摘要：现场总线控制系统在工业领域的应用是一个新的开始，随着各种传感器，变送器的出现，一种新型的现场总线控制系统开始了一个新纪元。文章主要介绍该FCS的原理，特点及在电厂中的应用。
一、引言
随着控制技术、计算机技术和通信技术的飞速发展，数字化作为一种趋势正从工业生产过程的决策层、管理层、监控层和控制层一直渗透到现场设备。现场总线的出现，使数字通信技术迅速占领工业过程控制系统中模拟量信号的zui后一块领地。一种全数字化的、全开放式的、可互操作的新型控制系统——
现场总线控制系统正在向我们走来。现场总线控制系统的出现代表了工业自动化领域中一个新纪元的开始，并将对该领域的发展产生深远的影响。
50年前，过程控制系统采用3~15psi的气动信号标准，即所谓的*代过程控制体系结构（PCS）。到了60年代，4~20mA模拟信号的广泛应用，促成了第二代过程控制体系结构（ACS）。70年代前后，数字计算机进入过程控制领域，出现了集中控制，即第三代过程控制体系结构（CCS）。进入80年代后，由于微处理机的广泛应用而产生了分散控制系统，即第四代过程控制体系结构（DCS）。目前在工业生产中广泛应用的
DCS系统采用了分散式的体系结构，型的网络支撑和模拟式的现场信号。尽管它克服了CCS系统结构复杂、可靠性和实时性差等缺点，但由于其通信网络的封闭性和现场模拟信号传输的局限性，使得人们不得不重新审视DCS体系结构的合理性。随着各种智能传感器、变送器和执行器的出现，数字化到现场、控制功能到现场、设备管理到现场的呼声日益增高，一种新的过程控制系统体系结构——现场总线控制系统FCS已经呈现在我们面前。
二、现场总线控制系统的分类
现场总线控制系统作为第五代过程控制体系结构目前还处在发展骱段，各种不同的现场总线控制系统层出不穷，其系统结构形态各异，有的是按照现场总线体系结构的概念设计的新型控制系统，有的是在现有的DCS系统上扩充了现场总线的功能。为了便于讨论，我们将重点放在监控级、控制级和现场级。监控级之上的管理级、决策级等不予考虑。因此我们可以把FCS分为三类：一类是由现场设备和人机接口组成的两层结构的FCS；另一类是由现场设备、控制站和人机接口组成的三层结构的FCS；还有一类是由DCS扩充了现场总线接口模件所构成的FCS。
1．具有两层结构的FCS
具有两层结构的FCS如图1所示。它是由现场设备和人机接口两部分组成的。现场设备包括符合现场总线通信协议的各种智能仪表。例如，现场总线变送器、转换器、执行器和分析仪表等。由于系统中没有单独的控制器，系统的控制功能全部由现场设备完成。例如，常规的P1D控制算法可以在现场总线变送器或执行器中实现。人机接口设备一般有运行员操作站和工程师工作站。运行员操作站或工程师工作站通过位于机内的现场总线接口卡和现场总线与现场设备交换信息，人机接口之间的或与更高层设备之间的信息交换，通过高速以太网HSE实现。高速以太网上还可以连接需要高速通信的现场设备，例如可编程逻辑控制器PLC等。低速现场总线还可以通过网关连接到高速现场总线上，通过高速现场总线与人机接口设备或其他高层设备交换信息。
这种现场总线控制系统的结构适合于控制规模相对较小、控制回路相对独立、不需要复杂协调控制功能的生产过程。在这种情况下，由现场设备所提供的控制功能即可以满足要求。因此在系统结构上取消了传统意义上的控制站，控制站的控制功能下放到现场，简化了系统结构。但带来的问题是不便于处理控制回路之间的协调问题，一种解决办法是将协调控制功能放在运行员操作站或者其他高层计算机上实现；另一种解决办法是在现场总线接口卡上实现部分协调控制功能。
2．具有三层结构的FCS
具有三层结构的FCS如图2所示。它由现场设备、控制站和人机接口三层所组成。其中现场设备包括各种符合现场总线通信协议的智能传感器、变送器、执行器、转换器和分析仪表等；控制站可以完成基本控制功能或协调控制功能，执行各种控制算法；人机接口包括：运行员操作站和工程师工作站，主要用于生产过程的监控以及控制系统的组态、维护和检修。系统中其余各部分的功能同前所述，故不赘述。
这种现场总线控制系统的结构虽然保留了控制站，但控制站所实现的功能与传统DCS有很大区别。在传统的DCS中，所有的控制功能，无论是基本控制回路的PID运算，还是控制回路之间的协调控制功能均由控制站实现。但在FCS中，低层的基本控制功能一般是由现场设备实现的，控制站仅完成协调控制或其他控制功能。当然，如有必要，控制站本身是*可以实现基本控制功能的。这样就可以让用户有更加灵活的选择。具有三层结构的FCS适合用于比较复杂的工业生产过程，特别是那些控制回路之间关联密切、需要协调控制功能的生产过程，以及需要特殊控制功能的生产过程。
3．由DCS扩充而成的现场总线控制系统 现场总线作为一种*的现场数据传输技术正在渗透到新兴产业中的各个领域。DCS系统的制造商同样也在利用这一技术改进现有的DCS系统，他们在DCS系统的I／0总线上挂接现场总线接口模件，通过现场总线接口模件扩展出若干条现场总线，然后经现场总线与现场智能设备相连。如图3所示。
这种现场总线控制系统是由DCS演变而来的。因此，不可避免地保留了DCS的某些特征。例如I／O总线和高层通信网络可能是DCS制造商的专有通信协议，系统开放性要差一些。现场总线装置的组态可能需要特殊的组态设备和组态软件，也就是说不能在DCS原有的工程师工作站上对现场设备进行组态等。这种类型的系统比较适合于在用户已有的DCS系统中进一步扩展应用现场总线技术，或者改造现有DCS系统中的模拟量I／O，提高系统的整体性能和现场设备的维护管理水平。
三、电厂应用现场总线控制系统的动力
现场总线控制系统是一种全数字化的控制系统，它的应用将使电厂自动化进入一个崭新的时代。我们不难通过现场总线控制系统特点看到它巨大的应用潜力，以及对企业自动化进程的巨大推动作用。
（一）现场总线控制系统的特点
1．分散性
分布式FCS系统比DCS系统更好地体现了“信息集中，控制分散”的思想。同传统的DCS相比，FCS体现了更*的分散性。它可以由现场设备组成自治的控制回路。现场控制设备具有高度的智能化与功能自主性，可以完成绝大多数的基本控制功能，并可以随时诊断设备的运行情况。DCS仅仅实现了控制站层次的控制分散化，而FCS则实现了现场控制设备层次的控制分散化。
2．可靠性
同DCS相比，FCS的安全栅、隔离器、端子柜、I／O模件、现场电缆和接线端子的数量大大减少，因此，由于设备或接线故障所造成的停机机率大大减少；FCS中的现场信号采用数字传输，大大提高了系统的抗*力。FCS的结构比DCS简化，有的省略了DCS中控制站这一层，操作站直接与现场仪表相连。这些因素均使FCS的可靠性得到提高。
3．性
引入现场总线可消除模拟通信方式中数据传输时产生的误差，提高传输精度。模拟通信方式中产生误差的原因有以下三个：输入通道中A／D转换产生误差、模拟信号传输产生误差和输出通道中D／A转换产生误差。使用现场总线，可以消除转换误差和传输误差。现场总线是用数字信号传输数据的，数字信号传输与模拟信号传输的不同之处在于：前者不产生信号传输过程中所带来的误差。现场总线中的数据以数字状态传送，不需要A／D、D／A转换，因此，也不会产生转换误差。引入现场总线，就消除了上述三个误差，提高了传送精度。
另外，FCS采用*的分散控制方式，控制任务分别由不同的现场总线设备中的微处理机同时执行，实现了控制回路之间的并行分布式处理，其控制速度可以比DCS提高2~10倍，能够达到更高的控制精度和控制速度。
4．开放性
现场总线控制系统具有开放性。对相关标准具有一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换，通过现场总线可构筑自动化领域的开放互统。开放性决定了它具有互操作性和互用性。互操作性指互联设备间、系统间信息的传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。作为工厂网络底层的现场总线还对环境有较强地适应性，具有较强的抗*力。
5．经济性
由于FCS体系结构上的改变，FCS比DCS更节约硬件设备。使用FCS可以大量地减少安全栅、隔离器、I／O模件、现场电缆和接线端子，这样就节省了I／O装置以及安装这些装置的机柜和空间，同时大大地减少了安装费用。
采用现场总线技术，可以实现多仪表互联、多变量检测和多变量传送，这样就可以减少现场设备的数量，降低控制系统的造价。
6．维修性
FCS的可维修性要大大优于DCS。DCS的故障诊断系统的诊断范围仅能达到I／O模件级，在DCS中几乎*无法了解现场设备的工作情况；而FCS的故障诊断范围却可以达到现场设备级，在FCS中，技术人员在工程师站上就可以了解所有现场设备的工作状态，调整零点和量程，查阅产品型号、技术规范、制造厂，以及安装和维修记录等。从某种意义上说，FCS*消除了DCS的“现场盲区”，显著提高了控制系统的可维修性。
（二）现场总线控制系统是企业信息集成化的需要
中国加入WTO之后，企业将加入经济大循环，并面临更加激烈的市场竞争。企业要在瞬息万变的市场风云中站稳脚跟，就必须重视信息集成技术。企业信息的组成中不仅需要位于顶层的市场信息、位于中层的管理信息和监控信息，而且需要位于底层的现场信息。目前广泛应用的DCS不能有效地获取现场信息，业已成为企业实现信息集成的障碍。随着网络技术的不断发展，分散控制系统的上层将与互联网Internet融合在一起，而下层将采用现场总线通信技术，使通信网络延伸到现场。zui终实现以广域网为基础的互联网Internet、以局域网为基础的企业网Intranet和以现场总线为基础的底层网Infranet所构成的三网融合的网络架构。依托这样一个网络架构，企业所需要的市场信息、管理信息、监控信息和现场信息就能够更有效地集成在一起。
（三）现场总线控制系统是企业管理现代化的需要
企业管理现代化包含了相当丰富的内容，它不仅需要人事管理、财务管理、生产管理，而且需要设备管理、运行管理、检修管理等。后面的这些管理工作需要大量的现场信息，遗憾的是，DCS并不能提供这些信息。现场总线控制系统能够将大量的现场信息存储在现场设备中，这些信息可以包括各种运行检修记录、设备调整记录、环境参数记录，甚至还可以将传感器的安装位置和装卸注意事项均记录在案。毫无疑问，这将大大提高现场设备的管理水平，为实现设备的状态检修，减少备品备件和实行全面质量管理奠定必要的基础。
（四）现场总线控制系统是企业综合自动化的需要
企业的综合自动化包含三方面的内容：即基础自动化、管理自动化和决策自动化。过去我们对于基础自动化给予了较多的关注，管理自动化仍然停留在较窄的范围内和较低的水平上，而决策自动化则几乎是空白的。现场总线控制系统的出现，促进了现场信息、监控信息、管理信息和市场信息的融合、交流与互动。使基础自动化、管理自动化和决策自动化有机地结合在一起，实现三者的无缝集成（SeamlessIntegration）。它可以更好地实现企业的优化运行和*调度，并且能在更大的范围内支持企业的正确决策，给企业创造更多的经济效益。显然，现场总线通信技术是提高基础自动化水平，实现企业综合自动化的关键技术。
四、电厂热工过程控制系统的特点
电厂热工过程是一个包含了燃料的化学能到蒸汽的热能，以及蒸汽的热能到汽轮机的机械能的高度复杂的过程，其控制系统同一般的过程控制系统相比，主要特点如下。
1．高度复杂的过程控制系统
电厂热工过程控制系统的高度复杂性决定了它必须采用分级分布式的控制体系、分解与协调的控制思想。锅炉与汽轮机主控系统之间、锅炉各子系统或汽轮机各子系统之间、各子系统中的控制回路之间均需要复杂的协调控制功能。
2．开关量控制与模拟量控制密切相关
在电厂热工过程控制系统中，开关量控制系统与模拟量控制系统之间的关系十分密切，几乎所有的模拟量控制系统都不可避免地包含开关量的控制。同样，开关量控制系统也或多或少地包含一些模拟量的检测或控制。
3．高速开关量与模拟量控制系统
在电厂的某些热工过程控制系统中需要高速的开关量或模拟量控制系统。例如：事件顺序记录系统（SOE）、汽轮机数字电液控制系统（DEH）等。前者需要1ms的分辨率，后者需要1Oms左右的控制周期，这些都对控制系统提出了很高的要求。
4．高可靠性的控制系统
发电厂是一个连续的生产过程，需要高可靠性的控制系统，特别是机组的保护系统，经常采用1:1或3取2的冗余系统才能满足系统的可靠性要求。
五、电厂应用现场总线控制系统的障碍
尽管现场总线控制系统存在着诸多的优点，但目前它在电厂中的应用，特别是在大型机组中的应用尚存在着下面一些障碍。
1．标准的统一
通信技术是现场总线控制系统的核心技术，采用统一的标准无疑是用户的期望，也是正确的选择。虽然电工委员会已经公布了现场总线的标准IEC61158，但是，该标准包含了8种现场总线，它不是一个统一的标准，这就给用户选择现场总线带来了困难。
2．复杂系统的协调控制
现场总线控制系统中的现场设备可以实现基本的控制功能，但复杂系统的协调控制如何实现仍然是需要考虑的问题。在两层结构的FCS系统中，协调控制只能在过程控制接口卡（PCI）中实现。然而，部分现场总线控制系统中的PCI卡不能完成控制功能。即使PCI卡能够实现控制功能，人们仍然对它的可靠性有所担忧。
3．开关量系统与模拟量系统的融合
目前现场总线设备大都实现模拟量控制功能，虽然一些公司已开发出具有开关量控制功能的现场总线设备，但是，要在一个现场总线设备中同时实现两种控制功能仍十分困难。
4．高速开关量与模拟量控制系统
目前大多数的现场总线设备不能实现电厂所需要的高速开关量与模拟量控制系统，这些控制系统仍然沿用传统的控制器。
5．现场总线物理层的冗余
目前，连接现场总线设备的底层现场总线不能冗余。人们对底层现场总线的可靠性持怀疑态度。这种情况在电厂中尤为严重。
6．缺少电厂的现场总线设备
虽然，现场总线的系列产品以及高的速度不断推出，例如，经过现场总线基金会FF认证的现场总线设备已经接近百种，但某些电厂的现场总线设备仍然没有合适的产品。
六、可能的解决方案
现场总线控制系统作为一种新的控制系统体系结构，正处于发展完善阶段。虽然电厂热工过程控制系统的特殊性，对现场总线控制系统提出了一些特殊的要求，这些要求不难通过现场总线控制系统的进一步开发和研究逐步得到解决。
关于系统的协调控制问题，可以通过设置位于中层的控制器来实现，也就是采用三层结构的现场总线控制系统；另外，由DCS扩展而成的FCS自然可以通过原有的控制器来实现协调控制功能。
现在已经有一些公司开发出具有逻辑控制功能的现场总线设备，或者是在现有的可编程逻辑控制器上增加现场总线接口，以解决开关量与模拟量的混合控制问题。
目前，虽然还没有可以用于SOE和DEH的高速开关量与模拟量控制系统，但是具有毫秒级时间同步的现场总线技术已经成熟，这类产品的出现可以说是指日可待。
关于现场总线物理层的冗余问题，现在已经列入研发计划，不久的将来就会出现一系列具有冗余现场总线的现场控制设备，届时，关于现场总线可靠性的担忧就不复存在了。
总之，随着现场总线控制系统研究和开发工作的不断深入，各种各样的现场总线设备会不断涌现，必将会逐步满足电厂自动化的全部需要。
七、结束语
现场总线控制系统作为新一代的控制系统，正在我国的工业过程控制中逐渐得到推广应用，其控制领域和控制规模正在不断扩大。目前，在我国的望亭、鞍山、椰里、珞磺、来宾、军粮城、霍平、岭奥等十几个电厂中都已经采用了现场总线技术。zui近，全国zui大的现场总线控制系统工程已经在株州冶炼厂启动，系统总的I／O点数达到1765点，控制回路98个，11块H1卡，13个工作站和4个控制器。可以预言，随着现场总线技术的不断发展，现场总线控制系统必将成为21世纪工业过程控制系统的主流。
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