石油化工自动化中FCS控制系统应用分析

张海涛 戚新华

新地能源工程技术有限公司 河北 廊坊 065000

石油化工行业是维持我国经济发展的重要支柱产业，凸显出技术完善、能源充足和经济性强等特点。现场总线控制系统（FCS）在化工领域中积极运用现代化网络管理及通信理念，并在根本上提升石油化工自动化生产效率与质量。

1 FCS 基本概述

FCS为现场总线控制系统，是一项建立于可编程逻辑控制器（PLC）和分布式控制系统（DCS）功能特性之上的新型技术，其在根本上可以完成由控制室至现场设备的串行数字通信连接，FCS中的“现场”通常指的是现场设备装置，该系统凸显出良好的兼容性、开放性及环境适应能力，在石油化工自动化领域中展现出其他技术无法比拟的优势特点，可以在一定程度上提升石油化工自动化项目的整体质量与效率。除此之外，FCS在实际运行和安装规划环节中消耗的成本较低，维护工作便捷易上手，展现出一定的实用性。然而FCS在实践应用期间，往往会受到一些外界因素限制和约束，主要体现在硬件、软件等方面的开发水准还有待提升，致使FCS应用功能还不够完善，存在较大的进步空间，但仍然具有广阔的发展前景。

2 FCS 的应用优势

2.1 环境适应力强

在石油化工自动化领域当中，生产现场内部的通信协议往往采用FCS现场总线协议，FCS现场总线所采用的介质通常涵盖光线、同轴电缆和双绞线等等，其凸显出良好的抗干扰性，而且FCS所具备的数字化信号功能也可以在一定程度上规避信号衰减及信号传输问题。FCS在石油化工自动化领域中的实践应用展现出高强度的环境适应能力，可以在根本上实现石油化工自动化效率、质量大幅度提升等基本目标，进一步提升石油化工企业单位的综合生产效率，推动企业可持续发展进程。

2.2 运行维护简单

FCS在实际运行环节中可以利用专业监控软件对现场各项设备的运行状态展开动态化监督及管理，促使相关人员可以在第一时间察觉出现场设备存在的风险问题及安全隐患，并及时将故障信息和诊断信息加以反馈，从根本上减少现场设备管理人员及维护人员的工作负担，切实提高设备仪器的检修质量及效率。

2.3 可靠性高

FCS在实践应用阶段中凸显出分散性特点，相关人员可以借助现场设备的智能性实现各项目生产自动化控制。与此同时，FCS范围内的现场仪器设备所组建而成的衔接网络较为简易，不存在繁杂性接线问题，现场设备的后续维护及维修工作也较为简单。部分仪表设备在出现故障问题和隐患后也不会对其他设备运行状态造成负面影响，这便是FCS良好分散性的应用价值，促使应用于石油化工自动化领域中的FCS展现出高度可靠性。

2.4 兼容性强

现如今，信息技术、计算机技术获得了进一步发展与应用，对现代技术应用给予高度重视可以为各大产业领域的稳定发展提供更多有力保障与支持。然而FCS作为一项开放性极强的网络而言，其在实践应用期间的现场总线协议往往涉及到控制器局部网（CAN）和国际化现场总线标准（PROFIBUS）等等，差异化生产单位所提供的现场总线产品也可以完成设备信息互通等功能，在根本上突破传统控制系统仅筛选相同厂家产品等约束问题，为产业部门选择现场总线产品的渠道增添更多便捷性及多样性帮助，利于企业进行资金成本的科学化配置，并在充分考虑自身发展现状的前提条件下优先选择成本低、经济性强的现场总线产品，切实将FCS的资金投入降低至最小化。

3 FCS 在石油化工自动化应用中存在的问题

3.1 冗余问题

由于FCS仪表设备凸显出自我调节和自主性诊断等功能特点，在发生运行故障问题或数据调节失灵情况时，自动化设备仪表往往会在第一时间展开自我诊断及报警反馈，及时切换至主机系统中进行一系列干预处理。然而当主机出现隐患问题期间，自动化仪表也可以积极利用自主干预等功能完成现场调节处理，进而将运行状态不稳定等状况有效规避，这也促使FCS对冗余需求相对较低，在实践应用环节中也没有对冗余问题实施相应的规范标准。从整体视角来看，众多FCS用户往往会对FCS应用成果产生一定顾虑和疑惑，比如重点关注生产项目的安全性等，所以在FCS投入使用期间重点强调冗余问题，虽然FCS充分满足广大用户在冗余方面的需求，但是会在根本上增加FCS建设发展的成本消耗量，经济性也会受到负面影响[1]。

3.2 应用价格高

现阶段，FCS在各地区石油化工自动化领域中获得了高度认可及广泛运用，而且彰显出一定的应用效果。与以往所采用的DCS系统加以比较可以看出，FCS的维护费用、安装成本相对较低，日常维护及检修操作便捷简单，维护人员所承担的工作量较少。但是FCS的硬件价格远超出DCS，导致FCS整体应用价格不断升高，针对部分小规模或经济条件不景气的石油化工企业单位而言，长期运用FCS需要承受在经济方面的巨大压力，致使少数小规模石油化工企业无法实现系统及时更新，仍然采用传统DCS系统。

4 石油化工自动化中FCS 的实践应用

4.1 实时控制

一般情况下，FCS的各项操作行为往往会受到外界因素的影响与约束，比如时间要素等，在充分考虑周期性条件影响的基础上，传感驱动过程需要对FCS时间限制加以分析，并运用最坏情况下的运行周期、时间和截止日期等加以判定。FCS在时间因素约束下的运动控制需求应满足以下功能需求：第一，可以在毫秒标准内开展动态运动学及动力学运算；第二，将参考值位于毫秒范围内的采样周期运输至专业化网络控制系统内部；第三，确保网络控制系统的采样速率体现为闭环系统带宽的10倍左右。在精准定位FCS动态化控制需求后，需要重点考虑FCS在实际运行阶段所受到的时间因素影响，在结合运动控制需求的前提条件下，时间限制通常会受到系统运用等负面影响，在FCS运行环节中，系统运作需要重点结合计算成果和形成成果的时间。从整体视角来看，FCS在实践应用期间，当驱动或传感过程超出截止期期限阶段中，便会受到硬时限和软时限两种问题影响，原本的截止期也会发生各项变化，在软截止期范围内，原截止期运行状况一旦出现中途断开等问题，最终过程的结束价值也会迅速降低。因此，FCS的运行如果超出时间限制，便会对FCS应用效果造成不利影响，进而导致系统无法稳定安全运行[2]。

4.2 现场总线网络控制系统

结合动态化运动控制内容可以看出，FCS往往涉及到映像能力、环境需求和资源结构等基本要素，其归属于一种高效实用性的循环系统。资源结构和映像能力可以结合实际情况为系统运行提供更多资源信息，资源结构通常指的是系统在运行状态下产生的信息资源和原有通信能力，而映像能力指的是运用完善化的资源结构对项目规划进行深层次分析与研究，在映像支持下对各项目加以实施。在根本上来说，FCS是一个可以实现动态化连续反馈的闭环系统。此系统在石油化工自动化领域中的应用可以结合理论公式有效解决规划策略及资源分配等问题，FCS在投入使用期间要求满足下述需求：其一，促使FCS工作站满足各个控制回路的管理规范需求；其二，在实时操作系统（RTOS）的引导下满足执行回路控制标准；其三，运用智能化、集成化措施方法强化现场总线控制系统智能模块彼此间的有效衔接，进而协调开展回路管控工作的各项需求。

一般情况下，FCS涉及到有线传输和无线传输两种传输类型。在此期间，无线传输主要指的是运用现代化信息技术和数据通信技术满足数据资源在传输方面提出的各项需求，在此环节中，数据接收人员可以减免掌握数据来源等步骤，进而直接获取真实、可靠、完整的数据内容。另外，连接传输方式包括通信两端要求响应较慢信息后的数据传输等传输方式，由有线传输方式组建而成的链路活动可以在FCS系统运行阶段中保障各个数据链路周期的统一协调性。通常情况下，在石油化工自动化邻域当中，FCS投入使用需要结合具体规划算法展开精准化运行，例如将FCS周期流程作为重要基础，在某周期内控制过程仅仅实施一次，整体过程可以利用以下三元组加以代表：

Pi=｛Ci，Di，Ti｝

Vi∈[0，…，n]

在此期间，Ci＜Di＜Ti，Ci作为关键运行时间，Di是截止期限，Ti是运行周期，而Pi则表示总体周期范围内出现问题的概率。一般情况下，可行性条件是检验FCS系统能否有效运用于石油化工生产项目中的关键参考依据，对FCS可行性条件展开全面审核检验，要求结合系统事件内容、应用系统通信最小带宽间的截止期，其与可行性条件中重点强调执行阶段中过程截止期凸显出完全一致等特点，所以可以作为FCS系统可行性条件精准识别和判断的关键要素。在检验此概率高低后，相关人员便可以针对FCS系统应用及通信系统构建的可行程度加以分析，并在结合石油化工企业具体发展趋势的前提下对系统动态运行状况提出控制需求[3]。

4.3 时间视图

在充分考虑FCS在动态化运动控制需求的前提条件下，需要积极运用全局时钟作为关键参考依据。在全局时钟当中，各个节点均可以将某基点作为关键标准。然而在缺少全局时钟期间，要求及时构建出全局时钟方案和同步方法，促使FCS的各个节点均可以具备符合自身特点的物理时钟。在此期间，基于FCS应用的分布式算法可以促使接收器利用硬件获取信息数据中的时间节点内容，在运用现代化计算机技术科学验证该方法环节中，可以看出拥有10节点的FCS时钟同步可以低于10μs。然而因FCS系统中各个节点均涉及到与之匹配的物理时钟，一旦FCS系统缺乏全局时钟期间，便可以运用构建轮询模型等措施方法，对各类时钟运用的频率加以探究和检验，保障FCS系统的最终运用成果。

4.4 基于FCS 和DCS 的混合控制系统

从整体视角来看，结合FCS所具备的优势特点和问题，并在了解石油化工企业自动化生产项目的规范标准来看，要从根本上发挥FCS的优势价值，相关人员需要将DCS与FCS展开深入结合，进一步发挥出两项系统在输入输出、系统集成和网络集成等多方面的价值效用，采用混合式控制系统等途径手段，积极运用DCS有效弥补和填充FCS的漏洞问题及应用效果。与FCS展开对比不难看出，DCS在石油化工自动化生产领域中彰显出广泛性、高效性的应用，企业想在后续发展阶段中实现高效自动化生产及可持续性发展，便可以从原有DCS系统设备功能的基础上，通过对其加以管控实现FCS系统的功能升级与创新。与单一化运用FCS相比，推动DCS与FCS的深入结合凸显出简易化、便捷化特点，FCS中的设备节点所具备的自主性功能也可以实现进一步强化。两项系统的集成发展，可以在根本上引导现场总线中的设备与其他设备有效衔接，此种创新型通信模式和理念可以在一定程度上满足企业对生产现场的科学化管控，在混合式控制系统的实践应用背景下，可以大幅度提升FCS的应用质量及效率[4]。

5 结束语

综上所述，FCS在石油化工自动化领域中的应用仍然存在诸多不足之处，想要从根本上提升该系统的应用效果，最重要的是强化FCS与DCS的高度结合，以此来发挥出两者差异化技术作用，全面弥补单一系统运用期间存在的隐患问题和漏洞弊端，进而为我国石油化工行业的可持续发展提供更多保障。