(tǒng)提出了很高的要求。
　　
　　4．高可靠性的控制系統(tǒng)
　　
　　發(fā)電廠是一個連續(xù)的生產(chǎn)過程，需要高可靠性的控制系統(tǒng)，特別是機組的保護系統(tǒng)，經(jīng)常采用1:1或3取2的冗余系統(tǒng)才能滿足系統(tǒng)的可靠性要求。
　　
　　五、電廠應用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的障礙
　　
　　盡管現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)存在著諸多的優(yōu)點，但目前它在電廠中的應用，特別是在大型機組中的應用尚存在著下面一些障礙。
　　
　　1．標準的統(tǒng)一
　　
　　通信技術是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的核心技術，采用統(tǒng)一的標準無疑是用戶的期望，也是正確的選擇。雖然電工委員會已經(jīng)公布了現(xiàn)場總線的標準IEC61158，但是，該標準包含了8種現(xiàn)場總線，它不是一個統(tǒng)一的標準，這就給用戶選擇現(xiàn)場總線帶來了困難。
　　
　　2．復雜系統(tǒng)的協(xié)調控制
　　
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場設備可以實現(xiàn)基本的控制功能，但復雜系統(tǒng)的協(xié)調控制如何實現(xiàn)仍然是需要考慮的問題。在兩層結構的FCS系統(tǒng)中，協(xié)調控制只能在過程控制接口卡（PCI）中實現(xiàn)。然而，部分現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的PCI卡不能完成控制功能。即使PCI卡能夠實現(xiàn)控制功能，人們仍然對它的可靠性有所擔憂。
　　
　　3．開關量系統(tǒng)與模擬量系統(tǒng)的融合
　　
　　目前現(xiàn)場總線設備大都實現(xiàn)模擬量控制功能，雖然一些公司已開發(fā)出具有開關量控制功能的現(xiàn)場總線設備，但是，要在一個現(xiàn)場總線設備中同時實現(xiàn)兩種控制功能仍十分困難。
　　
　　4．高速開關量與模擬量控制系統(tǒng)
　　
　　目前大多數(shù)的現(xiàn)場總線設備不能實現(xiàn)電廠所需要的高速開關量與模擬量控制系統(tǒng)，這些控制系統(tǒng)仍然沿用傳統(tǒng)的控制器。
　　
　　5．現(xiàn)場總線物理層的冗余
　　
　　目前，連接現(xiàn)場總線設備的底層現(xiàn)場總線不能冗余。人們對底層現(xiàn)場總線的可靠性持懷疑態(tài)度。這種情況在電廠中尤為嚴重。
　　
　　6．缺少電廠的現(xiàn)場總線設備
　　
　　雖然，現(xiàn)場總線的系列產(chǎn)品以及高的速度不斷推出，例如，經(jīng)過現(xiàn)場總線基金會FF認證的現(xiàn)場總線設備已經(jīng)接近百種，但某些電廠的現(xiàn)場總線設備仍然沒有合適的產(chǎn)品。
　　
　　六、可能的解決方案
　　
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)作為一種新的控制系統(tǒng)體系結構，正處于發(fā)展完善階段。雖然電廠熱工過程控制系統(tǒng)的特殊性，對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)提出了一些特殊的要求，這些要求不難通過現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的進一步開發(fā)和研究逐步得到解決。
　　
　　關于系統(tǒng)的協(xié)調控制問題，可以通過設置位于中層的控制器來實現(xiàn)，也就是采用三層結構的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)；另外，由DCS擴展而成的FCS自然可以通過原有的控制器來實現(xiàn)協(xié)調控制功能。
　　
　　現(xiàn)在已經(jīng)有一些公司開發(fā)出具有邏輯控制功能的現(xiàn)場總線設備，或者是在現(xiàn)有的可編程邏輯控制器上增加現(xiàn)場總線接口，以解決開關量與模擬量的混合控制問題。
　　
　　目前，雖然還沒有可以用于SOE和DEH的高速開關量與模擬量控制系統(tǒng)，但是具有毫秒級時間同步的現(xiàn)場總線技術已經(jīng)成熟，這類產(chǎn)品的出現(xiàn)可以說是指日可待。
　　
　　關于現(xiàn)場總線物理層的冗余問題，現(xiàn)在已經(jīng)列入研發(fā)計劃，不久的將來就會出現(xiàn)一系列具有冗余現(xiàn)場總線的現(xiàn)場控制設備，屆時，關于現(xiàn)場總線可靠性的擔憂就不復存在了。
　　
　　總之，隨著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)研究和開發(fā)工作的不斷深入，各種各樣的現(xiàn)場總線設備會不斷涌現(xiàn)，必將會逐步滿足電廠自動化的全部需要。
　　
　　七、結束語
　　
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)作為新一代的控制系統(tǒng)，正在我國的工業(yè)過程控制中逐漸得到推廣應用，其控制領域和控制規(guī)模正在不斷擴大。目前，在我國的望亭、鞍山、椰里、珞磺、來賓、軍糧城、霍平、嶺奧等十幾個電廠中都已經(jīng)采用了現(xiàn)場總線技術。zui近，全國zui大的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)工程已經(jīng)在株州冶煉廠啟動，系統(tǒng)總的I／O點數(shù)達到1765點，控制回路98個，11塊H1卡，13個工作站和4個控制器。可以預言，隨著現(xiàn)場總線技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)必將成為21世紀工業(yè)過程控制系統(tǒng)的主流。