摘要：本文通过概述DCS和FCS的功能和特点，对其优缺点进行比较，辩证地肯定FCS的发展前景。并针对FCS系统，介绍在石油化工中常用的三种现场总线协议，探讨现场仪表和系统的实时性和可靠性，以及现场总线控制在危险场所的隔爆防护和可在线插拔问题。
关键词：DCS；FCS ；实时性和可靠性；现场总线控制；隔爆防护
一、绪论
控制系统由五十多年前的第一代控制系统PCS，经历了ACS、CCS和DCS，而发展成今天的第五代控制系统——现场总线控制系统FCS。所谓现场总线，国际电工委员会制定的IEC61158标准定义为“现场总线是联接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。”
二、DCS和FCS性能概述和比较
DCS系统是以微处理器为基础的集中分散型控制系统，它的主要特征是集中管理和分散控制相结合，但其信号传送一般采用4-20 mA的电流信号形式，一个变送器或执行机构需要一对传输线来单向传送一个模拟信号。所以处于最底层的模拟变送器和执行机构构成计算机系统中最薄弱的环节，即所谓DCS系统的发展瓶颈。
FCS系统正是在这种情况下应运而生，在集散控制系统的最底层，出现现场控制级。微处理器进入现场变送器、传感器和执行机构，并形成整体安装式的智能仪表，现场控制级可以完成部分甚至全部过程装置控制级的功能，提高了系统的可互操作性和开放性。
FCS系统的控制功能由现场设备完成，从而降低DCS系统所需的硬件成本和施工费用，例如：减少控制系统I/O卡件的机柜和附属设备。减少电缆、电缆桥架的敷设，布线和系统调试等工程量。相应的，简化设计阶段图纸工作量。
三、工程选用
现场总线控制系统适用于现场设备分散场所，主控制室拥挤的情况下对装置改扩建，小型项目可以独立使用。我们应根据生产的实际情况，进行合理选择、合理组织，实现于DCS、FCS的无缝连接，以便满足实际工程的各种需求。
传统的接线方案：现场仪表以点对点的接线方式到接线端子，接线端子以点对点的接线方式接至控制系统；
总线到总线的接线方案：现场仪表以总线的方式相连接至现场接线盒后，仍以总线的方式接至控制系统的现场总线网卡。
由于控制系统的现场总线网卡至现场接线盒为总线通信，对于习惯传统方案的用户来说，存在的主要疑虑是对通信总线协议的选择、系统运行实时性和可靠性、现场的防爆能力以及现场仪表类型的选择等问题。
3.1总线的通讯协议
在大中型控制系统中，通常是几个通讯协议共同使用，实现数据的实时共享。不同的通信协议有不同的特点和使用场所。现就几种石油化工行业常用的协议作一个简单的介绍。
3.1.1MODBUS简介
长期以来，MODBUS一直作为DCS和PLC之间通信的标准协议。MODBUS通信协议采用RS485物理层，屏蔽双绞线电缆。通信距离200m~1200m。波特率9.6 kb/s~38.4 kb/s。其特点是简单、通用、普及、容易掌握，但通讯速度比较有限。
3.1.2现场总线PROFIBUS简介
PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一，以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准和不断发展的应用行规，已成为最重要的现场总线标准。优势：适用多种通信介质；12M的通信速率和可靠的通信质量；先进的网络规模，灵活的拓扑结构；强大的通信功能，支持基于总线的驱动技术和符合IEC61508的总线安全通信技术。
3.1.3基金会现场总线介绍
FF现场总线基金会是由WORLDFIP NA和ISP Foundation于1994年6月联合成立的，它是一个国际性的组织，其目标是建立单一的、开放的、可互操作的现场总线国际标准。基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。优势：基本同PROFIBUS通信协议，如物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准等。
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3.2现场仪表的选型
系统是否对底层设备有信息集成的要求，系统是否对底层设备有较高的远程诊断、故障诊断以及参数化要求。现场总线信号是双向数字通信，因此，它可以对数字智能的现场变送器、执行机构等进行远程诊断、维护和组态。
当一个装置的检测点较多，但控制点较少时；或者当装置已经采用现场总线控制，用户发现有些现场仪表没有现场总线的晶种；以及不值得采用现场总线型仪表，如热电偶、热电阻或干接点等。这时可采用挂到现场总线上的远程I/O，从而降低成本。
3.3实时性和可靠性
3.3.1实时性
系统的实时性，就是系统的运行速度。装置对部分回路的速度要求苛刻，例如快速联锁控制、故障防护、闭环控制等。如果实时性不高可能引起重大事故或产品的质量问题等，危及人身安全造成巨大经济损失。对现场总线控制来说，将PID闭环控制功能装入变送器或执行器中，缩短了控制周期，改善了调节性能。总线的通信协议部分可以了解到其数据传输速度率高，具有更好的实时性。
3.3.2可靠性
系统的可靠性，就是系统的连续运转能力。由于总线型仪表的应用，其仪表之间具有通信功能，在底层即可以实现控制。即使控制室的现场总线卡件出现故障，不能监控底层，同一总线上的设备仍然可以根据先前的设定，自行控制。
3.4现场的隔爆防护
现场的隔爆防护是一个复杂和重要的问题。常规的隔爆防护方法很简单，例如，通过限制能量来避免产生火花的本安（Ex i）方法，通过特殊的外壳来防护的隔爆（Ex d）和浇封（Ex m）的方法等，根据危险区域的划分进行选择。但是，这些方法都与现场总线的基本概念有相抵触的地方。
从本安防爆的角度分析，那么，每个总线分支上允许连接的现场设备的数量就会大大的减少，于是现场总线的优势大大降低。如果运用隔爆（Ex d）或浇封（Ex m）的方法，那么，对进入危险区的能量基本上是没有什么限制，但是，这两种方法的缺陷就是在现场设备进行检修或更换之前必须要把供电切断。这对于连续生产的石油化工企业来说中途“停车”可能会带来很大的经济损失。
为了满足现场总线仪表在不停电的条件下进行安装和维护的要求，现场总线只有采用本安防爆。在实践中人们采用FISCO模型简化现场总线的本安防爆的设计和应用，如Profibus-PA。这种方法虽然满足了上述的问题，但本质安全防爆方案限制了每根现场总线电缆上的电能量，从而减小了仪表量，于是增加了现场总线的电缆。可用以下两种方案进行解决。
方案一：无火花型防爆（Ex n）主干总线
现场仪表仍为本安防爆，但本安电缆只从Zone2现场接到Zone0/1现场。从控制室安全区到Zone2现场的主干线为无火花型防爆，电缆数量与非防爆是相同。在Zone2区安装FF本安中继器、Profibus-PA/DP安全网桥和高速安全网桥及其本安配电连接模块。这些设备都需要24VDC供电，所以这一方案多出一根从控制室到Zone2的现场24VDC电源电缆。
方案二：增安型防爆（Ex e）主干总线
这种方案的核心是采用增安型防爆将24V DC-40mA的电能量通过现场总线的主干总线送到Zone 1现场，再用现场安装的总线现场安全栅模盒对现场仪表进行本安防爆供电。
四、结语
FCS是继DCS之后的新一代控制系统，是过程控制系统发展的趋势，并与DCS并存。但是由于FCS的研究和开发工作尚在进行中，因此，一些相应的硬件尚待完善，一些高级控制功能块尚需开发。而DCS经过多年的发展和完善，技术已经非常成熟。所以，笔者认为不同特点和规模的控制系统对DCS和FCS选择应该冷静对待，并对DCS和FCS的工程案例作分析与比较。
参考文献
[1]阳宪惠著.现场总线技术及其应用（第2版）[M].清华大学出版社
[2]何衍庆、黄海燕、黎冰著.集散控制系统原理及应用（第3版）[M].化学工业出版社
[3]李常友、王力.远程I/O与现场总线的分析及工程选用.仪器仪表标准化及计量
作者简介：李婷珂（1986-）女，2009年毕业于东北林业大学自动化专业，学士学位，从事自控工程设计10年，单位：中国成达工程有限公司，研究方向：化工仪表及控制自动化方向。
论文作者:李婷珂
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
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