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浅议石化企业DCS、FCS系统的应用和发展

2008年08月26日 10:58:00 葡京娱乐场官网网址:fenghy

“信息化带动工业化,工业化促进信息化”是中国的国策。石油和化工企业的信息化分为三层结构:第一层以PCS(ProcessControlSystem,过程控制系统)为代表的生产过程基础自动化层,第二层以MES(ManufacturingExecutionSystem,制造执行系统)为代表的生产过程运行优化层,第三层以ERP(EnterpriseResourcePlanning,企业资源计划)为代表的生产过程经营优化层。 本文针对第一层(PCS)浅谈DCS(DistributedControlSystem,集散控制系统或分散控制系统)、FCS(Field-busControlSystem,现场总线控制系统)的应用和发展。 1、DCS的应用和发展 DCS自20世纪70年代问世以来,经过几代技术变迁和更新发展,现已广泛应用于各个行业,其中石油和化工企业的应用更为普及,技术改造项目用DCS,新建项目用DCS。在石油和化工企业有用DCS逐步替代常规仪表控制系统的发展趋势。 DCS应用之所以如此普遍,究其原因它有以下一系列的特点和优点: ① 分散性:其含义是指分散控制、地域分散、设备分散、功能分散和危险分散。硬件积木化和软件模块化是分散性的具体体现。目的是为了使危险分散,进而提高系统的可靠性和安全性。 ② 集中性:其含义是指集中监视、操作和管理。用通信网络把分散的设备构成统一的整体,用分布式数据库实现全系统的信息集成,进而达到信息共享。人们可以同时在多台操作站上集中监视、操作和管理。 ③ 自治性:其含义是指系统中的各台设备均可独立地工作。控制站自主地进行输入、运算、控制和输出,操作员站自主地实现监视、操作和管理,工程师站可以在线或离线组态。 ④ 协调性:其含义是指系统中的各台设备用通信网络和数据库互连在一起,相互传送信息,相互协调工作,以实现系统的总体功能。DCS的分散和集中、自治和协调不是互相对立,而是互相补充。 ⑤ 灵活性和扩展性:硬件采用积木式结构,可以灵活地配置成小、中、大各类系统,并可以根据企业的发展逐步扩展系统。软件采用模块式结构,提供输入、输出、运算和控制功能块,可以灵活地组态构成简单、复杂各类控制系统,并可以根据生产工艺流程的改变,随时修改控制方案。 ⑥ 可靠性和适应性:分散性带来系统的可靠性,并采用一系列冗余技术、热拔插技术、故障诊断和故障屏蔽技术。采用高性能的元器件、先进的制造工艺和抗干扰技术,使DCS能够适应恶劣的工作环境。 ⑦ 先进性和继承性:硬件上采用先进的计算机、通信网络和人机接口;软件上采用先进的操作系统、数据库、网络管理和控制语言;控制算法上采用自适应、预测、推理、优化等先进控制技术。DCS更新换代比较快,继承性体现在新、老系统互相兼容,可以给用户带来更好的利益。 DCS随着计算机、控制、网络通信、组态软件、信息集成和数据库技术的发展而不断更新和发展,主要体现在以下几个方面: ① 信息化:DCS已从单一的控制系统,发展为集控制和管理于一体的综合信息系统。DCS提供了从生产现场到车间,再从工厂到公司,最后到企业集团的整个信息通道,充分体现了信息的全面性、准确性和实时性。 ② 集成化:DCS已从单一封闭系统,发展为集成各类PLC、工业PC、数字化仪表和设备,甚至不同型号DCS可以互相集成和信息共享,为最终用户提供集成化综合系统。 ③ 智能化:随着人工智能、专家系统、自适应、预测和推理等先进控制技术的发展和应用,DCS也适时地融合这些新技术,实现先进的智能化控制功能。 ④ 开放式网络:DCS已从单一封闭网络,发展为开放式网络系统,通过互联网技术和IE浏览器,可以访问过程画面、查询数据、管理调度和指挥生产。开放式网络的关键是网络安全,传统DCS采用软件防火墙,现代DCS不仅有软件防火墙,而且有硬件防火墙,既保证网络安全开放,又保证监控层的实时性。例如,Honeywell公司的ExperionPKSR300的控制站采用硬件防火墙技术。 ⑤ 容错以太网(FTE):传统DCS用两条独立网络(A,B)实现冗余,两台设备之间只有一条通信路径,其本质是单条网络运行,故障时整条网络切换(A到B或B到A),切换时间长,可靠性低。现代DCS用容错以太网(FTE,FaultTolerantEthernet),如图1所示。 图1中交换机S1~S6互相连接,其中S1和S2为上层,S3~S6为下层,每台设备(D1~D4)同时连接两台下层交换机,任意两台设备之间有4条通信路径,其本质是多条网络运行。例如,设备D1和D4之间的4条通信路径分别为D1→S3→S1→S5→D4,D1→S3→S1→S2→S6→D4,D1→S4→S2→S1→S5→D4,D1→S4→S2→S6→D4。故障时只需切换路径,切换时间短,可靠性高。例如,Honeywell公司的ExperionPKSR300采用此FTE技术,FTE设备节点之间网络带宽可达200Mbps,交换机之间可达1Gbps。
图1 容错以太网(FTE)
⑥ 无线网络技术:支持手持移动无线操作站,将无线技术与控制技术融为一体,进行现场操作监控、故障处理和仪表校验,实现操作与维护的无缝集成。例如,Honeywell公司的ExperionPKSR300采用此无线网络技术。 ⑦ 数字视频技术:通过摄像头采集现场图像信息,再通过图像识别软件,进行图像处理,发现异常图像,立即发出报警信号,具有自动录像和录像回放功能,便于事故分析,并将数字视频技术与操作监控软件融为一体。例如,Honeywell公司的ExperionPKSR300采用此数字视频技术。 ⑧ 先进控制站:DCS的基础是控制站,为了进一步提高控制站的可靠性、稳定性和安全性,增强控制站的功能,而采用了一系列先进技术。例如,控制站采用无底板模块结构,独立倾斜式垂直插拔,散热效果好,接线维护方便;采用容错以太网(FTE),硬件控制防火墙(冗余),冗余控制器、冗余I/O、冗余电源、冗余现场总线接口;采用先进的预估控制算法,鲁棒性好,具有参数自整定功能。Honeywell公司的ExperionPKSR300控制站是上述先进控制站的代表之一,如图2所示。
图2 ExperionPKSR300控制站
2、FCS的应用和发展 FCS是一种新型的分布式网络控制系统,它既是现场通信网络系统,也是现场自动化系统。它作为一种现场通信网络系统,具有开放式数字通信功能,可与各种通信网络互连。它作为一种现场自动化系统,把安装于生产现场的具有输入、输出、运算、控制和通信功能的各种现场仪表作为现场总线的节点,并直接在现场总线上构成分散的控制回路。 FCS代表当今控制技术和DCS的发展方向,并以进入工业化应用阶段。人们对FCS有各种评论,既有对新技术的赞尝,也有对现状的困惑。尽管众说纷纭,笔者认为,目前是FCS和DCS并存,FCS作为DCS框架下的重要分支应用发展,略表以下个人之见: ① FCS的变革:不仅变革了传统的单一功能的模拟仪表,将其改为综合功能的数字仪表;而且变革了传统DCS的控制站,将输入、输出、运算和控制功能分散分布到现场总线仪表中,在现场总线上构成控制回路,形成了全数字的彻底的分散控制系统。 ② FCS的特点:具有系统的分散性、系统的开放性、产品的互操作性、环境的适应性、维护的简易性、系统的可靠性和使用的经济性这7个方面的特点或优点。 有人对“使用的经济性”有异议,这是正常的暂时现象,其原因是FCS尚未进入大批量应用阶段,现场总线仪表及辅助设备价格偏高。随着FCS的推广应用,技术进步,市场竞争,优胜劣汰,FCS的经济性将会显现。回想当年,DCS也是如此,现在人们已完全接收了DCS。 ③ FCS的应用:典型工业应用实例是上海赛科(SECCO)90万吨/年乙烯工程,DCS采用Emerson公司的DeltaV系统,控制站除常规I/O模块外,配置了FF-H1现场总线模块,每个模块的2个接口分别构成2段FF-H1总线,每段FF-H1总线设计9台仪表(实用6台,备用3台)。 该工程实用FF-H1现场总线段2473条,FF-H1现场总线仪表14375台,平均每个FF-H1现场总线段上挂5.8台仪表。FF-H1现场总线段上集成了不同厂家的现场总线仪表,除了Emerson的温度、压力、流量等仪表,还有E+H的雷达液位计和流量计,ABB的阀门定位器,ROTORK的电动马达控制器,TYCO的电动马达控制器等,保证了多种产品的一致性和互操作性。 ④ FCS的集成:小型工程项目中FCS自成系统,中、大型工程项目中FCS和DCS控制站集成,一般有两种集成方式。一种是FF-H1现场总线模块作为控制站的下属I/O模块,例如Emerson公司的DeltaV系统,如图3所示;另一种是FF-H1现场总线模块独立,例如Honeywell公司的ExperionPKSR300系统,如图4所示。 前者FF-H1依附于控制器,信息传输慢;后者FF-H1独立,信息传输快。图3和图4中工程师站(ES)、操作员站(OS)、计算机站(CS)为DCS操作监控层设备,控制站中有冗余电源(P)、控制器(C)、现场总线接口(H1)以及各类I/O模块。
图3 FCS和DCS集成之一
图4 FCS和DCS集成之二
⑤ FCS的发展:FF-H1现场总线通信速率为31.25Kbps,不支持冗余总线,有人对这2点提出异议。值得高兴的是目前有多种现场总线,既有中速也有高速现场总线,而且工业以太网(Ethernet)也已进入实用阶段,正在从高层向底层延伸,有望实现“E(Ethernet)网到底”。FCS代表技术发展方向,在应用中不断改进,扬长避短,必将出现更加完美的FCS。 3、先进控制技术的应用 根据“十一五”时期信息化发展规划,先进控制技术在流程工业的应用普及率达70%以上。 DCS和FCS为先进控制技术的应用提供了条件,先进控制软件作为DCS的可选件集成于系统之中。常用的先进控制技术主要有以下几种: ① 单回路整定技术:单回路PID控制始终占据过程控制的主导地位,但鲁棒性能不理想,对大滞后和强干扰的过程表现出明显的不足。为此,研发出单回路模型预测控制,自动调整控制参数,适用于大滞后和强干扰的过程。例如,Honeywell公司的ExperionPKSR300系统中的ProfitLoop单输入单输出(SISO)模型预估控制算法。 ② 软仪表技术:这是基于过程机理模型或统计模型,对产品主要参数进行在线预估,并将预估参数参于在线控制产品质量。例如,Honeywell公司的针对常减压原油切换的ProfitGCC软件包。 ③ 多变量模型预估控制技术:这是先进控制的核心技术,首先辨识过程模型,再预估过程参数和被控量,并与所要求的目标值比较,若有偏差,则计算出最优控制量,从而实现全装置的多变量控制。例如,Honeywell公司的RMPCT软件包,AspenTechnology公司的DMC-plus软件包。 ④ 在线优化技术:这是基于过程机理模型和动态优化技术,找出最优操作点,再通过多变量控制器实现优化操作。例如,Honeywell公司开发了基于ProfitOptimizer、ProfitBridge和机理模型的动态优化软件,应用于乙烯和炼油装置。 ⑤ 性能监视和维护技术:先进控制的效益投运初期较高,随着运行时间增加、装置性能变化、模型失配及操作变化等原因,致使先进控制性能降低,经济效益也随之下降。 为此,开发商推出了先进控制性能监视和维护工具软件,来维护先进控制的效益。例如,Honeywell公司开发出Scout软件,AspenTechnology公司开发出AspenWatch软件。 今后推动DCS、FCS、先进控制技术的应用和发展寄希望于流程工业,尤其是石油和化工行业是领头军。在“信息化带动工业化,工业化促进信息化”国策的指引下,必将迎来DCS、FCS、先进控制技术的应用和发展的春天。

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