石油化工自動化中FCS 控制系統的運用

于 萍

（中海瀝青股份有限公司，山東 濱州 256600）

1 FCS 控制系統

1.1 FCS 控制系統發展與介紹

現場總線控制系統FCS，英文全稱Fieldbus Control System，是將分散控制系統（DCS）與可編程序控制器（PLC）相結合逐漸發展而形成的新概念。PLC 與DCS都能建立起大范圍網絡系統，在實際應用層面已有大范圍融合。FCS 在兼具了分散控制系統與可編程序控制器的優點的同時，還做出了全新的突破[1]。

過去，通常在網絡控制系統中選擇分散控制系統結構作為組件。但分散控制系統需要現場信號的點對點連接，I/O 終端與可編程序控制器或自動儀表往往不會放置在網絡控制現場，而是將其同時放置在控制柜中，這需要鋪設許多傳輸電纜用作傳輸信號，并且鋪設電纜時，電纜線路復雜、所需材料成本和時間成本十分大，并且用電纜進行傳輸會造成信號衰減、故障敏感性和維護不便，又造成后期維護成本高昂，基于現場總線控制系統FCS 的控制系統能夠完美地克服這些缺點。

現場總線控制系統利用現場總線控制和通信網絡連接現場控制器與智能現場儀表設備，實現數字分布式控制和雙向通信，是一個實時網絡控制系統，為管理層提供實時數據。

FCS 采用現場總線技術，所有I/O 模塊都放置在工業區，所有信號都由分布式智能I/O 模塊轉換為標準數字信號。使用電纜（兩線或者四線）連接現場的所有子站，可以輕松地將現場信號傳輸到控制室內的監控設備，從而達到降低成本、易于安裝和維護且數字數據傳輸系統具有較高傳輸速率和較強抗干擾能力的目的。

FCS 是開放的，FCS 中所有軟件和硬件都遵循相同標準，它們的數據可互換，易于更換。編程和開發工具完全開放，可以使用計算機豐富的軟件和硬件資源。

FCS 系統的基本結構是工業計算機或商用PC、現場總線主接口卡、現場總線輸入/輸出模塊、PLC 或NC/CNC 實時多任務控制軟件包、多態軟件和應用軟件。上位機的主要功能包括系統配置、數據庫配置、歷史數據庫配置、圖形配置、控制算法配置、數據報告配置、實時數據顯示、歷史數據顯示、圖形顯示、參數列表、數據表達、數據輸入和參數校正、控制操作定制、報警處理、錯誤處理、通信控制、人機界面等，實現中央控制、分散風險、數據交換和完全開放控制的要求[2]。

1.2 系統設計

FCS 對現場檢測控制系統模塊設計分析要求，主要包括以下三個基本設計要求層次：第一層要求是模塊化現場自動檢測分析儀表模塊和系統執行器模塊，是集成在一級系統和其他常規儀表模塊中的一種自動分析測試單元，對生產過程現場存在的各種環境參數進行動態分析、研究和異常跟蹤；第二層是與其他石化生產測試設備模塊和自動控制系統單元的連接；第三層是通過控制數據的遠程交互隨時隨實現自動應用。FCS 控制系統在具體運營中，必須滿足現場自動化系統生產控制全過程的動態監控、實時管理和現場管理任務，必須符合遠程現場計算機總線協議的具體規定或要求。

1.3 FCS 控制系統的運用

FCS 控制系統在很多現代企業都有著廣泛運用，自動通信控制系統在產品研發和實際應用中都起到巨大作用。物理網絡由低速度和高速度組成，低速最大速度是每秒31.25kbps，高速最大速度是每秒2.5Mbps/500m。低速總線有4 個中繼器，每個節段能夠串聯上最多可用32 個節點。高速母線上的節點每一個節段內的最大可連接點數也可為多達124 個，滿足對雙向高速母線系統的傳輸能力要求[3]。

從總線技術和運用、系統基本原理和硬件結構特點出發，現場自動化計算機總線綜合控制系統技術繼承、發展和完善了國內外大量成功運用的典型dcs/plc控制系統設備的最新技術成果。與其他類型的dcs/plc控制產品技術相比，系統技術能夠迅速充分并有效安全地實現對現場及所有相關自動智能控制和設備系統的快速及實時數字化、智能化管理數字化和操作程序網絡化[4]。

2 石油化工自動化中FCS 控制系統運用情況分析

2.1 現場總線網絡控制系統

總線網絡控制系統設計的主要思路是，考慮建立一個滿足實時環境要求的實時交通系統。系統可以有效地傳遞和利用其他資源結構功能，以確保有效對控制系統的各種規劃指標進行動態綜合圖像分析，并保證這些動態成像工具功能可以同時使用，實現對系統動態目標規劃的獨立控制。因此，有必要重點解決設計中的許多問題，如資源配置方法的選擇、控制過程的優化調度等。考慮到未來石油化工系統和自動化系統行業的發展，對新一代FCS 智能控制系統發展提出了更高的科技要求，智能控制系統技術在未來石化工業發展技術環境中的運用，要求至少需要同時具備滿足以下關鍵自動控制裝置技術能力的三項基本共性技術要求。

表1 模塊數據標準

一是將現場所有需要與現場總線控制系統單元直接相連通的各類智能模塊之間有效集成，以同時滿足對多回路智能單元控制或指令實現聯合與執行能力的各相關硬件要求。

二是FCS 現場信息總線數據現場傳輸總線的兩個主要業務類型包括現場無線數據直接總線傳輸接口和數據現場實時有線傳輸。面向連接的信息傳輸和交換方法又分為兩類：通過請求和響應等較慢的信息交換，獲得數據的傳輸方法和基于dldpu 協議確定的信息傳輸和交換方法。鏈路活動由不同的有線網絡傳輸和連接模式組成，可有效地確保整個FCS 網絡控制系統在網絡中的高實時數據鏈路時間的同步。FCS 循環規劃控制系統中的循環控制設計過程，常常要求控制系統設計者根據一定數量的循環控制規劃模型參數和設計算法，進行重新調整規劃系統。基于對FCS 周期性過程控制系統策劃，在一次控制周期時間內，控制周期循環過程通常只能同時執行控制一次，整個循環控制的過程通常可以簡單用下述兩組三元組數據分別表示：

三是通信所需的最小帶寬之間必須有一個處理延遲，該處理延遲在時間上類似于系統可行性驗證中確定的所有系統通信處理延遲，可以作為定量分析FCS可行性條件的主要技術基礎。

2.2 實時控制需求和時間限制

FCS 控制系統運行過程中受到工作時間條件和周期性條件的雙重影響，處理過程應結合傳感器驅動分解現場總線控制系統的運行時間限制，采用系統運行最壞情況下的實際系統啟動時間。根據啟動時間和占空比時間這判據來定量評價方法的效果。FCS 在有時間限制條件的特殊情況條件下，要滿足運動測量和運動控制等功能需求，必須要同時能夠滿足以下三個關鍵技術性能需求。

表2 變頻器設置參數

首先，要保證在短短幾毫秒鐘內自動完成實時運動學模型和空氣動力學分析計算工作。

其次，將參考值的采樣時間周期（毫秒）自動傳輸到網絡自動控制系統上。

最后，確保網絡控制系統的速率與閉環系統帶寬的比率是1：10。

控制與分析系統的周期性，運用以下總體公式：

結合運用上述這兩個公式，對FCS 控制系統正常工作運行周期中存在的時間、實際變化條件進行計算分析，結果表明，當任意一個傳感器/系統驅動的控制測量過程超過系統設定的工作時間條件限制時，會受到軟時間和超硬時間兩種特殊條件影響。當FCS 技術軟件直接作用于影響控制系統程序正常穩定運行狀態或運行超過系統時間限制值時，將直接影響整個系統FCS 技術功能的實施效果，導致控制系統正常穩定運行或者功能失效[5]。

2.3 FCS 時間視圖

為了實現FCS 實時系統的穩定運行模式，需要以全局時鐘節點作為運行時間控制的基準。通過時間分步延遲的測試方法進行的可驗證性測試發現，對于那些能夠同時使用且具有連接至少10 個或數個以上的時鐘節點功能的FCS，當系統同時使用輪詢協議時，時鐘節點之間產生的時間同步的延遲，很有可能小于了10個μs。當發現對其中某些特定運用FCS 時鐘節點時，可能對于缺少具有這些運用特殊物理時鐘單元實時同步的功能時，可再進一步通過建立輪詢模型完成分析和比較、評估與計算和系統實時運行仿真驗證。

其中，δ 是主時鐘的漂移率，時鐘的延遲時長是D，允許時鐘漂移的最大值Tdmax，修改周期的標準界限是Tu。如果時鐘同步<10μs 的話，那么Tdmax=1μs，則δ=0.01%。而對應的Tu則為10ns。通過上述看出，FCS 使用時鐘形式和其他無全局時鐘形式，也必須滿足全局時鐘的同步和精度要求。目前實際運用于FCS 控制系統中的邏輯時鐘算法，主要方法有時間事件主站、事件計數方法和多邏輯時鐘三種。

2.4 基于FCS 和DCS 的混合控制系統的研究和運用

作為集成智能控制系統技術的一項發展優勢，可逐步將FCS 及其集成控制器與整個現代DCS 系統建設有效深入結合，充分發揮兩套集成完整的系統在現代計算機控制系統I/O 綜合總線系統的集成、網絡技術集成系統運用中的相互協同作用。為了在未來盡快實現企業自動化管理生產過程和信息化的發展，在改造現有常規DCS 控制器設備技術的基礎上建設企業，通過對公司DCS設備控制或管理系統的自動化調整和升級，實現公司DCS 自動控制系統設備的一部分能力。對比單設備運用的FCS，改進DCS 控制與FCS 控制技術之間更大的技術兼容性。FCS 控制系統與DCS 自動化系統的有效集成，可使生產現場控制設備通過現場總線接口同時與HU 通信，現場總線FIU 接口通過現場總線I/O 連接直接與整個DCS 現場的所有控制設備單元通信。這種新型嵌入式工業通信控制系統，完全能夠快速滿足項目自動化發展需求。

3 結語

目前我國計算機與自動化相關技術已經成熟，但在FCS 自動控制系統方面，技術能力還不夠完備，在開發運用上采用的操作流程亟待改進。同時，在推廣過程中也出現了很多應用偏差的現象。為了能夠更好地開展石油石化市場，應充分利用有關人力資源，將自動化進程再提升一個階梯，逐步將石油生產與相關分控開發利用發揮到最大效力。對過去忽略的一些小問題繼續進行研究攻關，推動石油石化生產自動化集成控制更加全面完善，將傳統與現代化結合，將開發與控制放在同一水平線，有效發揮系統集成化控制技術能力，進一步推進石油石化生產行業可持續發展。