于 萍

（中海瀝青股份有限公司，山東 濱州 256600）

1 FCS 控制系統(tǒng)

1.1 FCS 控制系統(tǒng)發(fā)展與介紹

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS，英文全稱Fieldbus Control System，是將分散控制系統(tǒng)（DCS）與可編程序控制器（PLC）相結(jié)合逐漸發(fā)展而形成的新概念。PLC 與DCS都能建立起大范圍網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用層面已有大范圍融合。FCS 在兼具了分散控制系統(tǒng)與可編程序控制器的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還做出了全新的突破[1]。

過(guò)去，通常在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中選擇分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為組件。但分散控制系統(tǒng)需要現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，I/O 終端與可編程序控制器或自動(dòng)儀表往往不會(huì)放置在網(wǎng)絡(luò)控制現(xiàn)場(chǎng)，而是將其同時(shí)放置在控制柜中，這需要鋪設(shè)許多傳輸電纜用作傳輸信號(hào)，并且鋪設(shè)電纜時(shí)，電纜線路復(fù)雜、所需材料成本和時(shí)間成本十分大，并且用電纜進(jìn)行傳輸會(huì)造成信號(hào)衰減、故障敏感性和維護(hù)不便，又造成后期維護(hù)成本高昂，基于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS 的控制系統(tǒng)能夠完美地克服這些缺點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)利用現(xiàn)場(chǎng)總線控制和通信網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場(chǎng)控制器與智能現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)字分布式控制和雙向通信，是一個(gè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，為管理層提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

FCS 采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，所有I/O 模塊都放置在工業(yè)區(qū)，所有信號(hào)都由分布式智能I/O 模塊轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)。使用電纜（兩線或者四線）連接現(xiàn)場(chǎng)的所有子站，可以輕松地將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳輸?shù)娇刂剖覂?nèi)的監(jiān)控設(shè)備，從而達(dá)到降低成本、易于安裝和維護(hù)且數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有較高傳輸速率和較強(qiáng)抗干擾能力的目的。

FCS 是開放的，F(xiàn)CS 中所有軟件和硬件都遵循相同標(biāo)準(zhǔn)，它們的數(shù)據(jù)可互換，易于更換。編程和開發(fā)工具完全開放，可以使用計(jì)算機(jī)豐富的軟件和硬件資源。

FCS 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是工業(yè)計(jì)算機(jī)或商用PC、現(xiàn)場(chǎng)總線主接口卡、現(xiàn)場(chǎng)總線輸入/輸出模塊、PLC 或NC/CNC 實(shí)時(shí)多任務(wù)控制軟件包、多態(tài)軟件和應(yīng)用軟件。上位機(jī)的主要功能包括系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)庫(kù)配置、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)配置、圖形配置、控制算法配置、數(shù)據(jù)報(bào)告配置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示、圖形顯示、參數(shù)列表、數(shù)據(jù)表達(dá)、數(shù)據(jù)輸入和參數(shù)校正、控制操作定制、報(bào)警處理、錯(cuò)誤處理、通信控制、人機(jī)界面等，實(shí)現(xiàn)中央控制、分散風(fēng)險(xiǎn)、數(shù)據(jù)交換和完全開放控制的要求[2]。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

FCS 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)控制系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)分析要求，主要包括以下三個(gè)基本設(shè)計(jì)要求層次：第一層要求是模塊化現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)檢測(cè)分析儀表模塊和系統(tǒng)執(zhí)行器模塊，是集成在一級(jí)系統(tǒng)和其他常規(guī)儀表模塊中的一種自動(dòng)分析測(cè)試單元，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)存在的各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析、研究和異常跟蹤；第二層是與其他石化生產(chǎn)測(cè)試設(shè)備模塊和自動(dòng)控制系統(tǒng)單元的連接；第三層是通過(guò)控制數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程交互隨時(shí)隨實(shí)現(xiàn)自動(dòng)應(yīng)用。FCS 控制系統(tǒng)在具體運(yùn)營(yíng)中，必須滿足現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)生產(chǎn)控制全過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控、實(shí)時(shí)管理和現(xiàn)場(chǎng)管理任務(wù)，必須符合遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)總線協(xié)議的具體規(guī)定或要求。

1.3 FCS 控制系統(tǒng)的運(yùn)用

FCS 控制系統(tǒng)在很多現(xiàn)代企業(yè)都有著廣泛運(yùn)用，自動(dòng)通信控制系統(tǒng)在產(chǎn)品研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用中都起到巨大作用。物理網(wǎng)絡(luò)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(gè)中繼器，每個(gè)節(jié)段能夠串聯(lián)上最多可用32 個(gè)節(jié)點(diǎn)。高速母線上的節(jié)點(diǎn)每一個(gè)節(jié)段內(nèi)的最大可連接點(diǎn)數(shù)也可為多達(dá)124 個(gè)，滿足對(duì)雙向高速母線系統(tǒng)的傳輸能力要求[3]。

從總線技術(shù)和運(yùn)用、系統(tǒng)基本原理和硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化計(jì)算機(jī)總線綜合控制系統(tǒng)技術(shù)繼承、發(fā)展和完善了國(guó)內(nèi)外大量成功運(yùn)用的典型dcs/plc控制系統(tǒng)設(shè)備的最新技術(shù)成果。與其他類型的dcs/plc控制產(chǎn)品技術(shù)相比，系統(tǒng)技術(shù)能夠迅速充分并有效安全地實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)及所有相關(guān)自動(dòng)智能控制和設(shè)備系統(tǒng)的快速及實(shí)時(shí)數(shù)字化、智能化管理數(shù)字化和操作程序網(wǎng)絡(luò)化[4]。

2 石油化工自動(dòng)化中FCS 控制系統(tǒng)運(yùn)用情況分析

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

總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要思路是，考慮建立一個(gè)滿足實(shí)時(shí)環(huán)境要求的實(shí)時(shí)交通系統(tǒng)。系統(tǒng)可以有效地傳遞和利用其他資源結(jié)構(gòu)功能，以確保有效對(duì)控制系統(tǒng)的各種規(guī)劃指標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)綜合圖像分析，并保證這些動(dòng)態(tài)成像工具功能可以同時(shí)使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)目標(biāo)規(guī)劃的獨(dú)立控制。因此，有必要重點(diǎn)解決設(shè)計(jì)中的許多問(wèn)題，如資源配置方法的選擇、控制過(guò)程的優(yōu)化調(diào)度等?？紤]到未來(lái)石油化工系統(tǒng)和自動(dòng)化系統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展，對(duì)新一代FCS 智能控制系統(tǒng)發(fā)展提出了更高的科技要求，智能控制系統(tǒng)技術(shù)在未來(lái)石化工業(yè)發(fā)展技術(shù)環(huán)境中的運(yùn)用，要求至少需要同時(shí)具備滿足以下關(guān)鍵自動(dòng)控制裝置技術(shù)能力的三項(xiàng)基本共性技術(shù)要求。

表1 模塊數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

一是將現(xiàn)場(chǎng)所有需要與現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)單元直接相連通的各類智能模塊之間有效集成，以同時(shí)滿足對(duì)多回路智能單元控制或指令實(shí)現(xiàn)聯(lián)合與執(zhí)行能力的各相關(guān)硬件要求。

二是FCS 現(xiàn)場(chǎng)信息總線數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傳輸總線的兩個(gè)主要業(yè)務(wù)類型包括現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)直接總線傳輸接口和數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)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(guò)請(qǐng)求和響應(yīng)等較慢的信息交換，獲得數(shù)據(jù)的傳輸方法和基于dldpu 協(xié)議確定的信息傳輸和交換方法。鏈路活動(dòng)由不同的有線網(wǎng)絡(luò)傳輸和連接模式組成，可有效地確保整個(gè)FCS 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中的高實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈路時(shí)間的同步。FCS 循環(huán)規(guī)劃控制系統(tǒng)中的循環(huán)控制設(shè)計(jì)過(guò)程，常常要求控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)者根據(jù)一定數(shù)量的循環(huán)控制規(guī)劃模型參數(shù)和設(shè)計(jì)算法，進(jìn)行重新調(diào)整規(guī)劃系統(tǒng)?；趯?duì)FCS 周期性過(guò)程控制系統(tǒng)策劃，在一次控制周期時(shí)間內(nèi)，控制周期循環(huán)過(guò)程通常只能同時(shí)執(zhí)行控制一次，整個(gè)循環(huán)控制的過(guò)程通常可以簡(jiǎn)單用下述兩組三元組數(shù)據(jù)分別表示：

三是通信所需的最小帶寬之間必須有一個(gè)處理延遲，該處理延遲在時(shí)間上類似于系統(tǒng)可行性驗(yàn)證中確定的所有系統(tǒng)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(shù)基礎(chǔ)。

2.2 實(shí)時(shí)控制需求和時(shí)間限制

FCS 控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中受到工作時(shí)間條件和周期性條件的雙重影響，處理過(guò)程應(yīng)結(jié)合傳感器驅(qū)動(dòng)分解現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間限制，采用系統(tǒng)運(yùn)行最壞情況下的實(shí)際系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間。根據(jù)啟動(dòng)時(shí)間和占空比時(shí)間這判據(jù)來(lái)定量評(píng)價(jià)方法的效果。FCS 在有時(shí)間限制條件的特殊情況條件下，要滿足運(yùn)動(dòng)測(cè)量和運(yùn)動(dòng)控制等功能需求，必須要同時(shí)能夠滿足以下三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)性能需求。

表2 變頻器設(shè)置參數(shù)

首先，要保證在短短幾毫秒鐘內(nèi)自動(dòng)完成實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和空氣動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算工作。

其次，將參考值的采樣時(shí)間周期（毫秒）自動(dòng)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制系統(tǒng)上。

最后，確保網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的速率與閉環(huán)系統(tǒng)帶寬的比率是1：10。

控制與分析系統(tǒng)的周期性，運(yùn)用以下總體公式：

結(jié)合運(yùn)用上述這兩個(gè)公式，對(duì)FCS 控制系統(tǒng)正常工作運(yùn)行周期中存在的時(shí)間、實(shí)際變化條件進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明，當(dāng)任意一個(gè)傳感器/系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的控制測(cè)量過(guò)程超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的工作時(shí)間條件限制時(shí)，會(huì)受到軟時(shí)間和超硬時(shí)間兩種特殊條件影響。當(dāng)FCS 技術(shù)軟件直接作用于影響控制系統(tǒng)程序正常穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)或運(yùn)行超過(guò)系統(tǒng)時(shí)間限制值時(shí)，將直接影響整個(gè)系統(tǒng)FCS 技術(shù)功能的實(shí)施效果，導(dǎo)致控制系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行或者功能失效[5]。

2.3 FCS 時(shí)間視圖

為了實(shí)現(xiàn)FCS 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行模式，需要以全局時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)作為運(yùn)行時(shí)間控制的基準(zhǔn)。通過(guò)時(shí)間分步延遲的測(cè)試方法進(jìn)行的可驗(yàn)證性測(cè)試發(fā)現(xiàn)，對(duì)于那些能夠同時(shí)使用且具有連接至少10 個(gè)或數(shù)個(gè)以上的時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)功能的FCS，當(dāng)系統(tǒng)同時(shí)使用輪詢協(xié)議時(shí)，時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生的時(shí)間同步的延遲，很有可能小于了10個(gè)μs。當(dāng)發(fā)現(xiàn)對(duì)其中某些特定運(yùn)用FCS 時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)時(shí)，可能對(duì)于缺少具有這些運(yùn)用特殊物理時(shí)鐘單元實(shí)時(shí)同步的功能時(shí)，可再進(jìn)一步通過(guò)建立輪詢模型完成分析和比較、評(píng)估與計(jì)算和系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行仿真驗(yàn)證。

其中，δ 是主時(shí)鐘的漂移率，時(shí)鐘的延遲時(shí)長(zhǎng)是D，允許時(shí)鐘漂移的最大值Tdmax，修改周期的標(biāo)準(zhǔn)界限是Tu。如果時(shí)鐘同步<10μs 的話，那么Tdmax=1μs，則δ=0.01%。而對(duì)應(yīng)的Tu則為10ns。通過(guò)上述看出，F(xiàn)CS 使用時(shí)鐘形式和其他無(wú)全局時(shí)鐘形式，也必須滿足全局時(shí)鐘的同步和精度要求。目前實(shí)際運(yùn)用于FCS 控制系統(tǒng)中的邏輯時(shí)鐘算法，主要方法有時(shí)間事件主站、事件計(jì)數(shù)方法和多邏輯時(shí)鐘三種。

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

作為集成智能控制系統(tǒng)技術(shù)的一項(xiàng)發(fā)展優(yōu)勢(shì)，可逐步將FCS 及其集成控制器與整個(gè)現(xiàn)代DCS 系統(tǒng)建設(shè)有效深入結(jié)合，充分發(fā)揮兩套集成完整的系統(tǒng)在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)I/O 綜合總線系統(tǒng)的集成、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成系統(tǒng)運(yùn)用中的相互協(xié)同作用。為了在未來(lái)盡快實(shí)現(xiàn)企業(yè)自動(dòng)化管理生產(chǎn)過(guò)程和信息化的發(fā)展，在改造現(xiàn)有常規(guī)DCS 控制器設(shè)備技術(shù)的基礎(chǔ)上建設(shè)企業(yè)，通過(guò)對(duì)公司DCS設(shè)備控制或管理系統(tǒng)的自動(dòng)化調(diào)整和升級(jí)，實(shí)現(xiàn)公司DCS 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備的一部分能力。對(duì)比單設(shè)備運(yùn)用的FCS，改進(jìn)DCS 控制與FCS 控制技術(shù)之間更大的技術(shù)兼容性。FCS 控制系統(tǒng)與DCS 自動(dòng)化系統(tǒng)的有效集成，可使生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線接口同時(shí)與HU 通信，現(xiàn)場(chǎng)總線FIU 接口通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線I/O 連接直接與整個(gè)DCS 現(xiàn)場(chǎng)的所有控制設(shè)備單元通信。這種新型嵌入式工業(yè)通信控制系統(tǒng)，完全能夠快速滿足項(xiàng)目自動(dòng)化發(fā)展需求。

3 結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)計(jì)算機(jī)與自動(dòng)化相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟，但在FCS 自動(dòng)控制系統(tǒng)方面，技術(shù)能力還不夠完備，在開發(fā)運(yùn)用上采用的操作流程亟待改進(jìn)。同時(shí)，在推廣過(guò)程中也出現(xiàn)了很多應(yīng)用偏差的現(xiàn)象。為了能夠更好地開展石油石化市場(chǎng)，應(yīng)充分利用有關(guān)人力資源，將自動(dòng)化進(jìn)程再提升一個(gè)階梯，逐步將石油生產(chǎn)與相關(guān)分控開發(fā)利用發(fā)揮到最大效力。對(duì)過(guò)去忽略的一些小問(wèn)題繼續(xù)進(jìn)行研究攻關(guān)，推動(dòng)石油石化生產(chǎn)自動(dòng)化集成控制更加全面完善，將傳統(tǒng)與現(xiàn)代化結(jié)合，將開發(fā)與控制放在同一水平線，有效發(fā)揮系統(tǒng)集成化控制技術(shù)能力，進(jìn)一步推進(jìn)石油石化生產(chǎn)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。