控制策略在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)問題的討論

中國鋼鐵科技集團(tuán)冶金自動化研究設(shè)計(jì)院 斯可克

武漢有機(jī)實(shí)業(yè)有限公司 羅建軍 吳伯沛

1 引言

現(xiàn)在關(guān)于現(xiàn)場總線和DCS的爭論已經(jīng)平息。業(yè)界基本一致認(rèn)為它們已經(jīng)融合為一體。最多是控制系統(tǒng)有接入現(xiàn)場總線能力和暫時沒有這個能力的區(qū)別。從DCS“分散控制集中管理”的基本理念看，現(xiàn)場總線只不過是能夠把“分散”發(fā)揮到徹底的極致而已。這里我們僅根據(jù)自己的體會并引用一些專家的試驗(yàn)和分析對這些問題進(jìn)行一些討論。

2 控制策略實(shí)現(xiàn)的位置對控制性能的影響

由于總線現(xiàn)場設(shè)備的高度智能化，它已由單一的檢測變送或執(zhí)行功能又增加了網(wǎng)絡(luò)管理、設(shè)備管理和基本控制策略計(jì)算。這對傳統(tǒng)DCS用戶又提供了多一種選擇，他可以將控制策略計(jì)算全部或部分安置在現(xiàn)場設(shè)備之中。當(dāng)然他也可以仍舊全部放置在集中控制器中。許多習(xí)慣傳統(tǒng)DCS控制模式的人士對控制策略在現(xiàn)場儀表中實(shí)現(xiàn)充滿疑慮，其主要顧慮在于控制的可靠性和它的控制性能。這個問題可以由分析和實(shí)踐兩方面回答。

一個單回路調(diào)節(jié)在傳統(tǒng)系統(tǒng)控制器內(nèi)完成和在現(xiàn)場總線現(xiàn)場設(shè)備內(nèi)完成的對比框圖如圖1所示。

圖1 在傳統(tǒng)控制器和現(xiàn)場設(shè)備里完成控制策略的對比

顯然總線在現(xiàn)場執(zhí)行的控制環(huán)節(jié)將減少近一半，減少多次AD/DA環(huán)節(jié)和電纜傳輸無疑將避免數(shù)據(jù)誤差，提高控制精度。這意味著可靠性和效率的提高。從事自動化領(lǐng)域咨詢顧問業(yè)務(wù)的ISC有限公司的Andy Clegg博士在2010年5月發(fā)表研究報告說以PID調(diào)節(jié)在現(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)（CIF-Control In Field）和在控制器（DCS）實(shí)現(xiàn)進(jìn)行性能對比，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 DCS循環(huán)周期和現(xiàn)場總線宏周期

PID控制策略在現(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)（CIF-Control In Fied）時，典型的FF-H1總線宏周期包括：

變送器AI執(zhí)行時間20ms；總線通信時間（即AI連接到PID）30ms；PID執(zhí)行時間30ms；AO執(zhí)行時間25ms，合計(jì)受調(diào)度時間105ms。加上背景通信時間共計(jì)150ms。

如果PID控制策略在DCS的CPU實(shí)現(xiàn)，變送器AI執(zhí)行時間20ms，A I連接到PID，和PID連接到AO需要兩個30ms總線通信時間，PID執(zhí)行時間20ms；AO執(zhí)行時間25ms，合計(jì)受調(diào)度時間125ms。又如果DCS的控制周期和總線宏周期同步（sync），那么控制周期將達(dá)500ms。但如不能同步(async)，控制周期將達(dá)500+125=625ms。

以流量調(diào)節(jié)為例對上述三種情況進(jìn)行測試，階躍響應(yīng)和過程擾動仿真測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 控制在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)（CIF）和在DCS實(shí)現(xiàn)的階躍響應(yīng)和過程擾動特性

以DCS控制器完成且不同步為比較基礎(chǔ)，其他兩種情況的過程收斂到設(shè)定值時間秒（±1%內(nèi)）和標(biāo)準(zhǔn)偏差百分?jǐn)?shù)與之的比較如表1所示。

表1 其他兩種情況的過程收斂到設(shè)定值時間秒（±1%內(nèi)）和標(biāo)準(zhǔn)偏差百分?jǐn)?shù)與之的比較

從比較看，快速的過程例如流量和壓力控制，在現(xiàn)場控制有明顯的優(yōu)越性。而對慢速過程或存在較大死區(qū)的過程則優(yōu)越性變小。另外這個優(yōu)越性也需要現(xiàn)場總線網(wǎng)段和儀表的有良好性能。如果儀表本身執(zhí)行時間長，網(wǎng)段負(fù)擔(dān)設(shè)計(jì)太重等原因都可能抵消部分對比優(yōu)越性。

以上提及的現(xiàn)場總線特別是將控制策略在現(xiàn)場執(zhí)行的優(yōu)越性在武漢有機(jī)實(shí)業(yè)有限公司苯甲等精細(xì)化工裝置多年應(yīng)用的實(shí)踐中都得以實(shí)現(xiàn)。因此對在現(xiàn)場執(zhí)行控制算法已經(jīng)習(xí)慣和平常了。武漢有機(jī)的經(jīng)驗(yàn)證明，在普通應(yīng)用中即使宏周期長達(dá)1000ms左右，控制也仍然表現(xiàn)十分平穩(wěn)，似乎比Andy Clegg博士分析的要求更寬松。而控制閥門的品質(zhì)（滯后和死區(qū)）對控制回路的影響卻相對比宏周期的影響更明顯，所以該經(jīng)驗(yàn)應(yīng)該特別引起注意。

現(xiàn)場總線技術(shù)優(yōu)越性在“卡邊”控制中大有用武之地。所謂“卡邊”控制是指那些為得到高的工藝品質(zhì)而需要將過程參數(shù)控制在安全臨界的邊沿上，只有高精確控制能力的系統(tǒng)才能同時兼顧到工藝品質(zhì)和生產(chǎn)安全二者。武漢有機(jī)在他們兩套精細(xì)化工裝置上使用現(xiàn)場總線設(shè)備實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量流量配比調(diào)節(jié)，流量實(shí)際偏差允許量很小（僅1%左右），實(shí)際運(yùn)行調(diào)節(jié)結(jié)果十分理想。同時據(jù)稱國內(nèi)至少3家其它同類裝置都因控制不好發(fā)生過事故，甚至有反應(yīng)器中的列管（不銹鋼材質(zhì)）都被燒熔了，如圖4所示。

圖4 高精度控制在“卡邊”控制中應(yīng)用

但是也要說明，控制策略在現(xiàn)場執(zhí)行，對于較為復(fù)雜的控制策略而言必然增加功能塊跨總線不同網(wǎng)段之間鏈接的可能性，功能塊執(zhí)行也需要占用現(xiàn)場設(shè)備時間。當(dāng)這些超過合理限度，對執(zhí)行速度的影響就會顯現(xiàn)出來。所以通常認(rèn)為，基本單回路控制在現(xiàn)場執(zhí)行效果更好些。當(dāng)然僅從現(xiàn)場設(shè)備能夠執(zhí)行的功能塊來說，例如串級，比率，前饋、分程、甚至交叉限幅和三沖量調(diào)節(jié)這些較復(fù)雜的控制也都可以在現(xiàn)場執(zhí)行。這樣，控制器的負(fù)擔(dān)就大大減輕。但高級復(fù)雜控制（例如關(guān)聯(lián)因素甚多的協(xié)調(diào)調(diào)度控制，先進(jìn)控制等）一般認(rèn)為應(yīng)該由控制器或更高層設(shè)備來完成。不過總線系統(tǒng)對功能的分布還是給用戶提供了更寬偏好和選擇權(quán)利。

3 可靠性評估的簡介

人類對改造自然的工程控制始終存在“可用性”和“安全性”這樣一對矛盾。而這兩個指標(biāo)都和我們使用手段的“可靠性”密切相關(guān)。目前有概率理論和許多分析方法為我們提供了對系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行“離線”可靠性評估的可能。當(dāng)然，評估結(jié)論僅是一個有置信度的概率結(jié)果。一類是從部分到整體的“歸納分析法”，例如“故障模式影響分析FMEA-Faul t Mode Ef fect Analysis”。另一類是從整體到部分的“演繹分析法”，例如“故障樹形分析FTA –Tree Anal ysis”。這里僅簡介下面使用的FTA方法。FTA是1961年由貝爾實(shí)驗(yàn)室為美國空軍和宇航設(shè)計(jì)的可靠性分析方法。隨后在核工業(yè)、電力工業(yè)和化學(xué)工業(yè)等部門得到應(yīng)用，目前已被廣泛采用。在自動化領(lǐng)域主要用于安全目的產(chǎn)品和系統(tǒng)的評估，同時也出現(xiàn)了一批權(quán)威的被業(yè)界接受的咨詢評估機(jī)構(gòu)。

FTA用多層結(jié)構(gòu)來表達(dá)一個系統(tǒng)或產(chǎn)品的可靠性構(gòu)成。頂層即系統(tǒng)或產(chǎn)品最終失效的結(jié)果，中間各層表達(dá)各種導(dǎo)致上一層失效的概率。最低層即無法或不打算再細(xì)分的失效原因。下圖是一個最簡單的FTA例子。如圖5所示。

圖5 簡單的FTA分析圖

FTA分析使用概率論的計(jì)算方法。評估機(jī)構(gòu)需要具有各種常用產(chǎn)品的失效率數(shù)據(jù)庫，這對普通用戶而言是難于具備的。但是它的思想還是可以參考，用于簡單的評價比較技術(shù)方案的可靠性高低或所采取措施的有效性等等。

4 現(xiàn)場總線對系統(tǒng)可靠性影響的分析

從直觀常識對比看，在現(xiàn)場執(zhí)行的控制回路可靠性比傳統(tǒng)DCS更高些。如表2所示。

表2 現(xiàn)場執(zhí)行的控制回路可靠性與傳統(tǒng)D CS的比較

Andy Clegg博士還利用“故障樹-fault tree”分析方法計(jì)算出圖2系統(tǒng)在控制器實(shí)現(xiàn)控制安全回路的平均無故障時間（MTBF）是15.9年，而在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)則達(dá)到48.2年，下圖是FTA的頂部。如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場總線回路可靠性FTA分析圖 （頂部局部）

目前控制系統(tǒng)接入現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)有兩類。一類是在傳統(tǒng)DCS結(jié)構(gòu)上通過H1或HSE接口卡。如果我們沒有接這些卡件，那么系統(tǒng)就是傳統(tǒng)DCS結(jié)構(gòu)。我稱之為“外延”式結(jié)構(gòu)，例如圖2系統(tǒng)。另一類是主控制器CPU同時就是H1和HSE接口。但這個卡件也可以通過背板總線連接傳統(tǒng)I/O卡件。如果我們沒有使用總線現(xiàn)場設(shè)備，那么系統(tǒng)就是基于F F通信和功能塊協(xié)議的DCS結(jié)構(gòu)。我稱之為“內(nèi)涵”式結(jié)構(gòu)。下圖是控制器和H1總線均冗余的結(jié)構(gòu)。如圖7所示。

圖7 兩種接入現(xiàn)場總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)FTA思想方法，我們可以對這兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可靠性簡單進(jìn)行對比。由于沒有專業(yè)數(shù)據(jù)庫支持，我們簡單的將系統(tǒng)部件失效率分為p1、p2、p3三類。其中復(fù)雜的控制器類失效率最高為p1，總線接口，電源為中等失效率p2，相對簡單的傳統(tǒng)I/O卡和背板的失效率最低為p3。如表3所示。

表3 外延結(jié)構(gòu)p o與內(nèi)涵結(jié)構(gòu)p i的比較

為提高系統(tǒng)的可靠性，重要的部件如控制器電源等都采取了冗余措施，所以它們整體的失效率被相乘以后（p1* p1）就變得更低了。

顯然pi＜Po，即內(nèi)涵結(jié)構(gòu)因減少一個環(huán)節(jié)而失效率相對較低。

5 結(jié)論

綜上所述，控制在現(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)是基金會現(xiàn)場總線技術(shù)所特有的技術(shù)，它不但是更可靠的而且控制性能也是更好的。

[1]Dr Andy Clegg,Control in the Field:Ananlysis of Performance Benefifs ,ISC Ltd May 2010 Fieldbua Foundation