摘要：FCS作为稳定可靠的控制系统，在工控领域已有广泛应用，但目前在煤矿的生产控制领域应用较少，而大多还是采用PLC控制系统，这阻碍了煤矿柔性生产和智能化的发展。首先，总结了工业控制系统在煤矿行业的发展历史，从继电器控制时代到PLC控制系统时代，再到DCS控制系统时代，FCS系统是当前控制系统发展的新阶段，也是更具技术先进性的新型控制系统；接着，通过对比探讨了FCS技术的优势，阐述了FCS系统在系统结构、信号传输、扩容升级、系统兼容、控制方式和终端设备等11个技术层面上的优点；最后，展望了FCS技术在煤矿智能化发展中的优势，主要包括：智能化终端的选型具有良好的兼容性；系统易于重构和扩展，能满足煤矿作业场景的经常变更；非常适用于煤矿作业经常变更的特点；抗干扰性强；系统本征安全特性使其非常适合在危险区域和易变的生产环境中运行。

　　关键词：FCS系统；DCS系统；煤矿智能化；物联网；智能矿山

　　The Application Prospect of FCS in the Intelligent Development of Coal Mines

　　Zhang Xiaowen1，Xi Cungen2

　　(1．Equipment Management Center of National Energy Group Xinjiang Energy Co．，Ltd．，Urumqi 830000，China；

　　2．China Coal Technology and Industry Group Shanghai Co．，Ltd．，Shanghai 200030，China)

　　Abstract：As a stable and reliable control system，FCS has been widely used in the field of industrial control．At present，it is rarely used in the field of production control in coal mines，PLC control systems are still widely used，which hinders the development of flexible production and intelligence in coal mines．First of all，the development history of industrial control systems in the coal mining industry was summarized，from the era of relay control to the era of PLC control system，and then to the era of DCS control system，FCS system was the latest stage of the current control system development，and it was also the most technologically advanced new control system．Then，the advantages of FCS technology were discussed by comparison，the FCS system had obvious advantages in 11 technical aspects such as system structure，signal transmission，capacity expansion and upgrade，system compatibility，control method and terminal equipment．Finally，the advantages of FCS technology in the intelligent development of coal mines were prospected，including：the selection of intelligent terminals has good compatibility；the system is easy to reconfigure and expand，and can meet the frequent changes of coal mine operation scenarios；it is very suitable for coal mines characteristics of frequent job changes；strong anti－interference；the system's intrinsic safety characteristics make it ideal for operation in hazardous areas and volatile production environments．

　　Key words：FCS system；DCS system；intelligent coal mine；internet of things；intelligent mine

　　0引言

　　从20世纪90年代开始，现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS)技术进入了成熟应用阶段，经过数十年的发展，已经成为当前工业界先进和稳定可靠的控制系统[1－4]。但在煤矿行业中，FCS系统的发展并未进入到非常成熟和大规模应用的阶段[5－8]。随着信息化技术的进步，工业以太网、边缘计算、大数据分析、人工智能技术正在各个行业中广泛应用，并为各个行业带来了前所未有的颠覆性变革和发展机会[8－11]。在煤矿领域，煤矿生产涉及的通风、排水、采掘运输等环节均是采用PLC或者DCS控制系统，存在大量的信息孤岛，无法适应当前煤矿智能化和信息化发展的要求。

　　本文从煤矿行业的工业控制系统的发展历史、DCS与FCS的对比分析、FCS在煤矿智能化建设中的应用趋势等方面，系统阐述了FCS的发展过程及其在煤矿行业的应用前景，为煤矿智能化发展、特别是打破信息孤岛、实现数据融合提供了一种发展思路。

　　1工业控制系统在煤矿行业的发展历史

　　工业控制系统在煤矿行业的发展，大致经过了4个阶段，分别介绍如下。

　　第一阶段：继电器控制时代。1960年出现，以大型继电器控制为代表的初级电气控制阶段，该技术相对于人工调度等能够提升效率，但设备故障多、可靠性差，且系统结构复杂，维护即升级换代困难[12－14]。

　　第二阶段：PLC控制系统时代。该阶段自20世纪80年代应用以来，采用PLC替代继电器，简化了结构，同时提高了可靠性。但其智能化水平依然较低，系统的适应性和灵活性较差。尤其是其点对点的信息传输方式，对电缆的需求量很大，且模拟量的显示方式，无法满足实时监控的需求。在目前的煤矿生产中，还有大量的PLC系统在应用，这对于煤矿柔性生产和智能化的发展，是极其不利的[15－18]。

　　第三阶段：DCS控制系统时代。DCS系统广泛应用于煤矿洗煤厂、煤化工厂、发电厂等场所，可做到对工厂的集控监视和控制。也能实现地面控制室对井下作业的实时监控和自动调度，便捷性和灵活性得到了很大提升。但DCS系统不仅需要投资的一步到位、一次性投入较大，却在后期扩容和升级时比较困难，其封闭性、复杂性和诸多明显缺点，使其在面对信息化和数字化建设时，面临诸多挑战和困难[19]。

　　第四阶段：FCS现场总线控制系统。FCS系统与现场控制站、智能仪表等设备通过工业以太网、MODBUS、CAN等通信方式连接，建立一套过程控制系统。其作为计算机基础网络的特性，具有开放性、易扩容、信息传输更加方便快捷等优点，使其在面对互联网、工业以太网等技术融合的新时代背景下，具备了独一无二的巨大优势，是当前煤炭行业控制系统发展的前沿方向[20－21]。因此，FCS系统是当前控制系统发展的新阶段，也是具有技术先进性的新型控制系统。

　　2 FCS与DCS技术的优势对比

　　那么，FCS系统与DCS这些传统系统相比，到底有哪些方面的巨大优势呢？通过整体对比和分析，FCS系统在以下11个重要技术指标方面，都具备很大的领先优势。具体如表1所示。如表所示，FCS与DCS相比，其速度更快、稳定性更强，结构更加简单，连接方式更加方便，故障维护成本更低，扩容升级不仅方便且成本更低，系统的兼容性更好，布线成本更低，FCS总体在技术方面要更加先进和有优势。

　　3 FCS在未来煤矿智能化发展中的优势

　　如果只是单纯比较FCS与DCS的纯技术优势，那么上文中的内容，已经将两种技术的差异和FCS的领先优势做了直接阐述。但是，随着智能化技术的发展，面对正在深度融入产业的物联网、大数据、人工智能等新技术，如果用发展的眼光和更加长远的角度来看，通过对比哪种控制系统能够更好地与新型智能化技术融合，更能判断出在当前的煤矿智能化发展大潮中，如何来选择最适应当前及未来发展的控制系统技术。在物联网、大数据技术应用的智能化变革中，FCS在煤矿领域，具备先天的领先优势。

　　3．1终端更智能

　　和传统DCS相比，在FCS中，总线连接的仪器仪表、终端设备更加智能化，这些终端本身就拥有许多的智能化功能，包括自我诊断、边缘数据处理等能力，这既减少了中央控制系统的压力，也提升了整个系统的计算能力，以及现场边缘侧的数据处理能力。相当于为物联网、大数据技术提供了更强大的眼睛与触手，能够保证未来物联网大数据技术在更加智能化的中央控制系统双向控制通讯中，具备更好的终端执行能力。

　　此外，由于FCS的开放性，在智能仪表、执行机构等智能化终端的选型上，具有良好的兼容性，可以根据系统需求挑选不同的品牌厂家型号，而终端执行机构和智能仪表大多都已经实现了国产化，这在系统扩容增加设备时，既降低了成本又能保持系统的最佳组合。

　　3．2系统柔性可扩展

　　煤矿行业，尤其是矿井开采工作面，随着工作面的推进，控制系统随之重构，若采用FCS架构，相对于DCS系统更加简化了系统结构，形成了高标准化和模块化的系统设备接口，因此就可以对FCS系统进行整体规划、分步实施，系统规模大小可变，重构简单，非常适合在煤矿井下作业经常变更的特点下使用。当需要扩充系统时，只需要根据变化的需求在总线上挂接不同的终端设备节点就可以满足新增要求。而DCS的封闭性，可能导致系统无法扩容，甚至可能需要重复投资重新建设系统。当面对物联网、大数据技术更加精细化的管理要求时，生产端也需要相应的调整，这种调整更加需要系统具备充分的开放性和柔性可拓展。因此，FCS的特点使其不仅能够更加适应煤矿行业要求，也更加符合未来智能化的发展要求。

　　3．3抗干扰性更强

　　煤矿行业的现场具有通信距离长、动力设备多、环境复杂、空间狭小等特点，使系统运行精度受到严重影响。因此FCS系统抛弃了DCS系统采用的模拟量和开关量信号转而采用数字信号来进行信号传输，而数字化信号固有的抗干扰、高精度特性也将控制系统的可靠性进一步提高。

　　煤矿信息化建设要求越来越高，对现场需要的监测监控的数据量越来越大，FCS基于总线通信的特点，可以满足煤矿智能化建设中的稳定性和实时性的需求。

　　3．4运维成本更低

　　在煤矿生产中，安全始终是最重要的第一要务，FCS系统的安全特性使其非常适合在危险区域、易变的生产环境中运行。除此之外，由于FCS的两层架构比DCS的三层架构更加简单，因此减少了大量的布线、IO点位、中间操作站，单是整体的布线成本就比DCS系统降低了40％~60％，不仅使得系统在这方面的投资成本降低，更使得系统后期整体的维护成本更低，尤其在安全性方面，布线和操作站的减少，这样就可以使FCS系统的一次性投资、安装费用、维护成本得到大幅降低。

　　4结束语

　　建设FCS控制系统既能够从当前的技术层面提升煤矿行业的先进性，也是未来布局物联网、大数据技术的智能矿山建设所必需的基础，加上其安全性更高、操作便捷、维护方便、稳定性强等特点，以及在后期的维护、扩容升级方便，能够避免DCS封闭性造成的重复投资和浪费。本文通过分析DCS和FCS控制系统在终端智能化、可扩展性、抗干扰性、运维成本等多方面的比较和分析，可以为煤矿行业在信息化、智能化建设提供一种发展思路，同时也为FCS系统在现代煤矿现场作业如基于数据的智能调度、智能预警分析、智能安全防控等，给出一些应用方向。

　　参考文献：

　　[1]朱浩．FCS技术在矿山物联网感知层的应用[J]．煤矿机电，2018，39(5)：74－76．

　　[2]林波．现场总线控制系统(FCS)的应用技术探析[J]．石化技术，2020，41(6)：356－357．

　　[3]郭加仁，齐兆军，寇云鹏，等．基于FCS总线技术膏体充填控制系统设计[J]．矿业研究与开发，2020，40(5)：154－158．

　　[4]刘洪波．浅析FCS在工控领域中的应用和发展[J]．科技创新导报，2019，16(34)：98－99．

　　[5]徐春霞，王相军，葛跃田．基于Profibus总线技术的FCS控制系统在甲醇装置中的应用[J]．新技术新工艺，2019，41(8)：24－26．

　　[6]苏雄．基于FCS的钼矿选矿浮选自动加药系统的设计[D]．西安：西安科技大学，2015．

　　[7]彭云秀，王旭，邹国斌，等．黄金选矿厂冗余FCS自动控制系统设计[J]．铜业工程，2015，32(2)：44－48．

　　[8]熊鹏．探讨PLC、DCS和FCS的特点及在电厂中的应用[J]．科技与创新，2015，2(5)：108－110．

　　[9]张亚停．现场总线控制系统FCS和集散控制系统D CS的差异[J]．可编程控制器与工厂自动化，2014，20(9)：52－55．

　　[10]宋艳欣．FCS技术在选煤厂的应用[J]．工矿自动化，2009(11)：97－100．

　　[11]高培林，程良鸿．FCS技术国内应用的现状及存在的问题[J]．仪表技术，2005(4)：61－62．

　　[12]黄麟，王乐樵．FCS技术在国产染整前处理设备上的应用[J]．纺织机械，2006(6)：31－33．

　　[13]蒲汝贵．FCS技术在煤矿安全生产中的应用探讨[J]．中州煤炭，2011(9)：58－59．

　　[14]于秋瑞，张美茹．FCS在煤矿地面生产系统中的应用[J]．电气传动自动化，2012，34(3)：55－58．

　　[15]黄河，王信，刘福华，等．基于FCS的煤矿井下电机车运输监控系统的研究与应用[J]．煤矿机械，2013(3)：260－262．

　　[16]刘会景，李琨，刘节影．现场总线在煤矿现场监控系统FCS中的优化[J]．中国矿山工程，2007(3)：36－38．

　　[17]陈冬芳．基于FCS数据通信技术的研究与实现[D]．大庆：大庆石油学院，2003．

　　[18]周悦．FCS通信过程的建模、分析与调度[D]．沈阳：中国科学院沈阳自动化研究所，2002．

　　[19]陈劲松．FCS在工业自动化领域的应用及发展[J]．山东工业技术，2018(3)：140．

　　[20]龚成龙，丁兆奎．集散控制与现场控制的比较及对FCS技术的展望[J]．淮海工学院学报(自然科学版)，2000，9(3)：29－32．

　　[21]杨晨光，孙亚军．现场总线的新技术FCS[J]．黑龙江水利科技，2006，34(6)：43－44．