現場總線控制系統應用中存在的問題及對策

陳 卓

同濟大學浙江學院，浙江 嘉興 314051

0 引言

現場總線控制系統（FCS）是20世紀80年代中期發展起來的一種分布式控制系統。FCS在工業領域中有著極大的發展潛力，是目前自動化領域的熱點之一，它的出現標志著控制領域一個新時代的開始。FCS采用的數字信號有別于傳統的模擬信號，其數據傳輸具有更高的穩定性和可靠性，且在統一標準下可實現真正的互聯互通。

1 FCS的特點

（1）兼容性和開放性。FCS遵循統一的技術標準，使不同廠家、不同品牌、不同地區生產的產品可作用于同一系統。同時，當系統中某一設備出現故障時，廠家可以在不同品牌中尋找更好的替代產品。系統具有開放性，使不同的廠家可利用自身的優勢與其他廠家實現互聯互通、優勢互補，使系統得以優化，從而更加完善。

（2）可靠性。相較于模擬信號，FCS采用的數學通信模式提高了傳輸的抗干擾性和可靠性。FCS的在線診斷，可以及時發現問題并上報，從而提高數據傳輸的實時性和可靠性。FCS特有的分布式控制技術，使各控制器都下放到現場，操作更加簡單，且當某一下位機發生故障時，不會影響其他設備的工作，從而提高整體系統的可靠性。

（3）適應性。大部分現場總線采用雙線制，分別用于通信和供電。也就是說，系統在大多環境中都可運行。對于有電磁要求、氣候溫度惡劣、存在化工污染的各種環境，FCS都能較好地解決網絡供電、本安防爆問題，具有較強的適應性。

2 FCS的具體應用

隨著現代科技的不斷發展，工業自動化水平在不斷提高，FCS技術隨之快速發展。在我國，FCS已應用于各個領域，如石油化工、冶金、制造、海洋工程，甚至花卉溫室控制都可以看到FCS的身影。實踐證明，積極采用FCS技術，對各行各業的發展具有重要作用。FCS具有良好的適應性，在各種環境中均可發揮作用，分布在現場的各個智能儀表，使其控制系統更易操作，且抗干擾能力更強。此外，FCS還能通過自診斷功能預防電磁干擾[1]。

2.1 FCS在海洋工程監控設備中的應用

海洋工程領域通常會遭遇海浪等惡劣環境，因此要求控制系統有較強的抗干擾能力，同時需要可以連接多臺傳感器，以保障系統運行的穩定性。FCS具有較強的適應性，通過多個節點連接控制器的現場總線技術可以滿足相關要求。隨著FCS的不斷發展，其在海洋工程領域的應用將更加廣泛[2]。某海洋平臺控制系統結構圖如圖1所示。

圖1 某海洋平臺控制系統結構圖

2.2 FCS在花卉溫室控制中的應用

花卉的生長需要適宜的溫度、光照和濕度，因此對溫室的控制需要多種傳感器，且需要現場數據的實時傳輸和統計，而FCS的數字通信和分布式控制，可以保證數據的精確度和傳輸統計的及時性。FCS技術促進了花卉養殖的數字化、自動化、規模化。現代農業的發展正逐步邁向自動化模式，FCS作為最新一代的控制系統，將成為溫室控制應用的主流。某花卉溫室控制系統結構圖如圖2所示。

圖2 某花卉溫室控制系統結構圖

2.3 FCS在化工控制中的應用

化工生產往往處于高溫、高壓的惡劣環境中，這為自動控制系統帶來挑戰，而FCS技術的適應性較強，使系統在惡劣的環境中仍能正常工作。在化工生產中各種反應的瞬息萬變，對控制精度和現場智能儀表控制的準確度均提出了較高的要求，FCS可以通過事先對設備參數進行設定及其在線診斷功能，從而快速了解外部干擾并作出相應的反饋，保障系統運行的穩定性。同時，針對化工生產的復雜性和特殊性，FCS可以控制分層[3]。某化工控制系統結構圖如圖3所示。

圖3 某化工控制系統結構圖

3 FCS在應用中存在的問題及對策

（1）價格昂貴。在我國，各領域采用FCS技術的規模較小，系統的優點沒有完全展現出來，導致多數企業仍持觀望態度。其根本原因在于，搭建FCS的設備都價值不菲，各種智能儀表更是非常昂貴，而且部分特殊行業的生產要求必須采用高精度的儀器；而我國專業生產此類儀器的企業相對較少，部分企業坐地起價，由此增加了企業的生產成本。為了使FCS得到更加廣泛的應用，降低成本是當務之急。為此，相關部門可出臺政策，控制儀器的價格或者給予特殊行業相關補貼。另外，研究人員可以研發一些進口儀器部件的替代品，以從根本上降低成本。此外，一個技術的發展離不開廣泛的應用，需要更多從業人員的相關支持，因此需增強各行業對FCS的認識，使其了解現場總線技術的優勢，從而促進FCS在我國相關領域的推廣應用。

（2）標準難以統一。FCS可采用多種總線，如CAN總線、LonWorks總線、Profi bus總線、HART總線等，不同的總線所使用的智能儀表不同，而目前缺少統一的標準。而且，目前智能儀器的應用不理想，數量少，可選擇的模塊較少，只能進行簡單的控制，無法實現復雜算法。相比集散控制系統（DCS），FCS還不夠成熟，這是多數企業對FCS持觀望態度的另一原因。FCS技術擁有統一的行業標準，有助于系統之間更好地實現互聯互通。但是建立統一標準并非易事，需要在廣泛的應用中尋找不同總線間的共性，而現有的現場總線的標準比較單一，不同總線與不同廠家生產的設備之間的聯系仍然相當困難。不過，盡管總線之間的標準很難統一，但是同一儀器可以根據不同總線的要求進行功能選擇。生產控制設備的企業可在控制成本的基礎上，增加設備的可選擇功能，或者直接基于買家提供的總線類型，根據儀器功能進行個性化定制。隨著FCS技術的不斷發展和改善，儀器與儀器之間、系統與系統之間，甚至不同企業、行業之間的聯系將越來越緊密，建立統一的標準變得越來越重要，盡管在由DCS向FCS轉變的過程中可能會出現中間過渡系統，但是FCS的發展勢不可擋，將成為未來控制領域的主流。

（3）抗干擾能力弱。目前，大多數FCS采用雙線制，用于通信的往往只有一條總線，導致整個系統存在較大的安全隱患。一旦總線出現故障，整個系統都會受到影響，甚至全盤崩潰，給企業帶來巨大損失。對此，可針對總線本身增加冗余技術、選用光纜或其他材料，從物理層面預防故障的發生。同時，為了保障總線的安全性，可在系統中增加負反饋調節機制，當有擾動出現時，確保系統能盡快恢復至穩定狀態；還可采用多條總線并聯共同控制，當系統某部分發生故障時，不至于影響整個系統的工作狀態，減少企業損失，但這會增加成本，為相關企業帶來負擔。

4 結束語

FCS是在PLC和DCS的基礎上出現的一種新型控制系統，具有良好的兼容性、開放性、可靠性和適應性，應用廣泛，且其發展和應用對各行各業有著至關重要的作用。無論是在自動控制領域、工業生產還是居民生活的各個方面，FCS技術都可應用其中，具有廣闊的發展前景。