石油化工自动化中FCS 控制系统运用研究

2022-07-25江波

科学技术创新 2022年23期

江波

（九江石化设计工程有限公司，江西九江 332000）

石油化工行业是我国行业发展的重要组成部分，也是工业发展的重要基础。推动石油化工朝着自动化和信息化的方向发展，不仅符合现代工业企业对石油化工生产加工提出的要求，同时也能够对促进我国自动化技术水平的提高起到一定的积极作用。FCS 控制系统是石油化工自动化中的重要内容，能够实现对石油化工整个生产加工运行的有效控制。

1 FCS 控制系统

1.1 FCS 控制系统的设计

结合石油化工自动化的生产要求，对于FCS 控制系统的设计主要包括三个层次，现场仪表和执行器是第一层次，这一层次中的各种分析仪表和常规仪表能够用于对生产现场的环境参数进行分析和检测，第二层次需要能够连接各种生产设备和系统单元，将系统单元产生的控制信息传输给各种生产设备以便能够对这些设备进行现场控制，第三层次是计算机管理层，依靠FCS 控制系统，对外能够实现各种设备信息与工作人员的交互，对内能够满足对自动化生产过程的监控和管理任务

FCS 控制系统的应用，需要在现场总线协议的规定要求下，由现场仪表共同构成一个控制回路，这些仪表能够借助控制回路承担控制站的一些功能。控制站在实际的自动化生产中能够执行更复杂的控制算法。在FCS系统中，上位机是能够实现对整个系统进行管理的主要装置，图1 是一种典型的以上位机来实现系统运行的FCS 控制系统结构。

图1 FCS 系统结构图

1.2 FCS 控制系统的应用

FCS 控制系统在实际的应用中，物理层、数据链路层、应用层、用户层是双向总线结构下的层次划分主要类型。在物理层主要包括低速和高速两种速率的现场总线，低速总线的传输速率为31.25kbps，高速总线的传输速率为1Mbps/750m 或2.5Mbps/500m 两种类型。低速总线最多能够串接4 台中继器，每段结点数最多为32 个。高速总线每段结点数最多为124 个，因而能够满足双向总线的传输要求[1]。

由于不同的控制系统在实际的功能和价值方面存在一定的差异，因而在实际对生产现场进行控制时，通常需要将几种不同的控制方法结合起来进行应用。从应用原理和特点的角度来看，现场总线控制系统是对以往应用的DCS/PLC 继承发展的结果，在很多方面都继承了DCS/PLC 中的成熟技术。与DCS/PLC 相比，FCS 最为明显的应用优势就是能够实现现场设备的数字化、智能化和网络化（如图2）。

图2 FCS 与DCS 结构比较

FCS 控制系统应用的网络拓扑结构能够支持线型、树型以及星型三种拓扑的结构，应用GSD 文件，能够对现场总线控制系统中的设备描述特性，便于主设备识别不同设备的应用功能和作用。FCS 控制系统中主要能够应用CAN 总线来实现数据的双向传输，CAN 总线以串行数据传输，能够同时在40m 双绞线和光缆线路的条件下保证1Mb/s 运行，因而在实际应用这种现场总线时，通常需要借助总线协议来支持主控制器。而CAN 总线也是FCS 控制系统能够呈现出较强的抗电磁干扰性能的主要原因[2]。

2 石油化工自动化中FCS 控制系统应用情况的分析

在对石油化工自动化中FCS 控制系统的应用情况进行分析时，主要可以从以下几个方面来入手：

2.1 现场总线网络控制系统

从实时运动控制的角度来说，FCS 控制系统是由环境需求、映像能力、资源结构组成的循环系统。

映像能力以及资源结构是能够为系统运行提供资源的重要任务，资源结构主要是指系统在实际运行中产生的各种信息要素和自身的通信能力，而映像能力则是能够借助资源结构来对规划策略进行分析，并借助映像来进行执行的过程。从这种意义上来说，FCS 控制系统一个能够满足实时连续反馈需求的闭环系统。

该系统在实际运行中，需要能够融合控制理论公式中的过程，进而解决分配和规划策略的问题。考虑到石油化工自动化对FCS 控制系统的应用要求，FCS 控制系统在实际应用中需要能够满足以下几个方面的要求：

首先，由FCS 工作站来满足全部控制回路的管理要求；

其次，在RTOS 的支持下满足执行回路的控制要求；

最后，以智能集成的方式来连接现场总线控制系统中的智能模块，以便能够共同执行回路控制的相关要求。

表1 微电子模块中应用的通信卡数据标准

FCS 现场总线主要包括无线传输和有线传输两种形式。其中，无连接数据传输一般需要借助数据通信和信息技术来满足数据的传输要求。在这个过程中，数据接收者不需要了解数据来源，也能够获得真实的数据情况。而面向连接的传输方式共分为通信双方经请求响应较缓信息后的数据传输和以DLDPU 为依据的传输方式两种。由有线传输方式构成的链路活动，能够在FCS 控制系统的运行中确保数据链路时间的同步性。

在石油化工自动化中，FCS 控制系统的运行需要依据特定的规划算法来进行规划。以FCS 周期过程为基础，在一个周期内，控制过程只被执行一次，整个过程可以用三元组来表示：

其中，Ci＜Di＜Ti，Ci为运行时间，Di为截止期限，Ti为运行周期，Pi代表在整个周期内出现最坏情况的概率。可行性条件是验证FCS 控制系统能否被应用到实际石油化工生产的主要依据，对FCS 可行性条件的验证，需要始终围绕着系统中的事件、应用系统间的通信中所需的最小带宽间存在一个截止期，这一截止期与可行性条件中要求的在执行期内的所有过程截止期具有相似的特点，因而能够被用作对FCS 可行性条件进行判断的主要依据。

在验证该概率大小之后，就可以对应用FCS 控制系统和通信系统的建立可行性进行判断，然后在依据石油化工企业的实际情况来对系统的实时运行情况提出控制的具体要求。

2.2 实时控制需求和时间限制

FCS 的行为本身会受到时间的限制，在考虑周期性条件影响的前提下，处理过程和传感驱动过程来分解现场总线控制系统的时间限制，需要以最坏情况下的运行时间、截止时间和周期等方面来对其进行判断。FCS 在时间限制下的运动控制需求需要满足以下几个方面的性能需求：

首先，能够在几个毫秒之内完成实时运动学和动力学的计算；

其次，将参考值在几个毫秒之内的采样周期输送到网络控制系统中；

最后，保证网络控制系统的采样速率为闭环系统带宽的10 倍。

表2 变频器总线运行板工作时应设置的参数

在明确FCS 的实时控制需求之后，还需要考虑到FCS 控制系统本身在运行中容易受到的时间限制的影响。基于实时运动控制的要求，时间限制主要会受到系统实际应用情况的影响，在FCS 控制系统运行中，系统的运作结果主要依靠计算的逻辑结果和产生计算结果的时间。

依据FCS 控制系统的时间限制来对系统的周期性运行过程进行分析，主要可以应用到以下集合公式，即：

结合这一公式，针对FCS 控制系统运行的实际情况发现，当传感/驱动过程超过了截止期的期限时，受到软时限和硬时限两种情况的影响，原截止期也会出现两种变化形态，在软截止期，原截止期的运行情况如果被中断，过程完成的意义就会逐渐减少到零。由此可以发现，当FCS 控制的运行超过时间限制时，就会影响到FCS 的实际应用效果，导致系统运行的失败。

2.3 FCS 的时间视图

考虑到FCS 控制系统应用的实时运动控制需求，在FCS 系统运行中，必须要借助全局时钟来作为时间参考。在全局时钟中，所有的节点都能够以一个基点为标准。而在缺少全局时钟的情况下，则需要通过建立全局时钟的方案和同步方法的形式，让FCS 上的每个节点都能够拥有自己的物理时钟。

基于FCS 控制系统应用的分布式算法，可以尝试实时应用的方式，让接收器借助接口硬件的形式来提取消息中蕴含的时间节点信息。在依据计算机技术来对这种尝试方法进行验证的过程中，发现对于拥有10 个节点的FCS，在采用轮询协议的情况下，时钟的同步能够小于10μs。而由于FCS 系统中的每个节点都拥有自己的物理时钟，当FCS 存在缺少全局时钟的情况时，可以通过建立轮询模型的方式，对各种时钟应用的同步频率进行分析和验证，用以确保FCS 控制系统的实际应用效果。

以修改周期为主要目标，要想保持系统与时钟运行的同步效率，可以依靠以下公式来进行，即：

其中，δ 为相对于主时钟而言的最大漂移率，D 为时钟的延迟时长，Tdmax为最大允许时钟漂移，Tu为修改周期的标准界限。考虑到时钟同步小于10μs，那么在该公式下，Tdmax=1μs，δ=0.01%。相应的Tu=10ns。

由此可以发现，FCS 在没有全局时钟的情况下，应用的其他形式的时钟需要能够满足对于时钟同步精度的相关要求。当前能够被应用到FCS 控制系统中的时钟，以时间事件主站、事件计数法和多逻辑时钟三种类型为主。

2.4 基于FCS 和DCS 的混合控制系统的研究和应用

针对FCS 控制系统实际应用中呈现出来的优势和问题，考虑到石油化工企业自动化生产的要求，要想充分发挥FCS 控制系统的积极作用，可以将FCS 和DCS系统结合起来，充分发挥两种系统在输入输出总线集成、网络集成、系统集成等方面的作用，以混合式控制系统的方式，应用DCS 来补充和完善FCS 控制系统的实际应用效果。与FCS 控制系统相比，DCS 在石油化工生产中有着更加广泛的应用，企业要想实现自动化生产和发展，可以在已有DCS 设施的基础上，通过对DCS 控制管理方式的调整来实现FCS 控制系统的相关功能。与单一的应用FCS 控制系统相比，促进DCS 与FCS 之间的兼容，是一种更简便的方式，FCS 控制系统中的现场设备节点所具有的独立功能也能够得到有效的加强。如图3 所示，FCS 和DCS 系统的集成，可以借助现场总线让现场设备与HU 通信，通过I/O 总线让FIU 与DCS 的控制单元进行通信，这种通信方式能够有效满足对生产现场进行控制的需求。这种混合式控制系统的提出和应用，能够有效提高FCS 的应用效果。