FCS的特點、應(yīng)用優(yōu)勢及在存在哪些問題

“信息化帶動工業(yè)化，工業(yè)化促進信息化”是中國的國策現(xiàn)在石油和化工企業(yè)的信息化分為三層結(jié)構(gòu)：第一層以PCS（Process Control System，過程控制系統(tǒng)）為代表的生產(chǎn)過程基礎(chǔ)自動化層，主要內(nèi)容包括先進控制系統(tǒng)（DCS、FCS）、先進控制軟件、軟測量技術(shù)、實時數(shù)據(jù)庫等。第二層以MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）為代表的生產(chǎn)過程運行優(yōu)化層，主要內(nèi)容包括現(xiàn)金計劃與調(diào)度技術(shù)APS、生產(chǎn)實時跟蹤技術(shù)、動態(tài)質(zhì)量控制與管理技術(shù)、物料平衡技術(shù)等。第三層以ERP（Enterprise Resourse Planning，企業(yè)資源計劃）為代表的生產(chǎn)過程經(jīng)營優(yōu)化層，主要內(nèi)容包括企業(yè)資源管理ERP、供應(yīng)鏈管理、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)管理、設(shè)備資源管理、企業(yè)電子商務(wù)平臺等。三層結(jié)構(gòu)在功能劃分上雖有重疊，但各有側(cè)重。

目前中國石油內(nèi)部正在MES和ERP這兩層平臺推廣實施先進的管理系統(tǒng)。PCS層雖然處于最底層，但是本層各種控制系統(tǒng)及技術(shù)應(yīng)用效果的好壞，直接關(guān)系到信息化進程的快慢和應(yīng)用效果。在目前，DCS（集散控制系統(tǒng)）還是主流，國內(nèi)已有近800套應(yīng)用。但是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Field control system）代表當(dāng)今控制技術(shù)和DCS的發(fā)展方向，并已經(jīng)進入工業(yè)化應(yīng)用階段。人們對FCS有各種評論，既有對新技術(shù)的贊嘗，也有對現(xiàn)狀的困惑。盡管眾說紛紜，將FCS結(jié)合本公司裝置實例，對其應(yīng)用發(fā)展，略表以下個人之見：

一、（FCS）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點

根據(jù)IEC/ISA定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支的通信網(wǎng)絡(luò)。它是用于過程自動化最底層的現(xiàn)場設(shè)備以及現(xiàn)場儀表的互連網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)的集成。它具有系統(tǒng)開放性；互可操作性和互用性；現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性；對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性等技術(shù)特點。FCS與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)（如DCS）的結(jié)構(gòu)對比如圖所示

二、（FCS）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)勢分析

出于安全角度考慮，煉油化工裝置與操作控制人員所處的距離一般較遠，采用FCS比采用DCS優(yōu)勢更明顯。以我公司20萬噸/年催化重整和l0萬噸/年柴油加氫聯(lián)合裝置為例，來分析一下采用現(xiàn)場總線系統(tǒng)的優(yōu)勢。目前本聯(lián)合裝置采用DCS系統(tǒng)，從裝置到控制站之間距離為大約450m。DCS系統(tǒng)現(xiàn)場控制站I/O點數(shù)統(tǒng)計為（不包括ESD系統(tǒng)點數(shù)）：模擬量輸入點（AI）帶控制106點、指示208點，溫度指示T/C、RTD：340點；模擬量輸出AO：93點；數(shù)字量輸入DI:50點；數(shù)字量輸出DO：22點。根據(jù)點數(shù)統(tǒng)計，集散控制系統(tǒng)規(guī)模最低設(shè)置（考慮20％備用余量）應(yīng)至少配控制柜4塊，包括：8點AI卡57塊，6路T/C卡68塊，8點AO卡27塊，l6點DI卡：4塊，l6點D0卡2塊。安全柵柜4塊，對所有輸入輸出配安全棚、繼電器端子等。電源柜l塊，為控制柜和安全柵柜提供電源。操作站4個，工程師站1個。電纜敷設(shè)采用從現(xiàn)場儀表到接線箱再通過多芯電纜至控制室內(nèi)接線端子的方式。這樣所用8芯電纜電纜數(shù)量大約41km，2芯電纜電纜數(shù)量大約4lkm。如果采用FCS系統(tǒng)，從控制系統(tǒng)設(shè)計、安裝投運到日常檢維修都可以體現(xiàn)其優(yōu)越性：

（一）節(jié)約初期投資和安裝費用

以采用PROFIBUS－DP為例，構(gòu)成多主站控制系統(tǒng)。由于現(xiàn)場的智能設(shè)備具有多種功能，因而可不再需要單獨的控制器、報警設(shè)定器、及DCS系統(tǒng)的多種卡件、隔離柵等。所以說可以省去本聯(lián)合裝置中4個控制柜和4個安全柵柜中所有卡件、隔離柵及其他變送器、設(shè)定器等控制設(shè)備。但是相比較電Ⅲ型儀表，現(xiàn)場智能儀表價

位稍高，總體上來說硬件投資低于DCS系統(tǒng)。由于控制室內(nèi)設(shè)備減少，并且現(xiàn)場總線系統(tǒng)接線簡單，一對雙絞線上可掛接多個設(shè)備，因而電纜、槽盒、橋架用量和規(guī)格大大減少，既節(jié)約了投資，也減少了設(shè)計、安裝工作量。橋架寬度規(guī)格減小，能相應(yīng)減少土建專業(yè)施工難度?？傮w上而言，可減少初期投資。

（二）節(jié)約后期安裝和日常維護費用

當(dāng)后期需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時，無需增設(shè)新電纜，就近連在原電纜即可，節(jié)省了后期電纜投資和相應(yīng)的施工工作量普遍認(rèn)為可節(jié)約安裝費用60％。由于現(xiàn)場控制設(shè)備本身具有自診斷、故障自處理能力，并且控制網(wǎng)絡(luò)可以將現(xiàn)場控制設(shè)備的狀態(tài)、診斷信息傳輸?shù)娇刂剖?，操作管理人員可以快速、準(zhǔn)確的了解和查詢生產(chǎn)現(xiàn)場和自控設(shè)備的運行狀態(tài)。作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智能現(xiàn)場設(shè)備，具備數(shù)字計算和數(shù)字通訊能力，位于現(xiàn)場的測量變送與執(zhí)行機構(gòu)之間直接借助網(wǎng)絡(luò)傳送信號，因而控制功能可直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底的分散到現(xiàn)場的控制系統(tǒng)功能，從根本上提高了控制系統(tǒng)運行的可靠性和有效性。

2.3 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)

控制網(wǎng)絡(luò)突破了DCS系統(tǒng)中因?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)的封閉造成的缺陷，采用開放化標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，用戶可根據(jù)廣泛認(rèn)可的、開放的協(xié)議選用總線系統(tǒng)，不會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而煩惱。

三．國內(nèi)工程應(yīng)用存在的問題

（一）價格問題

FCS的主要特點是節(jié)省安裝費用和維護開銷，在硬件的價格方面并不比傳統(tǒng)的DCS或者PLC低，甚至要略高于它們。國外的FCS應(yīng)用試點報告已說明了這種情況，F(xiàn)CS的總費用低。但在國內(nèi)，一方面用戶對硬件的價格十分敏感，而進口FCS硬件的價格高得驚人－另一方面，由干國內(nèi)目前人工費用低，所以工程設(shè)計，管理，安裝，調(diào)試等費用遠比國外低。這是FCS在國內(nèi)應(yīng)用不多的一個重要原因。

（二）冗余問題

按照現(xiàn)場總線的設(shè)計思想，低速部分不需要冗余，因為它已經(jīng)將危險分散了，局部故障不會導(dǎo)致全局的故障?，F(xiàn)場總線的智能化儀表又有實現(xiàn)維修預(yù)報的功能，可以事先防范，而且萬一現(xiàn)場儀表故障，調(diào)節(jié)回路失靈，也可以由主機進行操作干預(yù)。主機出現(xiàn)故障時，現(xiàn)場儀表在現(xiàn)場自成調(diào)節(jié)回路而實現(xiàn)自主調(diào)節(jié)。但在實際生產(chǎn)中的一些特殊應(yīng)用場合，控制系統(tǒng)用戶（尤其是出現(xiàn)過由于控制系統(tǒng)失靈導(dǎo)致工廠事故的生產(chǎn)企業(yè)）特別強調(diào)冗余，有的甚至要冗余到底（包括電源，網(wǎng)絡(luò)等等），而目前現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)FF的Fl和Profibus的PA都沒有冗余。當(dāng)然，要完全冗余，在技術(shù)上不是完全不可能的，但這樣一來，在經(jīng)濟上往往是不允許的。

（三）調(diào)試和運行維護比預(yù)料的難

由于現(xiàn)場總線技術(shù)包含許多新的技術(shù)內(nèi)容，尤其是像FF這樣的現(xiàn)場總線本身相當(dāng)復(fù)雜，在調(diào)試過程和運行維護中經(jīng)常會遇到這樣那樣的困難。

四、前景展望

目前，在我國絕大部分過程工業(yè)都以DCS作為主流控制系統(tǒng)，電皿型儀表作為主導(dǎo)儀表；加上因認(rèn)識上的原因和現(xiàn)場總線智能儀表尚為非主導(dǎo)產(chǎn)品，暫不能大量普及FCS。單從利用現(xiàn)有資源角度，DCS系統(tǒng)的消失或完全被取代，短期內(nèi)也是不合理的，應(yīng)立足于現(xiàn)有DCS，充分挖掘現(xiàn)有設(shè)備的潛力（如可以在DCS與FCS之間安裝網(wǎng)關(guān)，以實現(xiàn)信息的傳遞），使既有投資又不至于浪費。另外，DCS是一個不斷發(fā)展的控制系統(tǒng)，它必然采用現(xiàn)場總線技術(shù)對自身進行改造，使DCS能與現(xiàn)場總線智能傳感器（智能儀表）和局部FCS連接起來。目前一段時期所有這些情況造成FCS與DCS共存的局面。據(jù)估計，用10年左右的時間才能真正過渡到FCS的主導(dǎo)地位。

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