现场总线控制论文

时间:2022-07-24 05:27:00

现场总线控制论文

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

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(ProcessControlSystem,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(ManufacturingExecutionSystem,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(EnterpriseResourcePlanning,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。PCS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(fieldbuscontrolsystem)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。

(三)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