陳 卓

同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院，浙江 嘉興 314051

0 引言

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來(lái)的一種分布式控制系統(tǒng)。FCS在工業(yè)領(lǐng)域中有著極大的發(fā)展?jié)摿?，是目前自?dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，它的出現(xiàn)標(biāo)志著控制領(lǐng)域一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)始。FCS采用的數(shù)字信號(hào)有別于傳統(tǒng)的模擬信號(hào)，其數(shù)據(jù)傳輸具有更高的穩(wěn)定性和可靠性，且在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下可實(shí)現(xiàn)真正的互聯(lián)互通。

1 FCS的特點(diǎn)

（1）兼容性和開(kāi)放性。FCS遵循統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使不同廠家、不同品牌、不同地區(qū)生產(chǎn)的產(chǎn)品可作用于同一系統(tǒng)。同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)中某一設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，廠家可以在不同品牌中尋找更好的替代產(chǎn)品。系統(tǒng)具有開(kāi)放性，使不同的廠家可利用自身的優(yōu)勢(shì)與其他廠家實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使系統(tǒng)得以優(yōu)化，從而更加完善。

（2）可靠性。相較于模擬信號(hào)，F(xiàn)CS采用的數(shù)學(xué)通信模式提高了傳輸?shù)目垢蓴_性和可靠性。FCS的在線診斷，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并上報(bào)，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。FCS特有的分布式控制技術(shù)，使各控制器都下放到現(xiàn)場(chǎng)，操作更加簡(jiǎn)單，且當(dāng)某一下位機(jī)發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)影響其他設(shè)備的工作，從而提高整體系統(tǒng)的可靠性。

（3）適應(yīng)性。大部分現(xiàn)場(chǎng)總線采用雙線制，分別用于通信和供電。也就是說(shuō)，系統(tǒng)在大多環(huán)境中都可運(yùn)行。對(duì)于有電磁要求、氣候溫度惡劣、存在化工污染的各種環(huán)境，F(xiàn)CS都能較好地解決網(wǎng)絡(luò)供電、本安防爆問(wèn)題，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

2 FCS的具體應(yīng)用

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化水平在不斷提高，F(xiàn)CS技術(shù)隨之快速發(fā)展。在我國(guó)，F(xiàn)CS已應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)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(shí)踐證明，積極采用FCS技術(shù)，對(duì)各行各業(yè)的發(fā)展具有重要作用。FCS具有良好的適應(yīng)性，在各種環(huán)境中均可發(fā)揮作用，分布在現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)智能儀表，使其控制系統(tǒng)更易操作，且抗干擾能力更強(qiáng)。此外，F(xiàn)CS還能通過(guò)自診斷功能預(yù)防電磁干擾[1]。

2.1 FCS在海洋工程監(jiān)控設(shè)備中的應(yīng)用

海洋工程領(lǐng)域通常會(huì)遭遇海浪等惡劣環(huán)境，因此要求控制系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)需要可以連接多臺(tái)傳感器，以保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。FCS具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接控制器的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以滿足相關(guān)要求。隨著FCS的不斷發(fā)展，其在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛[2]。某海洋平臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 某海洋平臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 FCS在花卉溫室控制中的應(yīng)用

花卉的生長(zhǎng)需要適宜的溫度、光照和濕度，因此對(duì)溫室的控制需要多種傳感器，且需要現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和統(tǒng)計(jì)，而FCS的數(shù)字通信和分布式控制，可以保證數(shù)據(jù)的精確度和傳輸統(tǒng)計(jì)的及時(shí)性。FCS技術(shù)促進(jìn)了花卉養(yǎng)殖的數(shù)字化、自動(dòng)化、規(guī)模化?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展正逐步邁向自動(dòng)化模式，F(xiàn)CS作為最新一代的控制系統(tǒng)，將成為溫室控制應(yīng)用的主流。某花卉溫室控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 某花卉溫室控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 FCS在化工控制中的應(yīng)用

化工生產(chǎn)往往處于高溫、高壓的惡劣環(huán)境中，這為自動(dòng)控制系統(tǒng)帶來(lái)挑戰(zhàn)，而FCS技術(shù)的適應(yīng)性較強(qiáng)，使系統(tǒng)在惡劣的環(huán)境中仍能正常工作。在化工生產(chǎn)中各種反應(yīng)的瞬息萬(wàn)變，對(duì)控制精度和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表控制的準(zhǔn)確度均提出了較高的要求，F(xiàn)CS可以通過(guò)事先對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)定及其在線診斷功能，從而快速了解外部干擾并作出相應(yīng)的反饋，保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。同時(shí)，針對(duì)化工生產(chǎn)的復(fù)雜性和特殊性，F(xiàn)CS可以控制分層[3]。某化工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 某化工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 FCS在應(yīng)用中存在的問(wèn)題及對(duì)策

（1）價(jià)格昂貴。在我國(guó)，各領(lǐng)域采用FCS技術(shù)的規(guī)模較小，系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)沒(méi)有完全展現(xiàn)出來(lái)，導(dǎo)致多數(shù)企業(yè)仍持觀望態(tài)度。其根本原因在于，搭建FCS的設(shè)備都價(jià)值不菲，各種智能儀表更是非常昂貴，而且部分特殊行業(yè)的生產(chǎn)要求必須采用高精度的儀器；而我國(guó)專業(yè)生產(chǎn)此類儀器的企業(yè)相對(duì)較少，部分企業(yè)坐地起價(jià)，由此增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。為了使FCS得到更加廣泛的應(yīng)用，降低成本是當(dāng)務(wù)之急。為此，相關(guān)部門可出臺(tái)政策，控制儀器的價(jià)格或者給予特殊行業(yè)相關(guān)補(bǔ)貼。另外，研究人員可以研發(fā)一些進(jìn)口儀器部件的替代品，以從根本上降低成本。此外，一個(gè)技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)廣泛的應(yīng)用，需要更多從業(yè)人員的相關(guān)支持，因此需增強(qiáng)各行業(yè)對(duì)FCS的認(rèn)識(shí)，使其了解現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，從而促進(jìn)FCS在我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

（2）標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)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(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。而且，目前智能儀器的應(yīng)用不理想，數(shù)量少，可選擇的模塊較少，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法。相比集散控制系統(tǒng)（DCS），F(xiàn)CS還不夠成熟，這是多數(shù)企業(yè)對(duì)FCS持觀望態(tài)度的另一原因。FCS技術(shù)擁有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有助于系統(tǒng)之間更好地實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。但是建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)并非易事，需要在廣泛的應(yīng)用中尋找不同總線間的共性，而現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)比較單一，不同總線與不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備之間的聯(lián)系仍然相當(dāng)困難。不過(guò)，盡管總線之間的標(biāo)準(zhǔn)很難統(tǒng)一，但是同一儀器可以根據(jù)不同總線的要求進(jìn)行功能選擇。生產(chǎn)控制設(shè)備的企業(yè)可在控制成本的基礎(chǔ)上，增加設(shè)備的可選擇功能，或者直接基于買家提供的總線類型，根據(jù)儀器功能進(jìn)行個(gè)性化定制。隨著FCS技術(shù)的不斷發(fā)展和改善，儀器與儀器之間、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間，甚至不同企業(yè)、行業(yè)之間的聯(lián)系將越來(lái)越緊密，建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)變得越來(lái)越重要，盡管在由DCS向FCS轉(zhuǎn)變的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)中間過(guò)渡系統(tǒng)，但是FCS的發(fā)展勢(shì)不可擋，將成為未來(lái)控制領(lǐng)域的主流。

（3）抗干擾能力弱。目前，大多數(shù)FCS采用雙線制，用于通信的往往只有一條總線，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)存在較大的安全隱患。一旦總線出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)受到影響，甚至全盤崩潰，給企業(yè)帶來(lái)巨大損失。對(duì)此，可針對(duì)總線本身增加冗余技術(shù)、選用光纜或其他材料，從物理層面預(yù)防故障的發(fā)生。同時(shí)，為了保障總線的安全性，可在系統(tǒng)中增加負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，當(dāng)有擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，確保系統(tǒng)能盡快恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)；還可采用多條總線并聯(lián)共同控制，當(dāng)系統(tǒng)某部分發(fā)生故障時(shí)，不至于影響整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，減少企業(yè)損失，但這會(huì)增加成本，為相關(guān)企業(yè)帶來(lái)負(fù)擔(dān)。

4 結(jié)束語(yǔ)

FCS是在PLC和DCS的基礎(chǔ)上出現(xiàn)的一種新型控制系統(tǒng)，具有良好的兼容性、開(kāi)放性、可靠性和適應(yīng)性，應(yīng)用廣泛，且其發(fā)展和應(yīng)用對(duì)各行各業(yè)有著至關(guān)重要的作用。無(wú)論是在自動(dòng)控制領(lǐng)域、工業(yè)生產(chǎn)還是居民生活的各個(gè)方面，F(xiàn)CS技術(shù)都可應(yīng)用其中，具有廣闊的發(fā)展前景。