現場總線控制系統在石油行業的發展

宋江

（中國石油管道大慶輸油氣分公司，黑龍江 大慶 163000）

“信息化帶動工業化，工業化促進信息化”是中國的國策。現在石油和化工企業的信息化分為三層結構：第一層以PCS(Process Control System，過程控制系統)為代表的生產過程基礎自動化層，主要內容包括先進控制系統（DCS、FCS）、先進控制軟件、軟測量技術、實時數據庫等。第二層以MES(Manufacturing Execution System，制造執行系統)為代表的生產過程運行優化層，主要內容包括現金計劃與調度技術APS、生產實時跟蹤技術、動態質量控制與管理技術、物料平衡技術等。第三層以ERP(Enterprise Resource Planning，企業資源計劃)為代表的生產過程經營優化層，主要內容包括企業資源管理ERP、供應鏈管理、產品質量數據管理、設備資源管理、企業電子商務平臺等。三層結構在功能劃分上雖有重疊，但各有側重。

1 (FCS)現場總線控制系統的特點

根據IEC/ISA定義，現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支的通信網絡。它是用于過程自動化最底層的現場設備以及現場儀表的互連網絡，是現場通信網絡和控制系統的集成。它具有系統開放性；互可操作性和互用性；現場設備的智能化與功能自治性；系統結構的高度分散性；對現場環境的適應性等技術特點。FCS與傳統控制系統（如DCS）的結構對比如圖所示。

2 (FCS)現場總線控制系統的優勢分析

2.1 節約初期投資和安裝費用

以采用PROFIBUS-DP為例，構成多主站控制系統。由于現場的智能設備具有多種功能，因而可不再需要單獨的控制器、報警設定器、及DCS系統的多種卡件、隔離柵等。所以說可以省去本聯合裝置中4個控制柜和4個安全柵柜中所有卡件、隔離柵及其他變送器、設定器等控制設備。但是相比較電Ⅲ型儀表，現場智能儀表價位稍高，總體上來說硬件投資低于DCS系統。由于控制室內設備減少，并且現場總線系統接線簡單，一對雙絞線上可掛接多個設備，因而電纜、槽盒、橋架用量和規格大大減少，既節約了投資，也減少了設計、安裝工作量。橋架寬度規格減小，能相應減少土建專業施工難度。總體上而言，可減少初期投資。

2.2 節約后期安裝和日常維護費用

當后期需要增加現場控制設備時，無需增設新電纜，就近連在原電纜即可，節省了后期電纜投資和相應的施工工作量，普遍認為可節約安裝費用60%。由于現場控制設備本身具有自診斷、故障自處理能力，并且控制網絡可以將現場控制設備的狀態、診斷信息傳輸到控制室，操作管理人員可以快速、準確的了解和查詢生產現場和自控設備的運行狀態。作為網絡節點的智能現場設備，具備數字計算和數字通訊能力，位于現場的測量變送與執行機構之間直接借助網絡傳送信號，因而控制功能可直接在現場完成，實現了徹底的分散到現場的控制系統功能，從根本上提高了控制系統運行的可靠性和有效性。

2.3 用戶具有高度的系統集成主動權

控制網絡突破了DCS系統中因專用網絡的封閉造成的缺陷，采用開放化、標準化的解決方案，用戶可根據廣泛認可的、開放的協議選用總線系統，不會為系統集成中不兼容的協議、接口而煩惱。

3 國內工程應用存在的問題

3.1 價格問題

FCS的主要特點是節省安裝費用和維護開銷，在硬件的價格方面并不比傳統的DCS或者PLC低，甚至要略高于它們。國外的FCS應用試點報告已說明了這種情況，FCS的總費用低。但在國內，一方面用戶對硬件的價格十分敏感，而進口FCS硬件的價格高得驚人；另一方面，由于國內目前人工費用低，所以工程設計，管理，安裝，調試等費用遠比國外低。這是FCS在國內應用不多的一個重要原因。

3.2 冗余問題

按照現場總線的設計思想，低速部分不需要冗余，因為它已經將危險分散了，局部故障不會導致全局的故障。現場總線的智能化儀表又有實現維修預報的功能，可以事先防范；而且萬一現場儀表故障，調節回路失靈，也可以由主機進行操作干預。主機出現故障時，現場儀表在現場自成調節回路而實現自主調節。但在實際生產中的一些特殊應用場合，控制系統用戶(尤其是出現過由于控制系統失靈導致工廠事故的生產企業)特別強調冗余，有的甚至要冗余到底(包括電源，網絡等等)，而目前現場總線國際標準FF的F1和Profibus的PA都沒有冗余。當然，要完全冗余，在技術上不是完全不可能的，但這樣一來，在經濟上往往是不允許的。

3.3 調試和運行維護比預料的難

由于現場總線技術包含許多新的技術內容，尤其是像FF這樣的現場總線本身相當復雜，在調試過程和運行維護中經常會遇到這樣那樣的困難。

4 前景展望

目前，在我國絕大部分過程工業都以DCS作為主流控制系統，電皿型儀表作為主導儀表；加上因認識上的原因和現場總線智能儀表尚為非主導產品，暫不能大量普及FCS。單從利用現有資源角度，DCS系統的消失或完全被取代，短期內也是不合理的，應立足于現有DCS，充分挖掘現有設備的潛力(如可以在DCS與FCS之間安裝網關，以實現信息的傳遞)，使既有投資又不至于浪費。另外，DCS是一個不斷發展的控制系統，它必然采用現場總線技術對自身進行改造，使DCS能與現場總線智能傳感器(智能儀表)和局部FCS連接起來。目前一段時期所有這些情況造成FCS與DCS共存的局面。據估計，用10年左右的時間才能真正過渡到FCS的主導地位。

[1]陽憲惠.《工業數據通信與控制網絡》.清華大學出版社.

[2]李正軍.《現場總線與工業以太網及其應用系統設計》.人民郵電出版社.