控制策略在現場實現和現場總線系統結構問題的討論

中國鋼鐵科技集團冶金自動化研究設計院 斯可克

武漢有機實業有限公司 羅建軍 吳伯沛

1 引言

現在關于現場總線和DCS的爭論已經平息。業界基本一致認為它們已經融合為一體。最多是控制系統有接入現場總線能力和暫時沒有這個能力的區別。從DCS“分散控制集中管理”的基本理念看，現場總線只不過是能夠把“分散”發揮到徹底的極致而已。這里我們僅根據自己的體會并引用一些專家的試驗和分析對這些問題進行一些討論。

2 控制策略實現的位置對控制性能的影響

由于總線現場設備的高度智能化，它已由單一的檢測變送或執行功能又增加了網絡管理、設備管理和基本控制策略計算。這對傳統DCS用戶又提供了多一種選擇，他可以將控制策略計算全部或部分安置在現場設備之中。當然他也可以仍舊全部放置在集中控制器中。許多習慣傳統DCS控制模式的人士對控制策略在現場儀表中實現充滿疑慮，其主要顧慮在于控制的可靠性和它的控制性能。這個問題可以由分析和實踐兩方面回答。

一個單回路調節在傳統系統控制器內完成和在現場總線現場設備內完成的對比框圖如圖1所示。

圖1 在傳統控制器和現場設備里完成控制策略的對比

顯然總線在現場執行的控制環節將減少近一半，減少多次AD/DA環節和電纜傳輸無疑將避免數據誤差，提高控制精度。這意味著可靠性和效率的提高。從事自動化領域咨詢顧問業務的ISC有限公司的Andy Clegg博士在2010年5月發表研究報告說以PID調節在現場設備實現（CIF-Control In Field）和在控制器（DCS）實現進行性能對比，系統框圖如圖2所示。

圖2 DCS循環周期和現場總線宏周期

PID控制策略在現場設備實現（CIF-Control In Fied）時，典型的FF-H1總線宏周期包括：

變送器AI執行時間20ms；總線通信時間（即AI連接到PID）30ms；PID執行時間30ms；AO執行時間25ms，合計受調度時間105ms。加上背景通信時間共計150ms。

如果PID控制策略在DCS的CPU實現，變送器AI執行時間20ms，A I連接到PID，和PID連接到AO需要兩個30ms總線通信時間，PID執行時間20ms；AO執行時間25ms，合計受調度時間125ms。又如果DCS的控制周期和總線宏周期同步（sync），那么控制周期將達500ms。但如不能同步(async)，控制周期將達500+125=625ms。

以流量調節為例對上述三種情況進行測試，階躍響應和過程擾動仿真測試結果如圖3所示。

圖3 控制在現場實現（CIF）和在DCS實現的階躍響應和過程擾動特性

以DCS控制器完成且不同步為比較基礎，其他兩種情況的過程收斂到設定值時間秒（±1%內）和標準偏差百分數與之的比較如表1所示。

表1 其他兩種情況的過程收斂到設定值時間秒（±1%內）和標準偏差百分數與之的比較

從比較看，快速的過程例如流量和壓力控制，在現場控制有明顯的優越性。而對慢速過程或存在較大死區的過程則優越性變小。另外這個優越性也需要現場總線網段和儀表的有良好性能。如果儀表本身執行時間長，網段負擔設計太重等原因都可能抵消部分對比優越性。

以上提及的現場總線特別是將控制策略在現場執行的優越性在武漢有機實業有限公司苯甲等精細化工裝置多年應用的實踐中都得以實現。因此對在現場執行控制算法已經習慣和平常了。武漢有機的經驗證明，在普通應用中即使宏周期長達1000ms左右，控制也仍然表現十分平穩，似乎比Andy Clegg博士分析的要求更寬松。而控制閥門的品質（滯后和死區）對控制回路的影響卻相對比宏周期的影響更明顯，所以該經驗應該特別引起注意。

現場總線技術優越性在“卡邊”控制中大有用武之地。所謂“卡邊”控制是指那些為得到高的工藝品質而需要將過程參數控制在安全臨界的邊沿上，只有高精確控制能力的系統才能同時兼顧到工藝品質和生產安全二者。武漢有機在他們兩套精細化工裝置上使用現場總線設備實現的質量流量配比調節，流量實際偏差允許量很小（僅1%左右），實際運行調節結果十分理想。同時據稱國內至少3家其它同類裝置都因控制不好發生過事故，甚至有反應器中的列管（不銹鋼材質）都被燒熔了，如圖4所示。

圖4 高精度控制在“卡邊”控制中應用

但是也要說明，控制策略在現場執行，對于較為復雜的控制策略而言必然增加功能塊跨總線不同網段之間鏈接的可能性，功能塊執行也需要占用現場設備時間。當這些超過合理限度，對執行速度的影響就會顯現出來。所以通常認為，基本單回路控制在現場執行效果更好些。當然僅從現場設備能夠執行的功能塊來說，例如串級，比率，前饋、分程、甚至交叉限幅和三沖量調節這些較復雜的控制也都可以在現場執行。這樣，控制器的負擔就大大減輕。但高級復雜控制（例如關聯因素甚多的協調調度控制，先進控制等）一般認為應該由控制器或更高層設備來完成。不過總線系統對功能的分布還是給用戶提供了更寬偏好和選擇權利。

3 可靠性評估的簡介

人類對改造自然的工程控制始終存在“可用性”和“安全性”這樣一對矛盾。而這兩個指標都和我們使用手段的“可靠性”密切相關。目前有概率理論和許多分析方法為我們提供了對系統或設備進行“離線”可靠性評估的可能。當然，評估結論僅是一個有置信度的概率結果。一類是從部分到整體的“歸納分析法”，例如“故障模式影響分析FMEA-Faul t Mode Ef fect Analysis”。另一類是從整體到部分的“演繹分析法”，例如“故障樹形分析FTA –Tree Anal ysis”。這里僅簡介下面使用的FTA方法。FTA是1961年由貝爾實驗室為美國空軍和宇航設計的可靠性分析方法。隨后在核工業、電力工業和化學工業等部門得到應用，目前已被廣泛采用。在自動化領域主要用于安全目的產品和系統的評估，同時也出現了一批權威的被業界接受的咨詢評估機構。

FTA用多層結構來表達一個系統或產品的可靠性構成。頂層即系統或產品最終失效的結果，中間各層表達各種導致上一層失效的概率。最低層即無法或不打算再細分的失效原因。下圖是一個最簡單的FTA例子。如圖5所示。

圖5 簡單的FTA分析圖

FTA分析使用概率論的計算方法。評估機構需要具有各種常用產品的失效率數據庫，這對普通用戶而言是難于具備的。但是它的思想還是可以參考，用于簡單的評價比較技術方案的可靠性高低或所采取措施的有效性等等。

4 現場總線對系統可靠性影響的分析

從直觀常識對比看，在現場執行的控制回路可靠性比傳統DCS更高些。如表2所示。

表2 現場執行的控制回路可靠性與傳統D CS的比較

Andy Clegg博士還利用“故障樹-fault tree”分析方法計算出圖2系統在控制器實現控制安全回路的平均無故障時間（MTBF）是15.9年，而在現場實現則達到48.2年，下圖是FTA的頂部。如圖6所示。

圖6 現場總線回路可靠性FTA分析圖 （頂部局部）

目前控制系統接入現場總線的結構有兩類。一類是在傳統DCS結構上通過H1或HSE接口卡。如果我們沒有接這些卡件，那么系統就是傳統DCS結構。我稱之為“外延”式結構，例如圖2系統。另一類是主控制器CPU同時就是H1和HSE接口。但這個卡件也可以通過背板總線連接傳統I/O卡件。如果我們沒有使用總線現場設備，那么系統就是基于F F通信和功能塊協議的DCS結構。我稱之為“內涵”式結構。下圖是控制器和H1總線均冗余的結構。如圖7所示。

圖7 兩種接入現場總線的系統結構

根據FTA思想方法，我們可以對這兩種系統結構的可靠性簡單進行對比。由于沒有專業數據庫支持，我們簡單的將系統部件失效率分為p1、p2、p3三類。其中復雜的控制器類失效率最高為p1，總線接口，電源為中等失效率p2，相對簡單的傳統I/O卡和背板的失效率最低為p3。如表3所示。

表3 外延結構p o與內涵結構p i的比較

為提高系統的可靠性，重要的部件如控制器電源等都采取了冗余措施，所以它們整體的失效率被相乘以后（p1* p1）就變得更低了。

顯然pi＜Po，即內涵結構因減少一個環節而失效率相對較低。

5 結論

綜上所述，控制在現場設備實現是基金會現場總線技術所特有的技術，它不但是更可靠的而且控制性能也是更好的。

[1]Dr Andy Clegg,Control in the Field:Ananlysis of Performance Benefifs ,ISC Ltd May 2010 Fieldbua Foundation