生意社2011年09月27日讯 浅议石化企业DCS、FCS的应用和发展
浅议石化企业DCS、FCS的应用和发展
“信息化带动工业化，工业化促进信息化”是中国的国策。石油和化工企业的信息化分为三层结构：第一层以PCS(Process Control System，过程控制系统)为代表的生产过程基础自动化层，第二层以MES(Manufacturing Execution System，制造执行系统)为代表的生产过程运行优化层，第三层以ERP(Enterprise Resource Planning，企业资源计划)为代表的生产过程经营优化层。本文针对第一层(PCS)浅谈DCS(Distributed Control System，集散控制系统或分散控制系统)、FCS(Field-bus Control System，现场总线控制系统)的应用和发展。
1. DCS的应用和发展
DCS自20世纪70年代问世以来，经过几代技术变迁和更新发展，现已广泛应用于各个行业，其中石油和化工企业的应用更为普及，技术改造项目用DCS，新建项目用DCS。在石油和化工企业有用DCS逐步替代常规仪表控制系统的发展趋势。
DCS应用之所以如此普遍，究其原因它有以下一系列的特点和优点：
①分散性：其含义是指分散控制、地域分散、设备分散、功能分散和危险分散。硬件积木化和软件模块化是分散性的具体体现。目的是为了使危险分散，进而提高系统的可靠性和安全性。
②集中性：其含义是指集中监视、操作和管理。用通信网络把分散的设备构成统一的整体，用分布式数据库实现全系统的信息集成，进而达到信息共享。人们可以同时在多台操作站上集中监视、操作和管理。
③自治性：其含义是指系统中的各台设备均可独立地工作。控制站自主地进行输入、运算、控制和输出，操作员站自主地实现监视、操作和管理，工程师站可以在线或离线组态。
④协调性：其含义是指系统中的各台设备用通信网络和数据库互连在一起，相互传送信息，相互协调工作，以实现系统的总体功能。DCS的分散和集中、自治和协调不是互相对立，而是互相补充。
⑤灵活性和扩展性：硬件采用积木式结构，可以灵活地配置成小、中、大各类系统，并可以根据企业的发展逐步扩展系统。软件采用模块式结构，提供输入、输出、运算和控制功能块，可以灵活地组态构成简单、复杂各类控制系统，并可以根据生产工艺流程的改变，随时修改控制方案。
⑥可靠性和适应性：分散性带来系统的可靠性，并采用一系列冗余技术、热拔插技术、故障诊断和故障屏蔽技术。采用高性能的元器件、先进的制造工艺和抗干扰技术，使DCS能够适应恶劣的工作环境。
⑦先进性和继承性：硬件上采用先进的计算机、通信网络和人机接口；软件上采用先进的操作系统、数据库、网络管理和控制语言；控制算法上采用自适应、预测、推理、优化等先进控制技术。DCS更新换代比较快，继承性体现在新、老系统互相兼容，可以给用户带来更好的利益。
DCS随着计算机、控制、网络通信、组态软件、信息集成和数据库技术的发展而不断更新和发展，主要体现在以下几个方面：
①信息化：DCS已从单一的控制系统，发展为集控制和管理于一体的综合信息系统。DCS提供了从生产现场到车间，再从工厂到公司，最后到企业集团的整个信息通道，充分体现了信息的全面性、准确性和实时性。
②集成化：DCS已从单一封闭系统，发展为集成各类PLC、工业PC、数字化仪表和设备，甚至不同型号DCS可以互相集成和信息共享，为最终用户提供集成化综合系统。
③智能化：随着人工智能、专家系统、自适应、预测和推理等先进控制技术的发展和应用，DCS也适时地融合这些新技术，实现先进的智能化控制功能。
④开放式网络：DCS已从单一封闭网络，发展为开放式网络系统，通过互联网技术和IE浏览器，可以访问过程画面、查询数据、管理调度和指挥生产。开放式网络的关键是网络安全，传统DCS采用软件防火墙，现代DCS不仅有软件防火墙，而且有硬件防火墙，既保证网络安全开放，又保证监控层的实时性。例如，Honeywell公司的Experion PKS R300的控制站采用硬件防火墙技术。
⑤容错以太网(FTE)：传统DCS用两条独立网络(A，B)实现冗余，两台设备之间只有一条通信路径，其本质是单条网络运行，故障时整条网络切换(A到B或B到A)，切换时间长，可靠性低。现代DCS用容错以太网(FTE，Fault Tolerant Ethernet)，如图1所示。图1中交换机S1~S6互相连接，其中S1和S2为上层，S3~S6为下层，每台设备(D1~D4)同时连接两台下层交换机，任意两台设备之间有4条通信路径，其本质是多条网络运行。例如，设备D1和D4之间的4条通信路径分别为D1→S3→S1→S5→D4，D1→S3→S1→S2→S6→D4，D1→S4→S2→S1→S5→D4，D1→S4→S2→S6→D4。故障时只需切换路径，切换时间短，可靠性高。例如，Honeywell公司的Experion PKS R300采用此FTE技术，FTE设备节点之间网络带宽可达200Mbps，交换机之间可达1Gbps。
图1 容错以太网(FTE)
⑥无线网络技术：支持手持移动无线操作站，将无线技术与控制技术融为一体，进行现场操作监控、故障处理和仪表校验，实现操作与维护的无缝集成。例如，Honeywell公司的Experion PKS R300采用此无线网络技术。
⑦数字视频技术：通过摄像头采集现场图像信息，再通过图像识别软件，进行图像处理，发现异常图像，立即发出报警信号，具有自动录像和录像回放功能，便于事故分析，并将数字视频技术与操作监控软件融为一体。例如，Honeywell公司的Experion PKS R300采用此数字视频技术。
⑧先进控制站：DCS的基础是控制站，为了进一步提高控制站的可靠性、稳定性和安全性，增强控制站的功能，而采用了一系列先进技术。例如，控制站采用无底板模块结构，独立倾斜式垂直插拔，散热效果好，接线维护方便；采用容错以太网(FTE)，硬件控制防火墙(冗余)，冗余控制器、冗余I/O、冗余电源、冗余现场总线接口；采用先进的预估控制算法，鲁棒性好，具有参数自整定功能。Honeywell公司的Experion PKS R300控制站是上述先进控制站的代表之一，如图2所示。
图2 PKS R300控制站
2. FCS的应用和发展
FCS是一种新型的分布式网络控制系统，它既是现场通信网络系统，也是现场自动化系统。它作为一种现场通信网络系统，具有开放式数字通信功能，可与各种通信网络互连。它作为一种现场自动化系统，把安装于生产现场的具有输入、输出、运算、控制和通信功能的各种现场仪表作为现场总线的节点，并直接在现场总线上构成分散的控制回路。
FCS代表当今控制技术和DCS的发展方向，并以进入工业化应用阶段。人们对FCS有各种评论，既有对新技术的赞尝，也有对现状的困惑。尽管众说纷纭，笔者认为，目前是FCS和DCS并存，FCS作为DCS框架下的重要分支应用发展，略表以下个人之见：
①FCS的变革：不仅变革了传统的单一功能的模拟仪表，将其改为综合功能的数字仪表；而且变革了传统DCS的控制站，将输入、输出、运算和控制功能分散分布到现场总线仪表中，在现场总线上构成控制回路，形成了全数字的彻底的分散控制系统。
②FCS的特点：具有系统的分散性、系统的开放性、产品的互操作性、环境的适应性、维护的简易性、系统的可靠性和使用的经济性这7个方面的特点或优点。有人对“使用的经济性”有异议，这是正常的暂时现象，其原因是FCS尚未进入大批量应用阶段，现场总线仪表及辅助设备价格偏高。随着FCS的推广应用，技术进步，市场竞争，优胜劣汰，FCS的经济性将会显现。回想当年，DCS也是如此，现在人们已完全接收了DCS。
③FCS的应用：典型工业应用实例是上海赛科(SECCO)90万吨/年乙烯工程，DCS采用Emerson公司的Delta V系统，控制站除常规I/O模块外，配置了FF-H1现场总线模块，每个模块的2个接口分别构成2段FF-H1总线，每段FF-H1总线设计9台仪表(实用6台，备用3台)。该工程实用FF-H1现场总线段2473条，FF-H1现场总线仪表14375台，平均每个FF-H1现场总线段上挂5.8台仪表。FF-H1现场总线段上集成了不同厂家的现场总线仪表，除了Emerson的温度、压力、流量等仪表，还有E+H的雷达液位计和流量计，ABB的阀门定位器，ROTORK的电动马达控制器，TYCO的电动马达控制器等，保证了多种产品的一致性和互操作性。
④FCS的集成：小型工程项目中FCS自成系统，中、大型工程项目中FCS和DCS控制站集成，一般有两种集成方式。一种是FF-H1现场总线模块作为控制站的下属I/O模块，例如Emerson公司的Delta V系统，如图3所示；另一种是FF-H1现场总线模块独立，例如Honeywell公司的Experion PKS R300系统，如图4所示。前者FF-H1依附于控制器，信息传输慢；后者FF-H1独立，信息传输快。图3和图4中工程师站(ES)、操作员站(OS)、计算机站(CS)为DCS操作监控层设备，控制站中有冗余电源(P)、控制器(C)、现场总线接口(H1)以及各类I/O模块。
图4 FCS和DCS集成之二
⑤FCS的发展：FF-H1现场总线通信速率为31.25Kbps，不支持冗余总线，有人对这2点提出异议。值得高兴的是目前有多种现场总线，既有中速也有高速现场总线，而且工业以太网(Ethernet)也已进入实用阶段，正在从高层向底层延伸，有望实现“E(Ethernet)网到底”。FCS代表技术发展方向，在应用中不断改进，扬长避短，必将出现更加完美的FCS。
3. 先进控制技术的应用
根据“十一五”时期信息化发展规划，先进控制技术在流程工业的应用普及率达70%以上。
DCS和FCS为先进控制技术的应用提供了条件，先进控制软件作为DCS的可选件集成于系统之中。常用的先进控制技术主要有以下几种：
①单回路整定技术：单回路PID控制始终占据过程控制的主导地位，但鲁棒性能不理想，对大滞后和强干扰的过程表现出明显的不足。为此，研发出单回路模型预测控制，自动调整控制参数，适用于大滞后和强干扰的过程。例如，Honeywell公司的Experion PKS R300系统中的Profit Loop单输入单输出(SISO)模型预估控制算法。
②软仪表技术：这是基于过程机理模型或统计模型，对产品主要参数进行在线预估，并将预估参数参于在线控制产品质量。例如，Honeywell公司的针对常减压原油切换的Profit GCC软件包。
③多变量模型预估控制技术：这是先进控制的核心技术，首先辨识过程模型，再预估过程参数和被控量，并与所要求的目标值比较，若有偏差，则计算出最优控制量，从而实现全装置的多变量控制。例如，Honeywell公司的RMPCT软件包，Aspen Technology公司的DMC-plus软件包。
④在线优化技术：这是基于过程机理模型和动态优化技术，找出最优操作点，再通过多变量控制器实现优化操作。例如，Honeywell公司开发了基于Profit Optimizer、Profit Bridge和机理模型的动态优化软件，应用于乙烯和炼油装置。
⑤性能监视和维护技术：先进控制的效益投运初期较高，随着运行时间增加、装置性能变化、模型失配及操作变化等原因，致使先进控制性能降低，经济效益也随之下降。为此，开发商推出了先进控制性能监视和维护工具软件，来维护先进控制的效益。例如，Honeywell公司开发出Scout软件，Aspen Technology公司开发出Aspen Watch软件。
今后推动DCS、FCS、先进控制技术的应用和发展寄希望于流程工业，尤其是石油和化工行业是领头军。在“信息化带动工业化，工业化促进信息化”国策的指引下，必将迎来DCS、FCS、先进控制技术的应用和发展的春天。
作者简介：
王锦标教授1970年毕业于清华大学，现任清华大学自动化系教授，承担自动控制理论、DCS和FCS的教学、科学研究和指导研究生的工作。编著出版了“过程计算机控制”、“计算机控制系统”、“现场总线控制系统”等著作。
来源:数字化工
