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淺議石化企業DCS、FCS系統的應用和發展

2008年08月26日 10:58:00 中國傳動網

“信息化帶動工業化,工業化促進信息化”是中國的國策。石油和化工企業的信息化分為三層結構:第一層以PCS(ProcessControlSystem,過程控制系統)為代表的生產過程基礎自動化層,第二層以MES(ManufacturingExecutionSystem,制造執行系統)為代表的生產過程運行優化層,第三層以ERP(EnterpriseResourcePlanning,企業資源計劃)為代表的生產過程經營優化層。 本文針對第一層(PCS)淺談DCS(DistributedControlSystem,集散控制系統或分散控制系統)、FCS(Field-busControlSystem,現場總線控制系統)的應用和發展。 1、DCS的應用和發展 DCS自20世紀70年代問世以來,經過幾代技術變遷和更新發展,現已廣泛應用于各個行業,其中石油和化工企業的應用更為普及,技術改造項目用DCS,新建項目用DCS。在石油和化工企業有用DCS逐步替代常規儀表控制系統的發展趨勢。 DCS應用之所以如此普遍,究其原因它有以下一系列的特點和優點: ① 分散性:其含義是指分散控制、地域分散、設備分散、功能分散和危險分散。硬件積木化和軟件模塊化是分散性的具體體現。目的是為了使危險分散,進而提高系統的可靠性和安全性。 ② 集中性:其含義是指集中監視、操作和管理。用通信網絡把分散的設備構成統一的整體,用分布式數據庫實現全系統的信息集成,進而達到信息共享。人們可以同時在多臺操作站上集中監視、操作和管理。 ③ 自治性:其含義是指系統中的各臺設備均可獨立地工作。控制站自主地進行輸入、運算、控制和輸出,操作員站自主地實現監視、操作和管理,工程師站可以在線或離線組態。 ④ 協調性:其含義是指系統中的各臺設備用通信網絡和數據庫互連在一起,相互傳送信息,相互協調工作,以實現系統的總體功能。DCS的分散和集中、自治和協調不是互相對立,而是互相補充。 ⑤ 靈活性和擴展性:硬件采用積木式結構,可以靈活地配置成小、中、大各類系統,并可以根據企業的發展逐步擴展系統。軟件采用模塊式結構,提供輸入、輸出、運算和控制功能塊,可以靈活地組態構成簡單、復雜各類控制系統,并可以根據生產工藝流程的改變,隨時修改控制方案。 ⑥ 可靠性和適應性:分散性帶來系統的可靠性,并采用一系列冗余技術、熱拔插技術、故障診斷和故障屏蔽技術。采用高性能的元器件、先進的制造工藝和抗干擾技術,使DCS能夠適應惡劣的工作環境。 ⑦ 先進性和繼承性:硬件上采用先進的計算機、通信網絡和人機接口;軟件上采用先進的操作系統、數據庫、網絡管理和控制語言;控制算法上采用自適應、預測、推理、優化等先進控制技術。DCS更新換代比較快,繼承性體現在新、老系統互相兼容,可以給用戶帶來更好的利益。 DCS隨著計算機、控制、網絡通信、組態軟件、信息集成和數據庫技術的發展而不斷更新和發展,主要體現在以下幾個方面: ① 信息化:DCS已從單一的控制系統,發展為集控制和管理于一體的綜合信息系統。DCS提供了從生產現場到車間,再從工廠到公司,最后到企業集團的整個信息通道,充分體現了信息的全面性、準確性和實時性。 ② 集成化:DCS已從單一封閉系統,發展為集成各類PLC、工業PC、數字化儀表和設備,甚至不同型號DCS可以互相集成和信息共享,為最終用戶提供集成化綜合系統。 ③ 智能化:隨著人工智能、專家系統、自適應、預測和推理等先進控制技術的發展和應用,DCS也適時地融合這些新技術,實現先進的智能化控制功能。 ④ 開放式網絡:DCS已從單一封閉網絡,發展為開放式網絡系統,通過互聯網技術和IE瀏覽器,可以訪問過程畫面、查詢數據、管理調度和指揮生產。開放式網絡的關鍵是網絡安全,傳統DCS采用軟件防火墻,現代DCS不僅有軟件防火墻,而且有硬件防火墻,既保證網絡安全開放,又保證監控層的實時性。例如,Honeywell公司的ExperionPKSR300的控制站采用硬件防火墻技術。 ⑤ 容錯以太網(FTE):傳統DCS用兩條獨立網絡(A,B)實現冗余,兩臺設備之間只有一條通信路徑,其本質是單條網絡運行,故障時整條網絡切換(A到B或B到A),切換時間長,可靠性低。現代DCS用容錯以太網(FTE,FaultTolerantEthernet),如圖1所示。 圖1中交換機S1~S6互相連接,其中S1和S2為上層,S3~S6為下層,每臺設備(D1~D4)同時連接兩臺下層交換機,任意兩臺設備之間有4條通信路徑,其本質是多條網絡運行。例如,設備D1和D4之間的4條通信路徑分別為D1→S3→S1→S5→D4,D1→S3→S1→S2→S6→D4,D1→S4→S2→S1→S5→D4,D1→S4→S2→S6→D4。故障時只需切換路徑,切換時間短,可靠性高。例如,Honeywell公司的ExperionPKSR300采用此FTE技術,FTE設備節點之間網絡帶寬可達200Mbps,交換機之間可達1Gbps。
圖1 容錯以太網(FTE)
⑥ 無線網絡技術:支持手持移動無線操作站,將無線技術與控制技術融為一體,進行現場操作監控、故障處理和儀表校驗,實現操作與維護的無縫集成。例如,Honeywell公司的ExperionPKSR300采用此無線網絡技術。 ⑦ 數字視頻技術:通過攝像頭采集現場圖像信息,再通過圖像識別軟件,進行圖像處理,發現異常圖像,立即發出報警信號,具有自動錄像和錄像回放功能,便于事故分析,并將數字視頻技術與操作監控軟件融為一體。例如,Honeywell公司的ExperionPKSR300采用此數字視頻技術。 ⑧ 先進控制站:DCS的基礎是控制站,為了進一步提高控制站的可靠性、穩定性和安全性,增強控制站的功能,而采用了一系列先進技術。例如,控制站采用無底板模塊結構,獨立傾斜式垂直插拔,散熱效果好,接線維護方便;采用容錯以太網(FTE),硬件控制防火墻(冗余),冗余控制器、冗余I/O、冗余電源、冗余現場總線接口;采用先進的預估控制算法,魯棒性好,具有參數自整定功能。Honeywell公司的ExperionPKSR300控制站是上述先進控制站的代表之一,如圖2所示。
圖2 ExperionPKSR300控制站
2、FCS的應用和發展 FCS是一種新型的分布式網絡控制系統,它既是現場通信網絡系統,也是現場自動化系統。它作為一種現場通信網絡系統,具有開放式數字通信功能,可與各種通信網絡互連。它作為一種現場自動化系統,把安裝于生產現場的具有輸入、輸出、運算、控制和通信功能的各種現場儀表作為現場總線的節點,并直接在現場總線上構成分散的控制回路。 FCS代表當今控制技術和DCS的發展方向,并以進入工業化應用階段。人們對FCS有各種評論,既有對新技術的贊嘗,也有對現狀的困惑。盡管眾說紛紜,筆者認為,目前是FCS和DCS并存,FCS作為DCS框架下的重要分支應用發展,略表以下個人之見: ① FCS的變革:不僅變革了傳統的單一功能的模擬儀表,將其改為綜合功能的數字儀表;而且變革了傳統DCS的控制站,將輸入、輸出、運算和控制功能分散分布到現場總線儀表中,在現場總線上構成控制回路,形成了全數字的徹底的分散控制系統。 ② FCS的特點:具有系統的分散性、系統的開放性、產品的互操作性、環境的適應性、維護的簡易性、系統的可靠性和使用的經濟性這7個方面的特點或優點。 有人對“使用的經濟性”有異議,這是正常的暫時現象,其原因是FCS尚未進入大批量應用階段,現場總線儀表及輔助設備價格偏高。隨著FCS的推廣應用,技術進步,市場競爭,優勝劣汰,FCS的經濟性將會顯現。回想當年,DCS也是如此,現在人們已完全接收了DCS。 ③ FCS的應用:典型工業應用實例是上海賽科(SECCO)90萬噸/年乙烯工程,DCS采用Emerson公司的DeltaV系統,控制站除常規I/O模塊外,配置了FF-H1現場總線模塊,每個模塊的2個接口分別構成2段FF-H1總線,每段FF-H1總線設計9臺儀表(實用6臺,備用3臺)。 該工程實用FF-H1現場總線段2473條,FF-H1現場總線儀表14375臺,平均每個FF-H1現場總線段上掛5.8臺儀表。FF-H1現場總線段上集成了不同廠家的現場總線儀表,除了Emerson的溫度、壓力、流量等儀表,還有E+H的雷達液位計和流量計,ABB的閥門定位器,ROTORK的電動馬達控制器,TYCO的電動馬達控制器等,保證了多種產品的一致性和互操作性。 ④ FCS的集成:小型工程項目中FCS自成系統,中、大型工程項目中FCS和DCS控制站集成,一般有兩種集成方式。一種是FF-H1現場總線模塊作為控制站的下屬I/O模塊,例如Emerson公司的DeltaV系統,如圖3所示;另一種是FF-H1現場總線模塊獨立,例如Honeywell公司的ExperionPKSR300系統,如圖4所示。 前者FF-H1依附于控制器,信息傳輸慢;后者FF-H1獨立,信息傳輸快。圖3和圖4中工程師站(ES)、操作員站(OS)、計算機站(CS)為DCS操作監控層設備,控制站中有冗余電源(P)、控制器(C)、現場總線接口(H1)以及各類I/O模塊。
圖3 FCS和DCS集成之一
圖4 FCS和DCS集成之二
⑤ FCS的發展:FF-H1現場總線通信速率為31.25Kbps,不支持冗余總線,有人對這2點提出異議。值得高興的是目前有多種現場總線,既有中速也有高速現場總線,而且工業以太網(Ethernet)也已進入實用階段,正在從高層向底層延伸,有望實現“E(Ethernet)網到底”。FCS代表技術發展方向,在應用中不斷改進,揚長避短,必將出現更加完美的FCS。 3、先進控制技術的應用 根據“十一五”時期信息化發展規劃,先進控制技術在流程工業的應用普及率達70%以上。 DCS和FCS為先進控制技術的應用提供了條件,先進控制軟件作為DCS的可選件集成于系統之中。常用的先進控制技術主要有以下幾種: ① 單回路整定技術:單回路PID控制始終占據過程控制的主導地位,但魯棒性能不理想,對大滯后和強干擾的過程表現出明顯的不足。為此,研發出單回路模型預測控制,自動調整控制參數,適用于大滯后和強干擾的過程。例如,Honeywell公司的ExperionPKSR300系統中的ProfitLoop單輸入單輸出(SISO)模型預估控制算法。 ② 軟儀表技術:這是基于過程機理模型或統計模型,對產品主要參數進行在線預估,并將預估參數參于在線控制產品質量。例如,Honeywell公司的針對常減壓原油切換的ProfitGCC軟件包。 ③ 多變量模型預估控制技術:這是先進控制的核心技術,首先辨識過程模型,再預估過程參數和被控量,并與所要求的目標值比較,若有偏差,則計算出最優控制量,從而實現全裝置的多變量控制。例如,Honeywell公司的RMPCT軟件包,AspenTechnology公司的DMC-plus軟件包。 ④ 在線優化技術:這是基于過程機理模型和動態優化技術,找出最優操作點,再通過多變量控制器實現優化操作。例如,Honeywell公司開發了基于ProfitOptimizer、ProfitBridge和機理模型的動態優化軟件,應用于乙烯和煉油裝置。 ⑤ 性能監視和維護技術:先進控制的效益投運初期較高,隨著運行時間增加、裝置性能變化、模型失配及操作變化等原因,致使先進控制性能降低,經濟效益也隨之下降。 為此,開發商推出了先進控制性能監視和維護工具軟件,來維護先進控制的效益。例如,Honeywell公司開發出Scout軟件,AspenTechnology公司開發出AspenWatch軟件。 今后推動DCS、FCS、先進控制技術的應用和發展寄希望于流程工業,尤其是石油和化工行業是領頭軍。在“信息化帶動工業化,工業化促進信息化”國策的指引下,必將迎來DCS、FCS、先進控制技術的應用和發展的春天。

供稿:fenghy

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