石油化工自動化中FCS控制系統(tǒng)應(yīng)用分析

張海濤 戚新華

新地能源工程技術(shù)有限公司 河北 廊坊 065000

石油化工行業(yè)是維持我國經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)，凸顯出技術(shù)完善、能源充足和經(jīng)濟性強等特點?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）在化工領(lǐng)域中積極運用現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)管理及通信理念，并在根本上提升石油化工自動化生產(chǎn)效率與質(zhì)量。

1 FCS 基本概述

FCS為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，是一項建立于可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統(tǒng)（DCS）功能特性之上的新型技術(shù)，其在根本上可以完成由控制室至現(xiàn)場設(shè)備的串行數(shù)字通信連接，F(xiàn)CS中的“現(xiàn)場”通常指的是現(xiàn)場設(shè)備裝置，該系統(tǒng)凸顯出良好的兼容性、開放性及環(huán)境適應(yīng)能力，在石油化工自動化領(lǐng)域中展現(xiàn)出其他技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢特點，可以在一定程度上提升石油化工自動化項目的整體質(zhì)量與效率。除此之外，F(xiàn)CS在實際運行和安裝規(guī)劃環(huán)節(jié)中消耗的成本較低，維護工作便捷易上手，展現(xiàn)出一定的實用性。然而FCS在實踐應(yīng)用期間，往往會受到一些外界因素限制和約束，主要體現(xiàn)在硬件、軟件等方面的開發(fā)水準(zhǔn)還有待提升，致使FCS應(yīng)用功能還不夠完善，存在較大的進步空間，但仍然具有廣闊的發(fā)展前景。

2 FCS 的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 環(huán)境適應(yīng)力強

在石油化工自動化領(lǐng)域當(dāng)中，生產(chǎn)現(xiàn)場內(nèi)部的通信協(xié)議往往采用FCS現(xiàn)場總線協(xié)議，F(xiàn)CS現(xiàn)場總線所采用的介質(zhì)通常涵蓋光線、同軸電纜和雙絞線等等，其凸顯出良好的抗干擾性，而且FCS所具備的數(shù)字化信號功能也可以在一定程度上規(guī)避信號衰減及信號傳輸問題。FCS在石油化工自動化領(lǐng)域中的實踐應(yīng)用展現(xiàn)出高強度的環(huán)境適應(yīng)能力，可以在根本上實現(xiàn)石油化工自動化效率、質(zhì)量大幅度提升等基本目標(biāo)，進一步提升石油化工企業(yè)單位的綜合生產(chǎn)效率，推動企業(yè)可持續(xù)發(fā)展進程。

2.2 運行維護簡單

FCS在實際運行環(huán)節(jié)中可以利用專業(yè)監(jiān)控軟件對現(xiàn)場各項設(shè)備的運行狀態(tài)展開動態(tài)化監(jiān)督及管理，促使相關(guān)人員可以在第一時間察覺出現(xiàn)場設(shè)備存在的風(fēng)險問題及安全隱患，并及時將故障信息和診斷信息加以反饋，從根本上減少現(xiàn)場設(shè)備管理人員及維護人員的工作負擔(dān)，切實提高設(shè)備儀器的檢修質(zhì)量及效率。

2.3 可靠性高

FCS在實踐應(yīng)用階段中凸顯出分散性特點，相關(guān)人員可以借助現(xiàn)場設(shè)備的智能性實現(xiàn)各項目生產(chǎn)自動化控制。與此同時，F(xiàn)CS范圍內(nèi)的現(xiàn)場儀器設(shè)備所組建而成的銜接網(wǎng)絡(luò)較為簡易，不存在繁雜性接線問題，現(xiàn)場設(shè)備的后續(xù)維護及維修工作也較為簡單。部分儀表設(shè)備在出現(xiàn)故障問題和隱患后也不會對其他設(shè)備運行狀態(tài)造成負面影響，這便是FCS良好分散性的應(yīng)用價值，促使應(yīng)用于石油化工自動化領(lǐng)域中的FCS展現(xiàn)出高度可靠性。

2.4 兼容性強

現(xiàn)如今，信息技術(shù)、計算機技術(shù)獲得了進一步發(fā)展與應(yīng)用，對現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用給予高度重視可以為各大產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的穩(wěn)定發(fā)展提供更多有力保障與支持。然而FCS作為一項開放性極強的網(wǎng)絡(luò)而言，其在實踐應(yīng)用期間的現(xiàn)場總線協(xié)議往往涉及到控制器局部網(wǎng)（CAN）和國際化現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)（PROFIBUS）等等，差異化生產(chǎn)單位所提供的現(xiàn)場總線產(chǎn)品也可以完成設(shè)備信息互通等功能，在根本上突破傳統(tǒng)控制系統(tǒng)僅篩選相同廠家產(chǎn)品等約束問題，為產(chǎn)業(yè)部門選擇現(xiàn)場總線產(chǎn)品的渠道增添更多便捷性及多樣性幫助，利于企業(yè)進行資金成本的科學(xué)化配置，并在充分考慮自身發(fā)展現(xiàn)狀的前提條件下優(yōu)先選擇成本低、經(jīng)濟性強的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，切實將FCS的資金投入降低至最小化。

3 FCS 在石油化工自動化應(yīng)用中存在的問題

3.1 冗余問題

由于FCS儀表設(shè)備凸顯出自我調(diào)節(jié)和自主性診斷等功能特點，在發(fā)生運行故障問題或數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)失靈情況時，自動化設(shè)備儀表往往會在第一時間展開自我診斷及報警反饋，及時切換至主機系統(tǒng)中進行一系列干預(yù)處理。然而當(dāng)主機出現(xiàn)隱患問題期間，自動化儀表也可以積極利用自主干預(yù)等功能完成現(xiàn)場調(diào)節(jié)處理，進而將運行狀態(tài)不穩(wěn)定等狀況有效規(guī)避，這也促使FCS對冗余需求相對較低，在實踐應(yīng)用環(huán)節(jié)中也沒有對冗余問題實施相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。從整體視角來看，眾多FCS用戶往往會對FCS應(yīng)用成果產(chǎn)生一定顧慮和疑惑，比如重點關(guān)注生產(chǎn)項目的安全性等，所以在FCS投入使用期間重點強調(diào)冗余問題，雖然FCS充分滿足廣大用戶在冗余方面的需求，但是會在根本上增加FCS建設(shè)發(fā)展的成本消耗量，經(jīng)濟性也會受到負面影響[1]。

3.2 應(yīng)用價格高

現(xiàn)階段，F(xiàn)CS在各地區(qū)石油化工自動化領(lǐng)域中獲得了高度認可及廣泛運用，而且彰顯出一定的應(yīng)用效果。與以往所采用的DCS系統(tǒng)加以比較可以看出，F(xiàn)CS的維護費用、安裝成本相對較低，日常維護及檢修操作便捷簡單，維護人員所承擔(dān)的工作量較少。但是FCS的硬件價格遠超出DCS，導(dǎo)致FCS整體應(yīng)用價格不斷升高，針對部分小規(guī)?；蚪?jīng)濟條件不景氣的石油化工企業(yè)單位而言，長期運用FCS需要承受在經(jīng)濟方面的巨大壓力，致使少數(shù)小規(guī)模石油化工企業(yè)無法實現(xiàn)系統(tǒng)及時更新，仍然采用傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)。

4 石油化工自動化中FCS 的實踐應(yīng)用

4.1 實時控制

一般情況下，F(xiàn)CS的各項操作行為往往會受到外界因素的影響與約束，比如時間要素等，在充分考慮周期性條件影響的基礎(chǔ)上，傳感驅(qū)動過程需要對FCS時間限制加以分析，并運用最壞情況下的運行周期、時間和截止日期等加以判定。FCS在時間因素約束下的運動控制需求應(yīng)滿足以下功能需求：第一，可以在毫秒標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)開展動態(tài)運動學(xué)及動力學(xué)運算；第二，將參考值位于毫秒范圍內(nèi)的采樣周期運輸至專業(yè)化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)內(nèi)部；第三，確保網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的采樣速率體現(xiàn)為閉環(huán)系統(tǒng)帶寬的10倍左右。在精準(zhǔn)定位FCS動態(tài)化控制需求后，需要重點考慮FCS在實際運行階段所受到的時間因素影響，在結(jié)合運動控制需求的前提條件下，時間限制通常會受到系統(tǒng)運用等負面影響，在FCS運行環(huán)節(jié)中，系統(tǒng)運作需要重點結(jié)合計算成果和形成成果的時間。從整體視角來看，F(xiàn)CS在實踐應(yīng)用期間，當(dāng)驅(qū)動或傳感過程超出截止期期限階段中，便會受到硬時限和軟時限兩種問題影響，原本的截止期也會發(fā)生各項變化，在軟截止期范圍內(nèi)，原截止期運行狀況一旦出現(xiàn)中途斷開等問題，最終過程的結(jié)束價值也會迅速降低。因此，F(xiàn)CS的運行如果超出時間限制，便會對FCS應(yīng)用效果造成不利影響，進而導(dǎo)致系統(tǒng)無法穩(wěn)定安全運行[2]。

4.2 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

結(jié)合動態(tài)化運動控制內(nèi)容可以看出，F(xiàn)CS往往涉及到映像能力、環(huán)境需求和資源結(jié)構(gòu)等基本要素，其歸屬于一種高效實用性的循環(huán)系統(tǒng)。資源結(jié)構(gòu)和映像能力可以結(jié)合實際情況為系統(tǒng)運行提供更多資源信息，資源結(jié)構(gòu)通常指的是系統(tǒng)在運行狀態(tài)下產(chǎn)生的信息資源和原有通信能力，而映像能力指的是運用完善化的資源結(jié)構(gòu)對項目規(guī)劃進行深層次分析與研究，在映像支持下對各項目加以實施。在根本上來說，F(xiàn)CS是一個可以實現(xiàn)動態(tài)化連續(xù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。此系統(tǒng)在石油化工自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用可以結(jié)合理論公式有效解決規(guī)劃策略及資源分配等問題，F(xiàn)CS在投入使用期間要求滿足下述需求：其一，促使FCS工作站滿足各個控制回路的管理規(guī)范需求；其二，在實時操作系統(tǒng)（RTOS）的引導(dǎo)下滿足執(zhí)行回路控制標(biāo)準(zhǔn)；其三，運用智能化、集成化措施方法強化現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)智能模塊彼此間的有效銜接，進而協(xié)調(diào)開展回路管控工作的各項需求。

一般情況下，F(xiàn)CS涉及到有線傳輸和無線傳輸兩種傳輸類型。在此期間，無線傳輸主要指的是運用現(xiàn)代化信息技術(shù)和數(shù)據(jù)通信技術(shù)滿足數(shù)據(jù)資源在傳輸方面提出的各項需求，在此環(huán)節(jié)中，數(shù)據(jù)接收人員可以減免掌握數(shù)據(jù)來源等步驟，進而直接獲取真實、可靠、完整的數(shù)據(jù)內(nèi)容。另外，連接傳輸方式包括通信兩端要求響應(yīng)較慢信息后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)葌鬏敺绞?，由有線傳輸方式組建而成的鏈路活動可以在FCS系統(tǒng)運行階段中保障各個數(shù)據(jù)鏈路周期的統(tǒng)一協(xié)調(diào)性。通常情況下，在石油化工自動化鄰域當(dāng)中，F(xiàn)CS投入使用需要結(jié)合具體規(guī)劃算法展開精準(zhǔn)化運行，例如將FCS周期流程作為重要基礎(chǔ)，在某周期內(nèi)控制過程僅僅實施一次，整體過程可以利用以下三元組加以代表：

Pi=｛Ci，Di，Ti｝

Vi∈[0，…，n]

在此期間，Ci＜Di＜Ti，Ci作為關(guān)鍵運行時間，Di是截止期限，Ti是運行周期，而Pi則表示總體周期范圍內(nèi)出現(xiàn)問題的概率。一般情況下，可行性條件是檢驗FCS系統(tǒng)能否有效運用于石油化工生產(chǎn)項目中的關(guān)鍵參考依據(jù)，對FCS可行性條件展開全面審核檢驗，要求結(jié)合系統(tǒng)事件內(nèi)容、應(yīng)用系統(tǒng)通信最小帶寬間的截止期，其與可行性條件中重點強調(diào)執(zhí)行階段中過程截止期凸顯出完全一致等特點，所以可以作為FCS系統(tǒng)可行性條件精準(zhǔn)識別和判斷的關(guān)鍵要素。在檢驗此概率高低后，相關(guān)人員便可以針對FCS系統(tǒng)應(yīng)用及通信系統(tǒng)構(gòu)建的可行程度加以分析，并在結(jié)合石油化工企業(yè)具體發(fā)展趨勢的前提下對系統(tǒng)動態(tài)運行狀況提出控制需求[3]。

4.3 時間視圖

在充分考慮FCS在動態(tài)化運動控制需求的前提條件下，需要積極運用全局時鐘作為關(guān)鍵參考依據(jù)。在全局時鐘當(dāng)中，各個節(jié)點均可以將某基點作為關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。然而在缺少全局時鐘期間，要求及時構(gòu)建出全局時鐘方案和同步方法，促使FCS的各個節(jié)點均可以具備符合自身特點的物理時鐘。在此期間，基于FCS應(yīng)用的分布式算法可以促使接收器利用硬件獲取信息數(shù)據(jù)中的時間節(jié)點內(nèi)容，在運用現(xiàn)代化計算機技術(shù)科學(xué)驗證該方法環(huán)節(jié)中，可以看出擁有10節(jié)點的FCS時鐘同步可以低于10μs。然而因FCS系統(tǒng)中各個節(jié)點均涉及到與之匹配的物理時鐘，一旦FCS系統(tǒng)缺乏全局時鐘期間，便可以運用構(gòu)建輪詢模型等措施方法，對各類時鐘運用的頻率加以探究和檢驗，保障FCS系統(tǒng)的最終運用成果。

4.4 基于FCS 和DCS 的混合控制系統(tǒng)

從整體視角來看，結(jié)合FCS所具備的優(yōu)勢特點和問題，并在了解石油化工企業(yè)自動化生產(chǎn)項目的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來看，要從根本上發(fā)揮FCS的優(yōu)勢價值，相關(guān)人員需要將DCS與FCS展開深入結(jié)合，進一步發(fā)揮出兩項系統(tǒng)在輸入輸出、系統(tǒng)集成和網(wǎng)絡(luò)集成等多方面的價值效用，采用混合式控制系統(tǒng)等途徑手段，積極運用DCS有效彌補和填充FCS的漏洞問題及應(yīng)用效果。與FCS展開對比不難看出，DCS在石油化工自動化生產(chǎn)領(lǐng)域中彰顯出廣泛性、高效性的應(yīng)用，企業(yè)想在后續(xù)發(fā)展階段中實現(xiàn)高效自動化生產(chǎn)及可持續(xù)性發(fā)展，便可以從原有DCS系統(tǒng)設(shè)備功能的基礎(chǔ)上，通過對其加以管控實現(xiàn)FCS系統(tǒng)的功能升級與創(chuàng)新。與單一化運用FCS相比，推動DCS與FCS的深入結(jié)合凸顯出簡易化、便捷化特點，F(xiàn)CS中的設(shè)備節(jié)點所具備的自主性功能也可以實現(xiàn)進一步強化。兩項系統(tǒng)的集成發(fā)展，可以在根本上引導(dǎo)現(xiàn)場總線中的設(shè)備與其他設(shè)備有效銜接，此種創(chuàng)新型通信模式和理念可以在一定程度上滿足企業(yè)對生產(chǎn)現(xiàn)場的科學(xué)化管控，在混合式控制系統(tǒng)的實踐應(yīng)用背景下，可以大幅度提升FCS的應(yīng)用質(zhì)量及效率[4]。

5 結(jié)束語

綜上所述，F(xiàn)CS在石油化工自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用仍然存在諸多不足之處，想要從根本上提升該系統(tǒng)的應(yīng)用效果，最重要的是強化FCS與DCS的高度結(jié)合，以此來發(fā)揮出兩者差異化技術(shù)作用，全面彌補單一系統(tǒng)運用期間存在的隱患問題和漏洞弊端，進而為我國石油化工行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供更多保障。