江波

（九江石化設(shè)計(jì)工程有限公司，江西九江 332000）

石油化工行業(yè)是我國(guó)行業(yè)發(fā)展的重要組成部分，也是工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。推動(dòng)石油化工朝著自動(dòng)化和信息化的方向發(fā)展，不僅符合現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)對(duì)石油化工生產(chǎn)加工提出的要求，同時(shí)也能夠?qū)Υ龠M(jìn)我國(guó)自動(dòng)化技術(shù)水平的提高起到一定的積極作用。FCS 控制系統(tǒng)是石油化工自動(dòng)化中的重要內(nèi)容，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)石油化工整個(gè)生產(chǎn)加工運(yùn)行的有效控制。

1 FCS 控制系統(tǒng)

1.1 FCS 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

結(jié)合石油化工自動(dòng)化的生產(chǎn)要求，對(duì)于FCS 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)層次，現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行器是第一層次，這一層次中的各種分析儀表和常規(guī)儀表能夠用于對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析和檢測(cè)，第二層次需要能夠連接各種生產(chǎn)設(shè)備和系統(tǒng)單元，將系統(tǒng)單元產(chǎn)生的控制信息傳輸給各種生產(chǎn)設(shè)備以便能夠?qū)@些設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，第三層次是計(jì)算機(jī)管理層，依靠FCS 控制系統(tǒng)，對(duì)外能夠?qū)崿F(xiàn)各種設(shè)備信息與工作人員的交互，對(duì)內(nèi)能夠滿足對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控和管理任務(wù)

FCS 控制系統(tǒng)的應(yīng)用，需要在現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的規(guī)定要求下，由現(xiàn)場(chǎng)儀表共同構(gòu)成一個(gè)控制回路，這些儀表能夠借助控制回路承擔(dān)控制站的一些功能。控制站在實(shí)際的自動(dòng)化生產(chǎn)中能夠執(zhí)行更復(fù)雜的控制算法。在FCS系統(tǒng)中，上位機(jī)是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理的主要裝置，圖1 是一種典型的以上位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的FCS 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 FCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 FCS 控制系統(tǒng)的應(yīng)用

FCS 控制系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用中，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層、用戶層是雙向總線結(jié)構(gòu)下的層次劃分主要類(lèi)型。在物理層主要包括低速和高速兩種速率的現(xiàn)場(chǎng)總線，低速總線的傳輸速率為31.25kbps，高速總線的傳輸速率為1Mbps/750m 或2.5Mbps/500m 兩種類(lèi)型。低速總線最多能夠串接4 臺(tái)中繼器，每段結(jié)點(diǎn)數(shù)最多為32 個(gè)。高速總線每段結(jié)點(diǎn)數(shù)最多為124 個(gè)，因而能夠滿足雙向總線的傳輸要求[1]。

由于不同的控制系統(tǒng)在實(shí)際的功能和價(jià)值方面存在一定的差異，因而在實(shí)際對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制時(shí)，通常需要將幾種不同的控制方法結(jié)合起來(lái)進(jìn)行應(yīng)用。從應(yīng)用原理和特點(diǎn)的角度來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是對(duì)以往應(yīng)用的DCS/PLC 繼承發(fā)展的結(jié)果，在很多方面都繼承了DCS/PLC 中的成熟技術(shù)。與DCS/PLC 相比，F(xiàn)CS 最為明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)就是能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化（如圖2）。

圖2 FCS 與DCS 結(jié)構(gòu)比較

FCS 控制系統(tǒng)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠支持線型、樹(shù)型以及星型三種拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用GSD 文件，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中的設(shè)備描述特性，便于主設(shè)備識(shí)別不同設(shè)備的應(yīng)用功能和作用。FCS 控制系統(tǒng)中主要能夠應(yīng)用CAN 總線來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，CAN 總線以串行數(shù)據(jù)傳輸，能夠同時(shí)在40m 雙絞線和光纜線路的條件下保證1Mb/s 運(yùn)行，因而在實(shí)際應(yīng)用這種現(xiàn)場(chǎng)總線時(shí)，通常需要借助總線協(xié)議來(lái)支持主控制器。而CAN 總線也是FCS 控制系統(tǒng)能夠呈現(xiàn)出較強(qiáng)的抗電磁干擾性能的主要原因[2]。

2 石油化工自動(dòng)化中FCS 控制系統(tǒng)應(yīng)用情況的分析

在對(duì)石油化工自動(dòng)化中FCS 控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行分析時(shí)，主要可以從以下幾個(gè)方面來(lái)入手：

2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

從實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制的角度來(lái)說(shuō)，F(xiàn)CS 控制系統(tǒng)是由環(huán)境需求、映像能力、資源結(jié)構(gòu)組成的循環(huán)系統(tǒng)。

映像能力以及資源結(jié)構(gòu)是能夠?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行提供資源的重要任務(wù)，資源結(jié)構(gòu)主要是指系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生的各種信息要素和自身的通信能力，而映像能力則是能夠借助資源結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)規(guī)劃策略進(jìn)行分析，并借助映像來(lái)進(jìn)行執(zhí)行的過(guò)程。從這種意義上來(lái)說(shuō)，F(xiàn)CS 控制系統(tǒng)一個(gè)能夠滿足實(shí)時(shí)連續(xù)反饋需求的閉環(huán)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，需要能夠融合控制理論公式中的過(guò)程，進(jìn)而解決分配和規(guī)劃策略的問(wèn)題?？紤]到石油化工自動(dòng)化對(duì)FCS 控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求，F(xiàn)CS 控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中需要能夠滿足以下幾個(gè)方面的要求：

首先，由FCS 工作站來(lái)滿足全部控制回路的管理要求；

其次，在RTOS 的支持下滿足執(zhí)行回路的控制要求；

最后，以智能集成的方式來(lái)連接現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中的智能模塊，以便能夠共同執(zhí)行回路控制的相關(guān)要求。

表1 微電子模塊中應(yīng)用的通信卡數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

FCS 現(xiàn)場(chǎng)總線主要包括無(wú)線傳輸和有線傳輸兩種形式。其中，無(wú)連接數(shù)據(jù)傳輸一般需要借助數(shù)據(jù)通信和信息技術(shù)來(lái)滿足數(shù)據(jù)的傳輸要求。在這個(gè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)接收者不需要了解數(shù)據(jù)來(lái)源，也能夠獲得真實(shí)的數(shù)據(jù)情況。而面向連接的傳輸方式共分為通信雙方經(jīng)請(qǐng)求響應(yīng)較緩信息后的數(shù)據(jù)傳輸和以DLDPU 為依據(jù)的傳輸方式兩種。由有線傳輸方式構(gòu)成的鏈路活動(dòng)，能夠在FCS 控制系統(tǒng)的運(yùn)行中確保數(shù)據(jù)鏈路時(shí)間的同步性。

在石油化工自動(dòng)化中，F(xiàn)CS 控制系統(tǒng)的運(yùn)行需要依據(jù)特定的規(guī)劃算法來(lái)進(jìn)行規(guī)劃。以FCS 周期過(guò)程為基礎(chǔ)，在一個(gè)周期內(nèi)，控制過(guò)程只被執(zhí)行一次，整個(gè)過(guò)程可以用三元組來(lái)表示：

其中，Ci＜Di＜Ti，Ci為運(yùn)行時(shí)間，Di為截止期限，Ti為運(yùn)行周期，Pi代表在整個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)最壞情況的概率。可行性條件是驗(yàn)證FCS 控制系統(tǒng)能否被應(yīng)用到實(shí)際石油化工生產(chǎn)的主要依據(jù)，對(duì)FCS 可行性條件的驗(yàn)證，需要始終圍繞著系統(tǒng)中的事件、應(yīng)用系統(tǒng)間的通信中所需的最小帶寬間存在一個(gè)截止期，這一截止期與可行性條件中要求的在執(zhí)行期內(nèi)的所有過(guò)程截止期具有相似的特點(diǎn)，因而能夠被用作對(duì)FCS 可行性條件進(jìn)行判斷的主要依據(jù)。

在驗(yàn)證該概率大小之后，就可以對(duì)應(yīng)用FCS 控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的建立可行性進(jìn)行判斷，然后在依據(jù)石油化工企業(yè)的實(shí)際情況來(lái)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況提出控制的具體要求。

2.2 實(shí)時(shí)控制需求和時(shí)間限制

FCS 的行為本身會(huì)受到時(shí)間的限制，在考慮周期性條件影響的前提下，處理過(guò)程和傳感驅(qū)動(dòng)過(guò)程來(lái)分解現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的時(shí)間限制，需要以最壞情況下的運(yùn)行時(shí)間、截止時(shí)間和周期等方面來(lái)對(duì)其進(jìn)行判斷。FCS 在時(shí)間限制下的運(yùn)動(dòng)控制需求需要滿足以下幾個(gè)方面的性能需求：

首先，能夠在幾個(gè)毫秒之內(nèi)完成實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的計(jì)算；

其次，將參考值在幾個(gè)毫秒之內(nèi)的采樣周期輸送到網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中；

最后，保證網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的采樣速率為閉環(huán)系統(tǒng)帶寬的10 倍。

表2 變頻器總線運(yùn)行板工作時(shí)應(yīng)設(shè)置的參數(shù)

在明確FCS 的實(shí)時(shí)控制需求之后，還需要考慮到FCS 控制系統(tǒng)本身在運(yùn)行中容易受到的時(shí)間限制的影響?；趯?shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制的要求，時(shí)間限制主要會(huì)受到系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用情況的影響，在FCS 控制系統(tǒng)運(yùn)行中，系統(tǒng)的運(yùn)作結(jié)果主要依靠計(jì)算的邏輯結(jié)果和產(chǎn)生計(jì)算結(jié)果的時(shí)間。

依據(jù)FCS 控制系統(tǒng)的時(shí)間限制來(lái)對(duì)系統(tǒng)的周期性運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行分析，主要可以應(yīng)用到以下集合公式，即：

結(jié)合這一公式，針對(duì)FCS 控制系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳感/驅(qū)動(dòng)過(guò)程超過(guò)了截止期的期限時(shí)，受到軟時(shí)限和硬時(shí)限兩種情況的影響，原截止期也會(huì)出現(xiàn)兩種變化形態(tài)，在軟截止期，原截止期的運(yùn)行情況如果被中斷，過(guò)程完成的意義就會(huì)逐漸減少到零。由此可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)FCS 控制的運(yùn)行超過(guò)時(shí)間限制時(shí)，就會(huì)影響到FCS 的實(shí)際應(yīng)用效果，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行的失敗。

2.3 FCS 的時(shí)間視圖

考慮到FCS 控制系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制需求，在FCS 系統(tǒng)運(yùn)行中，必須要借助全局時(shí)鐘來(lái)作為時(shí)間參考。在全局時(shí)鐘中，所有的節(jié)點(diǎn)都能夠以一個(gè)基點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)。而在缺少全局時(shí)鐘的情況下，則需要通過(guò)建立全局時(shí)鐘的方案和同步方法的形式，讓FCS 上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠擁有自己的物理時(shí)鐘。

基于FCS 控制系統(tǒng)應(yīng)用的分布式算法，可以嘗試實(shí)時(shí)應(yīng)用的方式，讓接收器借助接口硬件的形式來(lái)提取消息中蘊(yùn)含的時(shí)間節(jié)點(diǎn)信息。在依據(jù)計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)對(duì)這種嘗試方法進(jìn)行驗(yàn)證的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)對(duì)于擁有10 個(gè)節(jié)點(diǎn)的FCS，在采用輪詢協(xié)議的情況下，時(shí)鐘的同步能夠小于10μs。而由于FCS 系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有自己的物理時(shí)鐘，當(dāng)FCS 存在缺少全局時(shí)鐘的情況時(shí)，可以通過(guò)建立輪詢模型的方式，對(duì)各種時(shí)鐘應(yīng)用的同步頻率進(jìn)行分析和驗(yàn)證，用以確保FCS 控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。

以修改周期為主要目標(biāo)，要想保持系統(tǒng)與時(shí)鐘運(yùn)行的同步效率，可以依靠以下公式來(lái)進(jìn)行，即：

其中，δ 為相對(duì)于主時(shí)鐘而言的最大漂移率，D 為時(shí)鐘的延遲時(shí)長(zhǎng)，Tdmax為最大允許時(shí)鐘漂移，Tu為修改周期的標(biāo)準(zhǔn)界限?？紤]到時(shí)鐘同步小于10μs，那么在該公式下，Tdmax=1μs，δ=0.01%。相應(yīng)的Tu=10ns。

由此可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)CS 在沒(méi)有全局時(shí)鐘的情況下，應(yīng)用的其他形式的時(shí)鐘需要能夠滿足對(duì)于時(shí)鐘同步精度的相關(guān)要求。當(dāng)前能夠被應(yīng)用到FCS 控制系統(tǒng)中的時(shí)鐘，以時(shí)間事件主站、事件計(jì)數(shù)法和多邏輯時(shí)鐘三種類(lèi)型為主。

2.4 基于FCS 和DCS 的混合控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用

針對(duì)FCS 控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中呈現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)和問(wèn)題，考慮到石油化工企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的要求，要想充分發(fā)揮FCS 控制系統(tǒng)的積極作用，可以將FCS 和DCS系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮兩種系統(tǒng)在輸入輸出總線集成、網(wǎng)絡(luò)集成、系統(tǒng)集成等方面的作用，以混合式控制系統(tǒng)的方式，應(yīng)用DCS 來(lái)補(bǔ)充和完善FCS 控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。與FCS 控制系統(tǒng)相比，DCS 在石油化工生產(chǎn)中有著更加廣泛的應(yīng)用，企業(yè)要想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)和發(fā)展，可以在已有DCS 設(shè)施的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)DCS 控制管理方式的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)FCS 控制系統(tǒng)的相關(guān)功能。與單一的應(yīng)用FCS 控制系統(tǒng)相比，促進(jìn)DCS 與FCS 之間的兼容，是一種更簡(jiǎn)便的方式，F(xiàn)CS 控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)所具有的獨(dú)立功能也能夠得到有效的加強(qiáng)。如圖3 所示，F(xiàn)CS 和DCS 系統(tǒng)的集成，可以借助現(xiàn)場(chǎng)總線讓現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與HU 通信，通過(guò)I/O 總線讓FIU 與DCS 的控制單元進(jìn)行通信，這種通信方式能夠有效滿足對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制的需求。這種混合式控制系統(tǒng)的提出和應(yīng)用，能夠有效提高FCS 的應(yīng)用效果。

圖3 FCS/DCS 系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)

綜上所述，當(dāng)前FCS 控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一定的問(wèn)題，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)石油化工生產(chǎn)加工過(guò)程的自動(dòng)化控制，可以將FCS 控制系統(tǒng)與DCS 系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮不同自動(dòng)化技術(shù)在系統(tǒng)控制中的作用，彌補(bǔ)單一的控制系統(tǒng)應(yīng)用存在的缺陷和不足，以此來(lái)為石油化工生產(chǎn)加工效率的提高提供保障。