现场总线控制系统应用中存在的问题及对策

陈 卓

同济大学浙江学院，浙江 嘉兴 314051

0 引言

现场总线控制系统（FCS）是20世纪80年代中期发展起来的一种分布式控制系统。FCS在工业领域中有着极大的发展潜力，是目前自动化领域的热点之一，它的出现标志着控制领域一个新时代的开始。FCS采用的数字信号有别于传统的模拟信号，其数据传输具有更高的稳定性和可靠性，且在统一标准下可实现真正的互联互通。

1 FCS的特点

（1）兼容性和开放性。FCS遵循统一的技术标准，使不同厂家、不同品牌、不同地区生产的产品可作用于同一系统。同时，当系统中某一设备出现故障时，厂家可以在不同品牌中寻找更好的替代产品。系统具有开放性，使不同的厂家可利用自身的优势与其他厂家实现互联互通、优势互补，使系统得以优化，从而更加完善。

（2）可靠性。相较于模拟信号，FCS采用的数学通信模式提高了传输的抗干扰性和可靠性。FCS的在线诊断，可以及时发现问题并上报，从而提高数据传输的实时性和可靠性。FCS特有的分布式控制技术，使各控制器都下放到现场，操作更加简单，且当某一下位机发生故障时，不会影响其他设备的工作，从而提高整体系统的可靠性。

（3）适应性。大部分现场总线采用双线制，分别用于通信和供电。也就是说，系统在大多环境中都可运行。对于有电磁要求、气候温度恶劣、存在化工污染的各种环境，FCS都能较好地解决网络供电、本安防爆问题，具有较强的适应性。

2 FCS的具体应用

随着现代科技的不断发展，工业自动化水平在不断提高，FCS技术随之快速发展。在我国，FCS已应用于各个领域，如石油化工、冶金、制造、海洋工程，甚至花卉温室控制都可以看到FCS的身影。实践证明，积极采用FCS技术，对各行各业的发展具有重要作用。FCS具有良好的适应性，在各种环境中均可发挥作用，分布在现场的各个智能仪表，使其控制系统更易操作，且抗干扰能力更强。此外，FCS还能通过自诊断功能预防电磁干扰[1]。

2.1 FCS在海洋工程监控设备中的应用

海洋工程领域通常会遭遇海浪等恶劣环境，因此要求控制系统有较强的抗干扰能力，同时需要可以连接多台传感器，以保障系统运行的稳定性。FCS具有较强的适应性，通过多个节点连接控制器的现场总线技术可以满足相关要求。随着FCS的不断发展，其在海洋工程领域的应用将更加广泛[2]。某海洋平台控制系统结构图如图1所示。

图1 某海洋平台控制系统结构图

2.2 FCS在花卉温室控制中的应用

花卉的生长需要适宜的温度、光照和湿度，因此对温室的控制需要多种传感器，且需要现场数据的实时传输和统计，而FCS的数字通信和分布式控制，可以保证数据的精确度和传输统计的及时性。FCS技术促进了花卉养殖的数字化、自动化、规模化。现代农业的发展正逐步迈向自动化模式，FCS作为最新一代的控制系统，将成为温室控制应用的主流。某花卉温室控制系统结构图如图2所示。

图2 某花卉温室控制系统结构图

2.3 FCS在化工控制中的应用

化工生产往往处于高温、高压的恶劣环境中，这为自动控制系统带来挑战，而FCS技术的适应性较强，使系统在恶劣的环境中仍能正常工作。在化工生产中各种反应的瞬息万变，对控制精度和现场智能仪表控制的准确度均提出了较高的要求，FCS可以通过事先对设备参数进行设定及其在线诊断功能，从而快速了解外部干扰并作出相应的反馈，保障系统运行的稳定性。同时，针对化工生产的复杂性和特殊性，FCS可以控制分层[3]。某化工控制系统结构图如图3所示。

图3 某化工控制系统结构图

3 FCS在应用中存在的问题及对策

（1）价格昂贵。在我国，各领域采用FCS技术的规模较小，系统的优点没有完全展现出来，导致多数企业仍持观望态度。其根本原因在于，搭建FCS的设备都价值不菲，各种智能仪表更是非常昂贵，而且部分特殊行业的生产要求必须采用高精度的仪器；而我国专业生产此类仪器的企业相对较少，部分企业坐地起价，由此增加了企业的生产成本。为了使FCS得到更加广泛的应用，降低成本是当务之急。为此，相关部门可出台政策，控制仪器的价格或者给予特殊行业相关补贴。另外，研究人员可以研发一些进口仪器部件的替代品，以从根本上降低成本。此外，一个技术的发展离不开广泛的应用，需要更多从业人员的相关支持，因此需增强各行业对FCS的认识，使其了解现场总线技术的优势，从而促进FCS在我国相关领域的推广应用。

（2）标准难以统一。FCS可采用多种总线，如CAN总线、LonWorks总线、Profi bus总线、HART总线等，不同的总线所使用的智能仪表不同，而目前缺少统一的标准。而且，目前智能仪器的应用不理想，数量少，可选择的模块较少，只能进行简单的控制，无法实现复杂算法。相比集散控制系统（DCS），FCS还不够成熟，这是多数企业对FCS持观望态度的另一原因。FCS技术拥有统一的行业标准，有助于系统之间更好地实现互联互通。但是建立统一标准并非易事，需要在广泛的应用中寻找不同总线间的共性，而现有的现场总线的标准比较单一，不同总线与不同厂家生产的设备之间的联系仍然相当困难。不过，尽管总线之间的标准很难统一，但是同一仪器可以根据不同总线的要求进行功能选择。生产控制设备的企业可在控制成本的基础上，增加设备的可选择功能，或者直接基于买家提供的总线类型，根据仪器功能进行个性化定制。随着FCS技术的不断发展和改善，仪器与仪器之间、系统与系统之间，甚至不同企业、行业之间的联系将越来越紧密，建立统一的标准变得越来越重要，尽管在由DCS向FCS转变的过程中可能会出现中间过渡系统，但是FCS的发展势不可挡，将成为未来控制领域的主流。

（3）抗干扰能力弱。目前，大多数FCS采用双线制，用于通信的往往只有一条总线，导致整个系统存在较大的安全隐患。一旦总线出现故障，整个系统都会受到影响，甚至全盘崩溃，给企业带来巨大损失。对此，可针对总线本身增加冗余技术、选用光缆或其他材料，从物理层面预防故障的发生。同时，为了保障总线的安全性，可在系统中增加负反馈调节机制，当有扰动出现时，确保系统能尽快恢复至稳定状态；还可采用多条总线并联共同控制，当系统某部分发生故障时，不至于影响整个系统的工作状态，减少企业损失，但这会增加成本，为相关企业带来负担。

4 结束语

FCS是在PLC和DCS的基础上出现的一种新型控制系统，具有良好的兼容性、开放性、可靠性和适应性，应用广泛，且其发展和应用对各行各业有着至关重要的作用。无论是在自动控制领域、工业生产还是居民生活的各个方面，FCS技术都可应用其中，具有广阔的发展前景。