石油化工自動化中FCS 控制系統運用研究

江波

（九江石化設計工程有限公司，江西九江 332000）

石油化工行業是我國行業發展的重要組成部分，也是工業發展的重要基礎。推動石油化工朝著自動化和信息化的方向發展，不僅符合現代工業企業對石油化工生產加工提出的要求，同時也能夠對促進我國自動化技術水平的提高起到一定的積極作用。FCS 控制系統是石油化工自動化中的重要內容，能夠實現對石油化工整個生產加工運行的有效控制。

1 FCS 控制系統

1.1 FCS 控制系統的設計

結合石油化工自動化的生產要求，對于FCS 控制系統的設計主要包括三個層次，現場儀表和執行器是第一層次，這一層次中的各種分析儀表和常規儀表能夠用于對生產現場的環境參數進行分析和檢測，第二層次需要能夠連接各種生產設備和系統單元，將系統單元產生的控制信息傳輸給各種生產設備以便能夠對這些設備進行現場控制，第三層次是計算機管理層，依靠FCS 控制系統，對外能夠實現各種設備信息與工作人員的交互，對內能夠滿足對自動化生產過程的監控和管理任務

FCS 控制系統的應用，需要在現場總線協議的規定要求下，由現場儀表共同構成一個控制回路，這些儀表能夠借助控制回路承擔控制站的一些功能。控制站在實際的自動化生產中能夠執行更復雜的控制算法。在FCS系統中，上位機是能夠實現對整個系統進行管理的主要裝置，圖1 是一種典型的以上位機來實現系統運行的FCS 控制系統結構。

圖1 FCS 系統結構圖

1.2 FCS 控制系統的應用

FCS 控制系統在實際的應用中，物理層、數據鏈路層、應用層、用戶層是雙向總線結構下的層次劃分主要類型。在物理層主要包括低速和高速兩種速率的現場總線，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 兩種類型。低速總線最多能夠串接4 臺中繼器，每段結點數最多為32 個。高速總線每段結點數最多為124 個，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在實際的功能和價值方面存在一定的差異，因而在實際對生產現場進行控制時，通常需要將幾種不同的控制方法結合起來進行應用。從應用原理和特點的角度來看，現場總線控制系統是對以往應用的DCS/PLC 繼承發展的結果，在很多方面都繼承了DCS/PLC 中的成熟技術。與DCS/PLC 相比，FCS 最為明顯的應用優勢就是能夠實現現場設備的數字化、智能化和網絡化（如圖2）。

圖2 FCS 與DCS 結構比較

FCS 控制系統應用的網絡拓撲結構能夠支持線型、樹型以及星型三種拓撲的結構，應用GSD 文件，能夠對現場總線控制系統中的設備描述特性，便于主設備識別不同設備的應用功能和作用。FCS 控制系統中主要能夠應用CAN 總線來實現數據的雙向傳輸，CAN 總線以串行數據傳輸，能夠同時在40m 雙絞線和光纜線路的條件下保證1Mb/s 運行，因而在實際應用這種現場總線時，通常需要借助總線協議來支持主控制器。而CAN 總線也是FCS 控制系統能夠呈現出較強的抗電磁干擾性能的主要原因[2]。

2 石油化工自動化中FCS 控制系統應用情況的分析

在對石油化工自動化中FCS 控制系統的應用情況進行分析時，主要可以從以下幾個方面來入手：

2.1 現場總線網絡控制系統

從實時運動控制的角度來說，FCS 控制系統是由環境需求、映像能力、資源結構組成的循環系統。

映像能力以及資源結構是能夠為系統運行提供資源的重要任務，資源結構主要是指系統在實際運行中產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構來對規劃策略進行分析，并借助映像來進行執行的過程。從這種意義上來說，FCS 控制系統一個能夠滿足實時連續反饋需求的閉環系統。

該系統在實際運行中，需要能夠融合控制理論公式中的過程，進而解決分配和規劃策略的問題。考慮到石油化工自動化對FCS 控制系統的應用要求，FCS 控制系統在實際應用中需要能夠滿足以下幾個方面的要求：

首先，由FCS 工作站來滿足全部控制回路的管理要求；

其次，在RTOS 的支持下滿足執行回路的控制要求；

最后，以智能集成的方式來連接現場總線控制系統中的智能模塊，以便能夠共同執行回路控制的相關要求。

表1 微電子模塊中應用的通信卡數據標準

FCS 現場總線主要包括無線傳輸和有線傳輸兩種形式。其中，無連接數據傳輸一般需要借助數據通信和信息技術來滿足數據的傳輸要求。在這個過程中，數據接收者不需要了解數據來源，也能夠獲得真實的數據情況。而面向連接的傳輸方式共分為通信雙方經請求響應較緩信息后的數據傳輸和以DLDPU 為依據的傳輸方式兩種。由有線傳輸方式構成的鏈路活動，能夠在FCS 控制系統的運行中確保數據鏈路時間的同步性。

在石油化工自動化中，FCS 控制系統的運行需要依據特定的規劃算法來進行規劃。以FCS 周期過程為基礎，在一個周期內，控制過程只被執行一次，整個過程可以用三元組來表示：

其中，Ci＜Di＜Ti，Ci為運行時間，Di為截止期限，Ti為運行周期，Pi代表在整個周期內出現最壞情況的概率。可行性條件是驗證FCS 控制系統能否被應用到實際石油化工生產的主要依據，對FCS 可行性條件的驗證，需要始終圍繞著系統中的事件、應用系統間的通信中所需的最小帶寬間存在一個截止期，這一截止期與可行性條件中要求的在執行期內的所有過程截止期具有相似的特點，因而能夠被用作對FCS 可行性條件進行判斷的主要依據。

在驗證該概率大小之后，就可以對應用FCS 控制系統和通信系統的建立可行性進行判斷，然后在依據石油化工企業的實際情況來對系統的實時運行情況提出控制的具體要求。

2.2 實時控制需求和時間限制

FCS 的行為本身會受到時間的限制，在考慮周期性條件影響的前提下，處理過程和傳感驅動過程來分解現場總線控制系統的時間限制，需要以最壞情況下的運行時間、截止時間和周期等方面來對其進行判斷。FCS 在時間限制下的運動控制需求需要滿足以下幾個方面的性能需求：

首先，能夠在幾個毫秒之內完成實時運動學和動力學的計算；

其次，將參考值在幾個毫秒之內的采樣周期輸送到網絡控制系統中；

最后，保證網絡控制系統的采樣速率為閉環系統帶寬的10 倍。

表2 變頻器總線運行板工作時應設置的參數

在明確FCS 的實時控制需求之后，還需要考慮到FCS 控制系統本身在運行中容易受到的時間限制的影響。基于實時運動控制的要求，時間限制主要會受到系統實際應用情況的影響，在FCS 控制系統運行中，系統的運作結果主要依靠計算的邏輯結果和產生計算結果的時間。

依據FCS 控制系統的時間限制來對系統的周期性運行過程進行分析，主要可以應用到以下集合公式，即：

結合這一公式，針對FCS 控制系統運行的實際情況發現，當傳感/驅動過程超過了截止期的期限時，受到軟時限和硬時限兩種情況的影響，原截止期也會出現兩種變化形態，在軟截止期，原截止期的運行情況如果被中斷，過程完成的意義就會逐漸減少到零。由此可以發現，當FCS 控制的運行超過時間限制時，就會影響到FCS 的實際應用效果，導致系統運行的失敗。

2.3 FCS 的時間視圖

考慮到FCS 控制系統應用的實時運動控制需求，在FCS 系統運行中，必須要借助全局時鐘來作為時間參考。在全局時鐘中，所有的節點都能夠以一個基點為標準。而在缺少全局時鐘的情況下，則需要通過建立全局時鐘的方案和同步方法的形式，讓FCS 上的每個節點都能夠擁有自己的物理時鐘。

基于FCS 控制系統應用的分布式算法，可以嘗試實時應用的方式，讓接收器借助接口硬件的形式來提取消息中蘊含的時間節點信息。在依據計算機技術來對這種嘗試方法進行驗證的過程中，發現對于擁有10 個節點的FCS，在采用輪詢協議的情況下，時鐘的同步能夠小于10μs。而由于FCS 系統中的每個節點都擁有自己的物理時鐘，當FCS 存在缺少全局時鐘的情況時，可以通過建立輪詢模型的方式，對各種時鐘應用的同步頻率進行分析和驗證，用以確保FCS 控制系統的實際應用效果。

以修改周期為主要目標，要想保持系統與時鐘運行的同步效率，可以依靠以下公式來進行，即：

其中，δ 為相對于主時鐘而言的最大漂移率，D 為時鐘的延遲時長，Tdmax為最大允許時鐘漂移，Tu為修改周期的標準界限。考慮到時鐘同步小于10μs，那么在該公式下，Tdmax=1μs，δ=0.01%。相應的Tu=10ns。

由此可以發現，FCS 在沒有全局時鐘的情況下，應用的其他形式的時鐘需要能夠滿足對于時鐘同步精度的相關要求。當前能夠被應用到FCS 控制系統中的時鐘，以時間事件主站、事件計數法和多邏輯時鐘三種類型為主。

2.4 基于FCS 和DCS 的混合控制系統的研究和應用

針對FCS 控制系統實際應用中呈現出來的優勢和問題，考慮到石油化工企業自動化生產的要求，要想充分發揮FCS 控制系統的積極作用，可以將FCS 和DCS系統結合起來，充分發揮兩種系統在輸入輸出總線集成、網絡集成、系統集成等方面的作用，以混合式控制系統的方式，應用DCS 來補充和完善FCS 控制系統的實際應用效果。與FCS 控制系統相比，DCS 在石油化工生產中有著更加廣泛的應用，企業要想實現自動化生產和發展，可以在已有DCS 設施的基礎上，通過對DCS 控制管理方式的調整來實現FCS 控制系統的相關功能。與單一的應用FCS 控制系統相比，促進DCS 與FCS 之間的兼容，是一種更簡便的方式，FCS 控制系統中的現場設備節點所具有的獨立功能也能夠得到有效的加強。如圖3 所示，FCS 和DCS 系統的集成，可以借助現場總線讓現場設備與HU 通信，通過I/O 總線讓FIU 與DCS 的控制單元進行通信，這種通信方式能夠有效滿足對生產現場進行控制的需求。這種混合式控制系統的提出和應用，能夠有效提高FCS 的應用效果。

圖3 FCS/DCS 系統集成結構

綜上所述，當前FCS 控制系統在實際應用中仍然存在一定的問題，要想實現對石油化工生產加工過程的自動化控制，可以將FCS 控制系統與DCS 系統結合起來，充分發揮不同自動化技術在系統控制中的作用，彌補單一的控制系統應用存在的缺陷和不足，以此來為石油化工生產加工效率的提高提供保障。