一、现场总线在电厂应用的困惑
1.电厂各过程控制回路之间具有相关度高、控制功能复杂、安全性和稳定性要求高等特点，要求使用者对现场总线技术有切实的掌握和实践验证；
2.现场总线仪控设备比常规仪控设备价格高，总线型设备的选择范围还相对较小，在一定程度上阻碍了现场总线技术在电厂过程控制中的大量应用。
3.在某些场合中，FCS还无法提供常规DCS已有的控制功能。由于现场仪表软硬件水平的限制，其功能块的功能还不是很强，品种也不够齐全；用现场仪表还只能组成一般的控制回路如单回路、串级、比例控制等，对于复杂的、先进的控制算法还无法在仪表中实现，对于单回路内有多输入、多输出的情况缺乏好的解决方案
4.可靠性有所降低。一套双重化的控制器带若干现场总线卡，每个现场总线卡带两条通往生产现场的双绞线干线，每条通往现场的双绞线干线段（Segment）拖动现场多台（每条干线电缆拖动总线仪表数量最多为16台）总线型变送器、阀门定位器等。无疑一条双绞线干线带动的是一个生产区域或生产单元的多块测量仪表和调节阀。这条现场总线干线的任何闪失，都将殃及这条双绞线干线上的全部节点。
5.目前现场总线国际标准共有12种之多。众多标准的并存，面对众多标准，面对大公司的技术封锁，众多中小仪表制造业的无所适从或干脆不从，造成现场总线仪表品种单一且价格严重离谱。一些用量虽少但生产现场决不可少的特种仪表品种空白，造成设计选型、用户选择、维护的极大困难。
二、当前DCS的市场及应用状况
1.自从世界上第一台DCS系统TDC-2000由HONEYWELL公司在1975年推出后，已在市场运行35年了。在这35年来DCS系统没有实质性的性能提升。这有悖于工业自动化产品的生命周期为20年的规律。
2.目前国内传统DCS的市场竞争已进入白热化的程度，由于产品的雷同，竞争的唯一手段就是价格。当某一公司以低价连续中标后，则新一轮的降价就又开始了。以两台30万机组为例：其价格已从十年前的2000万元/套降至最近的500万元/套。据目前获悉的最新的市场数据显示，每套的最低价格已降至269万元/套，创历史新低。。
3.国内五大发电集团都在开始或已将开始建设集团内部的DCS公司，种种迹象以及市场动作表明，行业封闭或将全面开始。
我们认为上述情况对于本行业的进一步发展极为有害。
对于这样一种安全性要求极高的产品，若生产厂商因低价而降低设备配置等级，用户与生产厂商则都要承担着极大的风险。
若各用户企业圈地为界，实行行业封闭，则严重违背市场竞争规律，从何谈起创新与发展。
京仪华文自动化系统（上海）有限公司一贯认为：企业生存最核心的竞争是为客户创造价值。面对上述情况，京仪华文自动化系统工程（上海）有限公司希望通过技术创新为给用户带来更多的价值从而破除低价、垄断的局面来参与市场的竞争，从而得到企业进一步的发展。
三、国家相关部门的有关政策
1.国家科技部在2009年及2010年的创新基金所述的项目指南中都明确规定：
本年度重点支持：
（1）现场总线及工业以太网控制器开发：包括配套的系统配置软件、诊断工具软件。要求有自主知识产权，不支持采用OEM嵌入式模块的二次开发项目；
（2）现场总线及工业以太网低成本、专用、具有特殊品质的远程I/O开发：如高防护等级、本征安全、可接受RTD、mV、高压、大电流信号的现场总线I/O模块等；
（3）对传统现场仪表、执行器、驱动设备进行的现场总线及工业以太网技术升级；要求符合IEC、GB/T技术标准，通过测试认证；
2.上海市经信委在最近公布的2011年上海市重点技术改造支持目录（第二批）中明确规定支持：
自动化控制系统（火电、核电、风电、化工、冶金、轨道交通、环保等大型复杂过程和重大技术装备的DCS、FDCS、FCS等自动化控制系统，自动化、智能化仪表，传感器，关键精密测试仪器）
四、专家的论述
1.国内著名现场总线专家西安热工院教授级高工周明先生说：【现场总线的本质就是信息处理现场化】
2.华东电力设计院自动化处处长/高级工程师金黔军先生论述：
【电厂过程控制回路具有相关度高、控制功能复杂、安全性和稳定性要求高等特点要求对现场总线的切实掌握和实践验证】；
3.大唐洛阳热电厂设备管理部沈军副主任论述：
【全面采用现场总线控制系统可能会存在的问题：
a、高级复杂控制的问题。电厂中最复杂的控制系统是协调控制系统，通常包含负荷控制、主蒸汽压力控制、主蒸汽温度控制以及汽包水位控制等内容。若采用现场总线控制系统的典型做法，将控制和处理功能下移到智能现场设备处理，由于各子控制系统之间相互关联，必然导致H1与上层网络HSE之间通信的信息量剧增，会增大控制系统的处理周期。
b、联锁保护、顺序逻辑控制中的问题】。
五、京仪华文自动化系统工程（上海）公司现有的技术基础
FPCS系统主要由几个部件组成：
支持现场总线及工业以太网的主控制器（MCU）（含自主知识产权软件）；
支持现场总线及工业以太网的低成本、专用、具有高防护等级可在宽温环境（-40℃－70℃）下工作的现场控制器（FCU）及I/O部件（含自主知识产权软件）；
工业以太网协议转换网关及嵌入式通信接口产品光电转换模块。
FPCS系统的拓扑图如下：
图一
目前与现有研发产品相关的软件著作及专利已取得8项。分别是：
《华文HPCS控制系统应用软件V2.0》，登记号为2007SR14769；
《华文工控图形组态软件V1.0》，登记号为2009SR00037；
《华文工业自动化监控软件V1.0》，登记号为2009SR00039；
《华文监控数据综合分析软件V1.0》，登记号为2009SR00040；
《华文控制策略组态软件V1.0》，登记号为2009SR00257；
《华文基于现场总线的工业生产过程控制软件V1.0》，登记号为2009SR021716。
《一种控制器分层的分散控制系统》，发明受理号为2010518095.8
《一种数字处理单元分层的分散控制系统》，实用新型授权号为201020575073.0
六、本项目概况
（一）、产品技术原理：
经过对流程工业现场应用的认真分析可知：整个流程工业系统的控制可按功能（或工艺）划分成若干功能（或工艺）控制单元（功能组），每个控制单元可再进一步划分为控制回路（功能子组或某一设备）。在当前的DCS中，根据控制信号的容量及控制的复杂程度，若干对DPU共同完成对一个控制单元的控制任务，而一对DPU将完成对若干个控制回路（功能子组）的控制
在这样需求的背景下我们将传统的控制器分出层次，即MCU（主控单元）及FCU（现场控制单元）。
FCU（现场控制单元）与I/O部件相结合采取适当的防护措施及低功耗设计（全密封、抗高温）后放置在设备现场，通过信号电缆将来自常规仪表的信号送至I/O部件，然后通过FCU（现场控制单元）进行调节处理，完成对此设备的控制。同时FCU还通过现场冗余通讯网络（光纤）将信息传送至MCU。通过MCU将相关信息传至HMI或在MCU内部各FCU之间进行相关设备之间的协调处理，或在系统各MCU之间进行相关控制单元组之间的协调处理。
即MCU具有三项任务：
1.MCU负责与连接到本MCU的各FCU交换信息，实现控制单元级别内的设备之间的协调控制；
2.MCU通过主控制网络与其他主控制器（MCU）交换系统级别的控制信息，实现控制单元组之间的协调控制；
3.MCU根据系统的需要控制信息流的流动方向；
当1对互为冗余的主控制器（MCU）中一只控制器（MCU）发生故障时，MCU会像传统DCS一样自动将系统的控制权快速无扰的切换到另一只MCU，而当两只MCU均发生故障或网络发生故障时，现场控制器（FCU）能够根据事先的设定自动进入安全状态，自成体系完成对本单元内相应设备的调节。FCU也将是冗余配置，其切换方式将与传统DCS相同。
下面为FPCS对于一台300MW机组的配置方案。
其中图二为炉侧的配置，图三为机侧及公用的配置方案。图四为华文FDCS的软件结构示意图。
图二
图三
图四为FPCS的软件结构示意图
图四
如图所示，根据上述设计对于2*300MW的机组来讲，将使用13对MCU，55对FCU。其中13对MCU布置在4－5面机柜内，加上交换机柜、电源柜、FSSS柜，电子间内的机柜数量不会超过12面，而55对FCU与I/O卡件均布置在现场设备附近。与传统DCS电子间需要布置50－60面机柜相比较，可以大量节省电子间的面积。
七、本项目技术路线
1.将传统控制系统中的控制器（DPU）分为两个层次：即主控制器（MCU）和现场控制器（FCU）。MCU放置在主控制室，FCU和高防护等级及宽温工作环境的I/O一起放置在现场。所有的MCU通过100M冗余工业以太网连接，每对工业以太网可以连接64对MCU；FCU及高防护等级与可在宽温工作环境的I/O一起放置在现场，FCU与MCU通过100M工业以太网连接。每对MCU可连接32对FCU。每对FCU支持512个I/O点。
2.FCU及I/O部件均采用宽温设计（-40℃－70℃）及高防护等级结构（IP64）设计，可以在
-40℃－70℃及粉尘较大的工业现场中工作。MCU按控制对象的功能组配置，FCU按控制对象中的功能子组配置。在支持使用传统现场仪表、执行器、驱动设备的情况下可以大量节约电缆、桥架等材料并降低中央集控室的造价。在不提高现场设备费用的情况下，可降低控制电缆投资60％。
3.FCU与I/O部件通过高速串行接口连接，FCU采用主动变频上送及全数据定时发送方式对I/O通道所连接的现场信号进行扫描。可快速响应现场信号的变化。
4.MCU可实现在网络环境下的控制器的工业以太网通讯冗余功能，每个MCU控制器有2个高速工业以太网通讯口（100M），任一通讯口故障，软件将自动将对FCU的通讯切换到另一通讯口；且为无扰切换（对现场输出信号而言）。
5.FCU可实现在网络环境下的控制器的高速串行通讯冗余功能，每个FCU控制器有2个高速串行通讯口与I/O连接，任一通讯串口故障，软件将自动将对I/O的通讯切换到另一通讯口；且为无扰切换（对现场输出信号而言）。
6.FDCS的组态软件支持数量多达32对虚拟DPU（含MCU及FCU）功能，可以在一台计算机上仿真多达32对DPU的系统运行状况。
7.工程师可以通过FPCS组态软件在工程师站上直接对MCU及FCU进行离线组态、在线组态、在线修改及下载。进行在线修改时，用户工程师可对MCU及FCU中的变量进行增加、删除，可对用户程序进行增加、删除，在线修改时无需对程序进行重新编译，且不会对现场造成扰动。
8.强大的容错功能，当在线修改MCU及FCU中的控制算法时，算法的修改（包括不正确的算法修改）不会引起MCU及FCU的崩溃，对于用户错误的控制策略，系统决不会由于系统崩溃从而对用户造成灾难性的后果。
9.FCU及I/O部件的组合结构采用IP64的防护等级，可接受现场两路AC电源供电。
八：FDCS系统部件简介及技术指标：
1.MCU
MCU由策略控制器、通讯控制器、交换路由单元组成。通讯控制器与交换路由单元相结合实现信息流的方向控制（HMI至FCU、FCU至HMI、HMI至MCU、MCU至HMI、FCU至MCU、MCU至FCU等）。
策略控制器负责实现各关联FCU之间的策略协调及与其他MCU中的策略控制器的策略协调。
图五
主控制器（MCU）主要技术指标：
（１）策略控制器主CPU：RISC芯片，主频600MHz，内含协处理器，RAM256M，FLASH512M，RS232一个，100M以太网口二个，均为同步网口。工作电源24V，功耗＜2W。
（２）通讯处理器主CPU：RISC芯片，主频600MHz，内含协处理器，RAM256M，FLASH512M，100M以太网口三个，配置为一个口对应主干网通讯，一个口对应远程控制器通讯，另一个口对同步网通讯。工作电源24V，功耗＜2W。
（３）网络通讯器：远程通讯用10M／100M自适应网口七个，其中光口四个，电口三个。同步用100Ｍ全双工网口三个，配置为一进、一出和一调试口。工作电源24V，功耗＜3W。
２．现场控制器（FCU）技术指标：
（１）FCU的CPU采用：RISC芯片，主频600MHz，内含协处理器，RAM256M，FLASH512M，
RS232一个，100M以太网口二个，均为同步网口。工作电源24V，功耗＜2W。
图六FCU印板图
３．FCU系统技术指标
带I/O容量：>512个通道，I/O模块支持HART协议
通讯：冗余H-i总线口，1Mbps（I/O总线）；
冗余10/100Mbps自适应工业以太网（数据高速公路）
控制周期：≥50ms
故障切换时间：≤5ms（辅控制器完全启动条件下）
内嵌系统：RT-LINUX
配套软件：HW组态工具包
工作温度：-40～+70℃
工作湿度：20～90％RH，非冷凝
功耗：≤2.0W（24V）
防静电试验工业3级
电快速瞬变脉冲群抗扰度试验工业3级
浪涌试验等级3级
射频电磁场辐射抗扰度试验3级
九．传统DCS、FCS及FPCS的性能比较：
十、社会及经济效益分析：
该系统具有节能节材及节约资源、降低碳排放、促进环保的作用：
每个2*300MW以上机组可节约电缆500公里左右（见附录）折合电解铜31吨；节约用电8000度，按最少碳排放计算可减少碳排放量600吨。至于所节约的钢材为300吨。
若在全国企业推广FPCS系统除可为国家节省客观费用及战略资源（铜材）外，还可为用户节约可观的投资。如对于2台30万以上机组（含公用）来讲，使用我们所研发的系统在DCS及现场仪表方面的投入不会增加，但可以提高系统的可靠性而且在电缆、桥架及施工方面可节约投资800万元－1000万元。
十一、附录
华能金陵电厂2*1000MW机组现场总线（西门子）经济数据分析：
为具体比较运用现场总线与采用常规DCS在工程造价方面的差异，下面以一个已经完成1000MW超超临界机组的工程量为例分析如下：
各类控制对象汇总（一台机组）：
通过上面的分析，我们可以看到：采用现场总线之后，整个机组控制系统的投资费用较采用常规DCS增加约200万，此外上述分析并未计及由于电缆、桥架减少以及双绞线接线节省的现场安装施工工程量。(据有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用30％以上)。
