“信息化帶動工業化，工業化促進信息化”是中國的國策。石油和化工企業的信息化分為三層結構：第一層以PCS（ProcessControlSystem，過程控制系統）為代表的生產過程基礎自動化層，第二層以MES（ManufacturingExecutionSystem，制造執行系統）為代表的生產過程運行優化層，第三層以ERP（EnterpriseResourcePlanning，企業資源計劃）為代表的生產過程經營優化層。 本文針對第一層（PCS）淺談DCS（DistributedControlSystem，集散控制系統或分散控制系統）、FCS（Field-busControlSystem，現場總線控制系統）的應用和發展。 1、DCS的應用和發展 DCS自20世紀70年代問世以來，經過幾代技術變遷和更新發展，現已廣泛應用于各個行業，其中石油和化工企業的應用更為普及，技術改造項目用DCS，新建項目用DCS。在石油和化工企業有用DCS逐步替代常規儀表控制系統的發展趨勢。 DCS應用之所以如此普遍，究其原因它有以下一系列的特點和優點： ① 分散性：其含義是指分散控制、地域分散、設備分散、功能分散和危險分散。硬件積木化和軟件模塊化是分散性的具體體現。目的是為了使危險分散，進而提高系統的可靠性和安全性。 ② 集中性：其含義是指集中監視、操作和管理。用通信網絡把分散的設備構成統一的整體，用分布式數據庫實現全系統的信息集成，進而達到信息共享。人們可以同時在多臺操作站上集中監視、操作和管理。 ③ 自治性：其含義是指系統中的各臺設備均可獨立地工作。控制站自主地進行輸入、運算、控制和輸出，操作員站自主地實現監視、操作和管理，工程師站可以在線或離線組態。 ④ 協調性：其含義是指系統中的各臺設備用通信網絡和數據庫互連在一起，相互傳送信息，相互協調工作，以實現系統的總體功能。DCS的分散和集中、自治和協調不是互相對立，而是互相補充。 ⑤ 靈活性和擴展性：硬件采用積木式結構，可以靈活地配置成小、中、大各類系統，并可以根據企業的發展逐步擴展系統。軟件采用模塊式結構，提供輸入、輸出、運算和控制功能塊，可以靈活地組態構成簡單、復雜各類控制系統，并可以根據生產工藝流程的改變，隨時修改控制方案。 ⑥ 可靠性和適應性：分散性帶來系統的可靠性，并采用一系列冗余技術、熱拔插技術、故障診斷和故障屏蔽技術。采用高性能的元器件、先進的制造工藝和抗干擾技術，使DCS能夠適應惡劣的工作環境。 ⑦ 先進性和繼承性：硬件上采用先進的計算機、通信網絡和人機接口；軟件上采用先進的操作系統、數據庫、網絡管理和控制語言；控制算法上采用自適應、預測、推理、優化等先進控制技術。DCS更新換代比較快，繼承性體現在新、老系統互相兼容，可以給用戶帶來更好的利益。 DCS隨著計算機、控制、網絡通信、組態軟件、信息集成和數據庫技術的發展而不斷更新和發展，主要體現在以下幾個方面： ① 信息化：DCS已從單一的控制系統，發展為集控制和管理于一體的綜合信息系統。DCS提供了從生產現場到車間，再從工廠到公司，最后到企業集團的整個信息通道，充分體現了信息的全面性、準確性和實時性。 ② 集成化：DCS已從單一封閉系統，發展為集成各類PLC、工業PC、數字化儀表和設備，甚至不同型號DCS可以互相集成和信息共享，為最終用戶提供集成化綜合系統。 ③ 智能化：隨著人工智能、專家系統、自適應、預測和推理等先進控制技術的發展和應用，DCS也適時地融合這些新技術，實現先進的智能化控制功能。 ④ 開放式網絡：DCS已從單一封閉網絡，發展為開放式網絡系統，通過互聯網技術和IE瀏覽器，可以訪問過程畫面、查詢數據、管理調度和指揮生產。開放式網絡的關鍵是網絡安全，傳統DCS采用軟件防火墻，現代DCS不僅有軟件防火墻，而且有硬件防火墻，既保證網絡安全開放，又保證監控層的實時性。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300的控制站采用硬件防火墻技術。 ⑤ 容錯以太網（FTE）：傳統DCS用兩條獨立網絡（A，B）實現冗余，兩臺設備之間只有一條通信路徑，其本質是單條網絡運行，故障時整條網絡切換（A到B或B到A），切換時間長，可靠性低。現代DCS用容錯以太網（FTE，FaultTolerantEthernet），如圖1所示。 圖1中交換機S1～S6互相連接，其中S1和S2為上層，S3～S6為下層，每臺設備（D1～D4）同時連接兩臺下層交換機，任意兩臺設備之間有4條通信路徑，其本質是多條網絡運行。例如，設備D1和D4之間的4條通信路徑分別為D1→S3→S1→S5→D4，D1→S3→S1→S2→S6→D4，D1→S4→S2→S1→S5→D4，D1→S4→S2→S6→D4。故障時只需切換路徑，切換時間短，可靠性高。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300采用此FTE技術，FTE設備節點之間網絡帶寬可達200Mbps，交換機之間可達1Gbps。 ⑥ 無線網絡技術：支持手持移動無線操作站，將無線技術與控制技術融為一體，進行現場操作監控、故障處理和儀表校驗，實現操作與維護的無縫集成。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300采用此無線網絡技術。 ⑦ 數字視頻技術：通過攝像頭采集現場圖像信息，再通過圖像識別軟件，進行圖像處理，發現異常圖像，立即發出報警信號，具有自動錄像和錄像回放功能，便于事故分析，并將數字視頻技術與操作監控軟件融為一體。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300采用此數字視頻技術。 ⑧ 先進控制站：DCS的基礎是控制站，為了進一步提高控制站的可靠性、穩定性和安全性，增強控制站的功能，而采用了一系列先進技術。例如，控制站采用無底板模塊結構，獨立傾斜式垂直插拔，散熱效果好，接線維護方便；采用容錯以太網（FTE），硬件控制防火墻（冗余），冗余控制器、冗余I/O、冗余電源、冗余現場總線接口；采用先進的預估控制算法，魯棒性好，具有參數自整定功能。Honeywell公司的ExperionPKSR300控制站是上述先進控制站的代表之一，如圖2所示。 2、FCS的應用和發展 FCS是一種新型的分布式網絡控制系統，它既是現場通信網絡系統，也是現場自動化系統。它作為一種現場通信網絡系統，具有開放式數字通信功能，可與各種通信網絡互連。它作為一種現場自動化系統，把安裝于生產現場的具有輸入、輸出、運算、控制和通信功能的各種現場儀表作為現場總線的節點，并直接在現場總線上構成分散的控制回路。 FCS代表當今控制技術和DCS的發展方向，并以進入工業化應用階段。人們對FCS有各種評論，既有對新技術的贊嘗，也有對現狀的困惑。盡管眾說紛紜，筆者認為，目前是FCS和DCS并存，FCS作為DCS框架下的重要分支應用發展，略表以下個人之見： ① FCS的變革：不僅變革了傳統的單一功能的模擬儀表，將其改為綜合功能的數字儀表；而且變革了傳統DCS的控制站，將輸入、輸出、運算和控制功能分散分布到現場總線儀表中，在現場總線上構成控制回路，形成了全數字的徹底的分散控制系統。 ② FCS的特點：具有系統的分散性、系統的開放性、產品的互操作性、環境的適應性、維護的簡易性、系統的可靠性和使用的經濟性這7個方面的特點或優點。 有人對“使用的經濟性”有異議，這是正常的暫時現象，其原因是FCS尚未進入大批量應用階段，現場總線儀表及輔助設備價格偏高。隨著FCS的推廣應用，技術進步，市場競爭，優勝劣汰，FCS的經濟性將會顯現。回想當年，DCS也是如此，現在人們已完全接收了DCS。 ③ FCS的應用：典型工業應用實例是上海賽科（SECCO）90萬噸/年乙烯工程，DCS采用Emerson公司的DeltaV系統，控制站除常規I/O模塊外，配置了FF-H1現場總線模塊，每個模塊的2個接口分別構成2段FF-H1總線，每段FF-H1總線設計9臺儀表（實用6臺，備用3臺）。 該工程實用FF-H1現場總線段2473條，FF-H1現場總線儀表14375臺，平均每個FF-H1現場總線段上掛5.8臺儀表。FF-H1現場總線段上集成了不同廠家的現場總線儀表，除了Emerson的溫度、壓力、流量等儀表，還有E+H的雷達液位計和流量計，ABB的閥門定位器，ROTORK的電動馬達控制器，TYCO的電動馬達控制器等，保證了多種產品的一致性和互操作性。 ④ FCS的集成：小型工程項目中FCS自成系統，中、大型工程項目中FCS和DCS控制站集成，一般有兩種集成方式。一種是FF-H1現場總線模塊作為控制站的下屬I/O模塊，例如Emerson公司的DeltaV系統，如圖3所示；另一種是FF-H1現場總線模塊獨立，例如Honeywell公司的ExperionPKSR300系統，如圖4所示。 前者FF-H1依附于控制器，信息傳輸慢；后者FF-H1獨立，信息傳輸快。圖3和圖4中工程師站（ES）、操作員站（OS）、計算機站（CS）為DCS操作監控層設備，控制站中有冗余電源（P）、控制器（C）、現場總線接口（H1）以及各類I/O模塊。 ⑤ FCS的發展：FF-H1現場總線通信速率為31.25Kbps，不支持冗余總線，有人對這2點提出異議。值得高興的是目前有多種現場總線，既有中速也有高速現場總線，而且工業以太網（Ethernet）也已進入實用階段，正在從高層向底層延伸，有望實現“E（Ethernet）網到底”。FCS代表技術發展方向，在應用中不斷改進，揚長避短，必將出現更加完美的FCS。 3、先進控制技術的應用 根據“十一五”時期信息化發展規劃，先進控制技術在流程工業的應用普及率達70%以上。 DCS和FCS為先進控制技術的應用提供了條件，先進控制軟件作為DCS的可選件集成于系統之中。常用的先進控制技術主要有以下幾種： ① 單回路整定技術：單回路PID控制始終占據過程控制的主導地位，但魯棒性能不理想，對大滯后和強干擾的過程表現出明顯的不足。為此，研發出單回路模型預測控制，自動調整控制參數，適用于大滯后和強干擾的過程。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300系統中的ProfitLoop單輸入單輸出（SISO）模型預估控制算法。 ② 軟儀表技術：這是基于過程機理模型或統計模型，對產品主要參數進行在線預估，并將預估參數參于在線控制產品質量。例如，Honeywell公司的針對常減壓原油切換的ProfitGCC軟件包。 ③ 多變量模型預估控制技術：這是先進控制的核心技術，首先辨識過程模型，再預估過程參數和被控量，并與所要求的目標值比較，若有偏差，則計算出最優控制量，從而實現全裝置的多變量控制。例如，Honeywell公司的RMPCT軟件包，AspenTechnology公司的DMC-plus軟件包。 ④ 在線優化技術：這是基于過程機理模型和動態優化技術，找出最優操作點，再通過多變量控制器實現優化操作。例如，Honeywell公司開發了基于ProfitOptimizer、ProfitBridge和機理模型的動態優化軟件，應用于乙烯和煉油裝置。 ⑤ 性能監視和維護技術：先進控制的效益投運初期較高，隨著運行時間增加、裝置性能變化、模型失配及操作變化等原因，致使先進控制性能降低，經濟效益也隨之下降。 為此，開發商推出了先進控制性能監視和維護工具軟件，來維護先進控制的效益。例如，Honeywell公司開發出Scout軟件，AspenTechnology公司開發出AspenWatch軟件。 今后推動DCS、FCS、先進控制技術的應用和發展寄希望于流程工業，尤其是石油和化工行業是領頭軍。在“信息化帶動工業化，工業化促進信息化”國策的指引下，必將迎來DCS、FCS、先進控制技術的應用和發展的春天。