摘要：現場總線控制系統在工業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，一種新型的現場總線控制系統開始了一個新紀元。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展，數字化作為一種趨勢正從工業生產過程的決策層、管理層、監控層和控制層一直滲透到現場設備?，F場總線的出現，使數字通信技術迅速占領工業過程控制系統中模擬量信號的zui后一塊領地。一種全數字化的、全開放式的、可互操作的新型控制系統——現場總線控制系統正在向我們走來?，F場總線控制系統的出現代表了工業自動化領域中一個新紀元的開始，并將對該領域的發展產生深遠的影響。
　　
　　50年前，過程控制系統采用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，數字計算機進入過程控制領域，出現了集中控制，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生了分散控制系統，即第四代過程控制體系結構（DCS）。目前在工業生產中廣泛應用的DCS系統采用了分散式的體系結構，型的網絡支撐和模擬式的現場信號。盡管它克服了CCS系統結構復雜、可靠性和實時性差等缺點，但由于其通信網絡的封閉性和現場模擬信號傳輸的局限性，使得人們不得不重新審視DCS體系結構的合理性。隨著各種智能傳感器、變送器和執行器的出現，數字化到現場、控制功能到現場、設備管理到現場的呼聲日益增高，一種新的過程控制系統體系結構——現場總線控制系統FCS已經呈現在我們面前。
　　
　　二、現場總線控制系統的分類
　　
　　現場總線控制系統作為第五代過程控制體系結構目前還處在發展骱段，各種不同的現場總線控制系統層出不窮，其系統結構形態各異，有的是按照現場總線體系結構的概念設計的新型控制系統，有的是在現有的DCS系統上擴充了現場總線的功能。為了便于討論，我們將重點放在監控級、控制級和現場級。監控級之上的管理級、決策級等不予考慮。因此我們可以把FCS分為三類：一類是由現場設備和人機接口組成的兩層結構的FCS；另一類是由現場設備、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。它是由現場設備和人機接口兩部分組成的?，F場設備包括符合現場總線通信協議的各種智能儀表。例如，現場總線變送器、轉換器、執行器和分析儀表等。由于系統中沒有單獨的控制器，系統的控制功能全部由現場設備完成。例如，常規的P1D控制算法可以在現場總線變送器或執行器中實現。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場總線接口卡和現場總線與現場設備交換信息，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HSE實現。高速以太網上還可以連接需要高速通信的現場設備，例如可編程邏輯控制器PLC等。低速現場總線還可以通過網關連接到高速現場總線上，通過高速現場總線與人機接口設備或其他高層設備交換信息。　　
　　這種現場總線控制系統的結構適合于控制規模相對較小、控制回路相對獨立、不需要復雜協調控制功能的生產過程。在這種情況下，由現場設備所提供的控制功能即可以滿足要求。因此在系統結構上取消了傳統意義上的控制站，控制站的控制功能下放到現場，簡化了系統結構。但帶來的問題是不便于處理控制回路之間的協調問題，一種解決辦法是將協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；另一種解決辦法是在現場總線接口卡上實現部分協調控制功能。
　　
　　2．具有三層結構的FCS
　　
　　具有三層結構的FCS如圖2所示。它由現場設備、控制站和人機接口三層所組成。其中現場設備包括各種符合現場總線通信協議的智能傳感器、變送器、執行器、轉換器和分析儀表等；控制站可以完成基本控制功能或協調控制功能，執行各種控制算法；人機接口包括：運行員操作站和工程師工作站，主要用于生產過程的監控以及控制系統的組態、維護和檢修。系統中其余各部分的功能同前所述，故不贅述。
　　
　　這種現場總線控制系統的結構雖然保留了控制站，但控制站所實現的功能與傳統DCS有很大區別。在傳統的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調控制功能均由控制站實現。但在FCS中，低層的基本控制功能一般是由現場設備實現的，控制站僅完成協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生產過程，特別是那些控制回路之間關聯密切、需要協調控制功能的生產過程，以及需要特殊控制功能的生產過程。
　　
　　3．由DCS擴充而成的現場總線控制系統　　
　　現場總線作為一種*的現場數據傳輸技術正在滲透到新興產業中的各個領域。DCS系統的制造商同樣也在利用這一技術改進現有的DCS系統，他們在DCS系統的I／0總線上掛接現場總線接口模件，通過現場總線接口模件擴展出若干條現場總線，然后經現場總線與現場智能設備相連。如圖3所示。　　
　　這種現場總線控制系統是由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總線和高層通信網絡可能是DCS制造商的專有通信協議，系統開放性要差一些?，F場總線裝置的組態可能需要特殊的組態設備和組態軟件，也就是說不能在DCS原有的工程師工作站上對現場設備進行組態等。這種類型的系統比較適合于在用戶已有的DCS系統中進一步擴展應用現場總線技術，或者改造現有DCS系統中的模擬量I／O，提高系統的整體性能和現場設備的維護管理水平。
　　
　　三、電廠應用現場總線控制系統的動力
　　
　　現場總線控制系統是一種全數字化的控制系統，它的應用將使電廠自動化進入一個嶄新的時代。我們不難通過現場總線控制系統特點看到它巨大的應用潛力，以及對企業自動化進程的巨大推動作用。
　　
　　（一）現場總線控制系統的特點
　　
　　1．分散性
　　
　　分布式FCS系統比DCS系統更好地體現了“信息集中，控制分散”的思想。同傳統的DCS相比，FCS體現了更*的分散性。它可以由現場設備組成自治的控制回路。現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僅僅實現了控制站層次的控制分散化，而FCS則實現了現場控制設備層次的控制分散化。
　　
　　2．可靠性
　　
　　同DCS相比，FCS的安全柵、隔離器、端子柜、I／O模件、現場電纜和接線端子的數量大大減少，因此，由于設備或接線故障所造成的停機機率大大減少；FCS中的現場信號采用數字傳輸，大大提高了系統的抗*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
　　
　　引入現場總線可消除模擬通信方式中數據傳輸時產生的誤差，提高傳輸精度。模擬通信方式中產生誤差的原因有以下三個：輸入通道中A／D轉換產生誤差、模擬信號傳輸產生誤差和輸出通道中D／A轉換產生誤差。使用現場總線，可以消除轉換誤差和傳輸誤差。現場總線是用數字信號傳輸數據的，數字信號傳輸與模擬信號傳輸的不同之處在于：前者不產生信號傳輸過程中所帶來的誤差?，F場總線中的數據以數字狀態傳送，不需要A／D、D／A轉換，因此，也不會產生轉換誤差。引入現場總線，就消除了上述三個誤差，提高了傳送精度。
　　
　　另外，FCS采用*的分散控制方式，控制任務分別由不同的現場總線設備中的微處理機同時執行，實現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
　　
　　現場總線控制系統具有開放性。對相關標準具有一致性、公開性，強調對標準的共識與遵從。通信協議一致公開，各不同廠家的設備之間可實現信息交換，通過現場總線可構筑自動化領域的開放互統。開放性決定了它具有互操作性和互用性。互操作性指互聯設備間、系統間信息的傳送與溝通；而互用則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可實現相互替換。作為工廠網絡底層的現場總線還對環境有較強地適應性，具有較強的抗*力。
　　
　　5．經濟性
　　
　　由于FCS體系結構上的改變，FCS比DCS更節約硬件設備。使用FCS可以大量地減少安全柵、隔離器、I／O模件、現場電纜和接線端子，這樣就節省了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。
　　
　　采用現場總線技術，可以實現多儀表互聯、多變量檢測和多變量傳送，這樣就可以減少現場設備的數量，降低控制系統的造價。
　　
　　6．維修性
　　
　　FCS的可維修性要大大優于DCS。DCS的故障診斷系統的診斷范圍僅能達到I／O模件級，在DCS中幾乎*無法了解現場設備的工作情況；而FCS的故障診斷范圍卻可以達到現場設備級，在FCS中，技術人員在工程師站上就可以了解所有現場設備的工作狀態，調整零點和量程，查閱產品型號、技術規范、制造廠，以及安裝和維修記錄等。從某種意義上說，FCS*消除了DCS的“現場盲區”，顯著提高了控制系統的可維修性。
　　
　?。ǘ┈F場總線控制系統是企業信息集成化的需要
　　
　　中國加入WTO之后，企業將加入經濟大循環，并面臨更加激烈的市場競爭。企業要在瞬息萬變的市場風云中站穩腳跟，就必須重視信息集成技術。企業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控信息，而且需要位于底層的現場信息。目前廣泛應用的DCS不能有效地獲取現場信息，業已成為企業實現信息集成的障礙。隨著網絡技術的不斷發展，分散控制系統的上層將與互聯網Internet融合在一起，而下層將采用現場總線通信技術，使通信網絡延伸到現場。zui終實現以廣域網為基礎的互聯網Internet、以局域網為基礎的企業網Intranet和以現場總線為基礎的底層網Infranet所構成的三網融合的網絡架構。依托這樣一個網絡架構，企業所需要的市場信息、管理信息、監控信息和現場信息就能夠更有效地集成在一起。
　　
　　（三）現場總線控制系統是企業管理現代化的需要
　　
　　企業管理現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場信息，遺憾的是，DCS并不能提供這些信息?，F場總線控制系統能夠將大量的現場信息存儲在現場設備中，這些信息可以包括各種運行檢修記錄、設備調整記錄、環境參數記錄，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，這將大大提高現場設備的管理水平，為實現設備的狀態檢修，減少備品備件和實行全面質量管理奠定必要的基礎。
　　
　?。ㄋ模┈F場總線控制系統是企業綜合自動化的需要
　　
　　企業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?，F場總線控制系統的出現，促進了現場信息、監控信息、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，實現三者的無縫集成（SeamlessIntegration）。它可以更好地實現企業的優化運行和*調度，并且能在更大的范圍內支持企業的正確決策，給企業創造更多的經濟效益。顯然，現場總線通信技術是提高基礎自動化水平，實現企業綜合自動化的關鍵技術。
　　
　　四、電廠熱工過程控制系統的特點
　　
　　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，其控制系統同一般的過程控制系統相比，主要特點如下。
　　
　　1．高度復雜的過程控制系統
　　
　　電廠熱工過程控制系統的高度復雜性決定了它必須采用分級分布式的控制體系、分解與協調的控制思想。鍋爐與汽輪機主控系統之間、鍋爐各子系統或汽輪機各子系統之間、各子系統中的控制回路之間均需要復雜的協調控制功能。
　　
　　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中，開關量控制系統與模擬量控制系統之間的關系十分密切，幾乎所有的模擬量控制系統都不可避免地包含開關量的控制。同樣，開關量控制系統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
　　
　　在電廠的某些熱工過程控制系統中需要高速的開關量或模擬量控制系統。例如：事件順序記錄系統（SOE）、汽輪機數字電液控制系統（DEH）等。前者需要1ms的分辨率，后者需要1Oms左右的控制周期，這些都對控制系統提出了很高的要求。
　　
　　4．高可靠性的控制系統
　　
　　發電廠是一個連續的生產過程，需要高可靠性的控制系統，特別是機組的保護系統，經常采用1:1或3取2的冗余系統才能滿足系統的可靠性要求。
　　
　　五、電廠應用現場總線控制系統的障礙
　　
　　盡管現場總線控制系統存在著諸多的優點，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．標準的統一
　　
　　通信技術是現場總線控制系統的核心技術，采用統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公布了現場總線的標準IEC61158，但是，該標準包含了8種現場總線，它不是一個統一的標準，這就給用戶選擇現場總線帶來了困難。
　　
　　2．復雜系統的協調控制
　　
　　現場總線控制系統中的現場設備可以實現基本的控制功能，但復雜系統的協調控制如何實現仍然是需要考慮的問題。在兩層結構的FCS系統中，協調控制只能在過程控制接口卡（PCI）中實現。然而，部分現場總線控制系統中的PCI卡不能完成控制功能。即使PCI卡能夠實現控制功能，人們仍然對它的可靠性有所擔憂。
　　
　　3．開關量系統與模擬量系統的融合
　　
　　目前現場總線設備大都實現模擬量控制功能，雖然一些公司已開發出具有開關量控制功能的現場總線設備，但是，要在一個現場總線設備中同時實現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
　　
　　目前大多數的現場總線設備不能實現電廠所需要的高速開關量與模擬量控制系統，這些控制系統仍然沿用傳統的控制器。
　　
　　5．現場總線物理層的冗余
　　
　　目前，連接現場總線設備的底層現場總線不能冗余。人們對底層現場總線的可靠性持懷疑態度。這種情況在電廠中尤為嚴重。
　　
　　6．缺少電廠的現場總線設備
　　
　　雖然，現場總線的系列產品以及高的速度不斷推出，例如，經過現場總線基金會FF認證的現場總線設備已經接近百種，但某些電廠的現場總線設備仍然沒有合適的產品。
　　
　　六、可能的解決方案
　　
　　現場總線控制系統作為一種新的控制系統體系結構，正處于發展完善階段。雖然電廠熱工過程控制系統的特殊性，對現場總線控制系統提出了一些特殊的要求，這些要求不難通過現場總線控制系統的進一步開發和研究逐步得到解決。
　　
　　關于系統的協調控制問題，可以通過設置位于中層的控制器來實現，也就是采用三層結構的現場總線控制系統；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協調控制功能。
　　
　　現在已經有一些公司開發出具有邏輯控制功能的現場總線設備，或者是在現有的可編程邏輯控制器上增加現場總線接口，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，但是具有毫秒級時間同步的現場總線技術已經成熟，這類產品的出現可以說是指日可待。
　　
　　關于現場總線物理層的冗余問題，現在已經列入研發計劃，不久的將來就會出現一系列具有冗余現場總線的現場控制設備，屆時，關于現場總線可靠性的擔憂就不復存在了。
　　
　　總之，隨著現場總線控制系統研究和開發工作的不斷深入，各種各樣的現場總線設備會不斷涌現，必將會逐步滿足電廠自動化的全部需要。
　　
　　七、結束語
　　
　　現場總線控制系統作為新一代的控制系統，正在我國的工業過程控制中逐漸得到推廣應用，其控制領域和控制規模正在不斷擴大。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采用了現場總線技術。zui近，全國zui大的現場總線控制系統工程已經在株州冶煉廠啟動，系統總的I／O點數達到1765點，控制回路98個，11塊H1卡，13個工作站和4個控制器?？梢灶A言，隨著現場總線技術的不斷發展，現場總線控制系統必將成為21世紀工業過程控制系統的主流。