现场总线控制系统在石化行业的应用及发展

作者：刘聪俐;周开华;古正龙

　　摘要:简要介绍了现场总线系统在石化行业的重要地位，并结合实际对其进行优势分析，对其应用发展发表了个人看法
　　关键词:fcs控制系统;结构特点;优势分析;前景展望
　　
　　“信息化带动工业化，工业化促进信息化”是中国的国策。现在石油和化工企业的信息化分为三层结构：第一层以pcs(process control system，过程控制系统)为代表的生产过程基础自动化层，主要内容包括先进控制系统（dcs、fcs）、先进控制软件、软测量技术、实时数据库等。第二层以mes(manufacturing execution system，制造执行系统)为代表的生产过程运行优化层，主要内容包括现金计划与调度技术aps、生产实时跟踪技术、动态质量控制与管理技术、物料平衡技术等。第三层以erp(enterprise resource planning，企业资源计划)为代表的生产过程经营优化层，主要内容包括企业资源管理erp、供应链管理、产品质量数据管理、设备资源管理、企业电子商务平台等。三层结构在功能划分上虽有重叠，但各有侧重。
　　目前中国石油内部正在mes和erp这两层平台推广实施先进的管理系统。层虽然处于最底层，但是本层各种控制系统及技术应用效果的好坏，直接关系到信息化进程的快慢和应用效果。在目前，dcs（集散控制系统）还是主流，国内已有近800套应用。但是现场总线控制系统fcs（fieldbus control system）代表当今控制技术和dcs的发展方向，并已经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，笔者将fcs结合本公司装置实例，对其应用发展，略表以下个人之见：
　　
　　一、(fcs)现场总线控制系统的特点
　　
　　根据iec/isa定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支的通信网络。它是用于过程自动化最底层的现场设备以及现场仪表的互连网络，是现场通信网络和控制系统的集成。它具有系统开放性；互可操作性和互用性；现场设备的智能化与功能自治性；系统结构的高度分散性；对现场环境的适应性等技术特点。fcs与传统控制系统（如dcs）的结构对比如图所示
　　
　　
　　二、(fcs) 现场总线控制系统的优势分析
　　
　　出于安全角度考虑，炼油化工装置与操作控制人员所处的距离一般较远，采用fcs比采用dcs优势更明显。以我公司20万吨/年催化重整和10万吨/年柴油加氢联合装置为例，来分析一下采用现场总线系统的优势。目前本联合装置采用dcs系统，从装置到控制站之间距离为大约450m。dcs系统现场控制站i/o点数统计为（不包括esd系统点数）：模拟量输入点（ai）带控制106点、指示208点；温度指示t/c、rtd：340点；模拟量输出ao：93点；数字量输入di:50点；数字量输出do：22点。根据点数统计，集散控制系统规模最低设置（考虑20%备用余量）应至少配控制柜4块，包括：8点ai卡57块，6路t/c卡68块，8点ao卡27块，16点di卡：4块，16点do卡2块。安全栅柜4块，对所有输入输出配安全栅、继电器端子等。电源柜1块，为控制柜和安全栅柜提供电源。操作站4个，工程师站1个。电缆敷设采用从现场仪表到接线箱，再通过多芯电缆至控制室内接线端子的方式。这样所用8芯电缆电缆数量大约41km，2芯电缆电缆数量大约41km。如果采用fcs系统，从控制系统设计、安装、投运到日常检维修都可以体现其优越性：

　　（一）节约初期投资和安装费用
　　以采用profibus-dp为例，构成多主站控制系统。由于现场的智能设备具有多种功能，因而可不再需要单独的控制器、报警设定器、及dcs系统的多种卡件、隔离栅等。所以说可以省去本联合装置中4个控制柜和4个安全栅柜中所有卡件、隔离栅及其他变送器、设定器等控制设备。但是相比较电ⅲ型仪表，现场智能仪表价位稍高，总体上来说硬件投资低于dcs系统。由于控制室内设备减少，并且现场总线系统接线简单，一对双绞线上可挂接多个设备，因而电缆、槽盒、桥架用量和规格大大减少，既节约了投资，也减少了设计、安装工作量。桥架宽度规格减小，能相应减少土建专业施工难度。总体上而言，可减少初期投资。
　　（二）节约后期安装和日常维护费用
　　当后期需要增加现场控制设备时，无需增设新电缆，就近连在原电缆即可，节省了后期电缆投资和相应的施工工作量，普遍认为可节约安装费用60%。由于现场控制设备本身具有自诊断、故障自处理能力，并且控制网络可以将现场控制设备的状态、诊断信息传输到控制室，操作管理人员可以快速、准确的了解和查询生产现场和自控设备的运行状态。作为网络节点的智能现场设备，具备数字计算和数字通讯能力，位于现场的测量变送与执行机构之间直接借助网络传送信号，因而控制功能可直接在现场完成，实现了彻底的分散到现场的控制系统功能，从根本上提高了控制系统运行的可靠性和有效性。
　　2.3用户具有高度的系统集成主动权
　　控制网络突破了dcs系统中因专用网络的封闭造成的缺陷，采用开放化、标准化的解决方案，用户可根据广泛认可的、开放的协议选用总线系统，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而烦恼。
　　
　　三、国内工程应用存在的问题
　　
　　（一）价格问题
　　fcs的主要特点是节省安装费用和维护开销，在硬件的价格方面并不比传统的dcs或者plc低，甚至要略高于它们。国外的fcs应用试点报告已说明了这种情况，fcs的总费用低。但在国内，一方面用户对硬件的价格十分敏感，而进口fcs硬件的价格高得惊人；另一方面，由于国内目前人工费用低，所以工程设计，管理，安装，调试等费用远比国外低。这是fcs在国内应用不多的一个重要原因。
　　（二）冗余问题
　　按照现场总线的设计思想，低速部分不需要冗余，因为它已经将危险分散了，局部故障不会导致全局的故障。现场总线的智能化仪表又有实现维修预报的功能，可以事先防范；而且万一现场仪表故障，调节回路失灵，也可以由主机进行操作干预。主机出现故障时，现场仪表在现场自成调节回路而实现自主调节。但在实际生产中的一些特殊应用场合，控制系统用户(尤其是出现过由于控制系统失灵导致工厂事故的生产企业)特别强调冗余，有的甚至要冗余到底(包括电源，网络等等)，而目前现场总线国际标准ff的f1和profibus的pa都没有冗余。当然，要完全冗余，在技术上不是完全不可能的，但这样一来，在经济上往往是不允许的。
　　（三）调试和运行维护比预料的难
　　由于现场总线技术包含许多新的技术内容，尤其是像ff这样的现场总线本身相当复杂，在调试过程和运行维护中经常会遇到这样那样的困难。
　　
　　四、前景展望
　　
　　目前，在我国绝大部分过程工业都以dcs作为主流控制系统，电皿型仪表作为主导仪表；加上因认识上的原因和现场总线智能仪表尚为非主导产品，暂不能大量普及fcs。单从利用现有资源角度，dcs系统的消失或完全被取代，短期内也是不合理的，应立足于现有dcs，充分挖掘现有设备的潜力(如可以在dcs与fcs之间安装网关，以实现信息的传递)，使既有投资又不至于浪费。另外，dcs是一个不断发展的控制系统，它必然采用现场总线技术对自身进行改造，使dcs能与现场总线智能传感器(智能仪表)和局部fcs连接起来。目前一段时期所有这些情况造成fcs与dcs共存的局面。据估计，用10年左右的时间才能真正过渡到fcs的主导地位。
　　
　　参考文献：
　　[1] 《工业数据通信与控制网络》 阳宪惠 清华大学出版社
　　[2] 《现场总线与工业以太网及其应用系统设计》 李正军 人民邮电出版社