浅议石化企业DCS、FCS系统的应用和发展(上)

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关键词:摘要:信息化带动工业化,工业化促进信息化”是中国的国策。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,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,第三层以ERP(Enterpris...
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  • 摘要:信息化带动工业化,工业化促进信息化”是中国的国策。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 ,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,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 。 本文针对第一层(PCS)浅谈DCS(Distributed Control System,集散控制系统或分散控制系统)、FCS(Field-bus Control System,现场总线控制系统)的应用和发展 。

信息化带动工业化 ,工业化促进信息化 ”是中国的国策。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,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,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。
本文针对第一层(PCS)浅谈(Distributed Control System ,集散控制系统或分散控制系统) 、FCS(Field-bus Control System,现场总线控制系统)的应用和发展 。  1. DCS的应用和发展  DCS自20世纪70年代问世以来,经过几代技术变迁和更新发展 ,现已广泛应用于各个行业 ,其中石油和化工企业的应用更为普及,技术改造项目用DCS,新建项目用DCS。在石油和化工企业有用DCS逐步替代常规仪表控制系统的发展趋势。  DCS应用之所以如此普遍 ,究其原因它有以下一系列的特点和优点:  ①分散性:其含义是指分散控制 、地域分散、设备分散、功能分散和危险分散 。硬件积木化和软件模块化是分散性的具体体现。目的是为了使危险分散,进而提高系统的可靠性和安全性。  ②集中性:其含义是指集中监视 、操作和管理 。用通信网络把分散的设备构成统一的整体,用分布式数据库实现全系统的信息集成 ,进而达到信息共享。人们可以同时在多台操作站上集中监视、操作和管理。  ③自治性:其含义是指系统中的各台设备均可独立地工作 。控制站自主地进行输入、运算 、控制和输出,操作员站自主地实现监视、操作和管理,工程师站可以在线或离线组态。  ④协调性:其含义是指系统中的各台设备用通信网络和数据库互连在一起 ,相互传送信息,相互协调工作,以实现系统的总体功能。DCS的分散和集中、自治和协调不是互相对立 ,而是互相补充 。  ⑤灵活性和扩展性:硬件采用积木式结构,可以灵活地配置成小 、中、大各类系统,并可以根据企业的发展逐步扩展系统 。软件采用模块式结构 ,提供输入、输出 、运算和控制功能块 ,可以灵活地组态构成简单、复杂各类控制系统,并可以根据生产工艺流程的改变,随时修改控制方案。  ⑥可靠性和适应性:分散性带来系统的可靠性 ,并采用一系列冗余技术、热拔插技术 、故障诊断和故障屏蔽技术。采用高性能的元器件 、先进的制造工艺和抗干扰技术,使DCS能够适应恶劣的工作环境 。  ⑦先进性和继承性:硬件上采用先进的计算机、通信网络和人机接口;软件上采用先进的操作系统、数据库 、网络管理和控制语言;控制算法上采用自适应、预测、推理 、优化等先进控制技术。DCS更新换代比较快,继承性体现在新、老系统互相兼容 ,可以给用户带来更好的利益。  DCS随着计算机、控制 、网络通信、组态软件、信息集成和数据库技术的发展而不断更新和发展,主要体现在以下几个方面:  ①信息化:DCS已从单一的控制系统,发展为集控制和管理于一体的综合信息系统 。DCS提供了从生产现场到车间 ,再从工厂到公司,最后到企业集团的整个信息通道,充分体现了信息的全面性 、准确性和实时性。  ②集成化:DCS已从单一封闭系统 ,发展为集成各类、工业PC、数字化仪表和设备,甚至不同型号DCS可以互相集成和信息共享,为最终用户提供集成化综合系统。  ③智能化:随着人工智能 、专家系统 、自适应、预测和推理等先进控制技术的发展和应用 ,DCS也适时地融合这些新技术 ,实现先进的智能化控制功能 。  ④开放式网络:DCS已从单一封闭网络,发展为开放式网络系统,通过互联网技术和IE浏览器 ,可以访问过程画面、查询数据 、管理调度和指挥生产。开放式网络的关键是网络安全,传统DCS采用软件防火墙,现代DCS不仅有软件防火墙 ,而且有硬件防火墙,既保证网络安全开放,又保证监控层的实时性。例如 ,Honeywell公司的Experion PKS R300的控制站采用硬件防火墙技术 。  ⑤容错以太网(FTE):传统DCS用两条独立网络(A,B)实现冗余,两台设备之间只有一条通信路径 ,其本质是单条网络运行,故障时整条网络切换(A到B或B到A),切换时间长 ,可靠性低。现代DCS用容错以太网(FTE ,Fault Tolerant Ethernet),如图1所示。图1中S1~S6互相连接,其中S1和S2为上层 ,S3~S6为下层,每台设备(D1~D4)同时连接两台下层交换机,任意两台设备之间有4条通信路径 ,其本质是多条网络运行 。例如,设备D1和D4之间的4条通信路径分别为D1→S3→S1→S5→D4,D1→S3→S1→S2→S6→D4 ,D1→S4→S2→S1→S5→D4,D1→S4→S2→S6→D4 。故障时只需切换路径,切换时间短 ,可靠性高。例如,Honeywell公司的Experion PKS R300采用此FTE技术,FTE设备节点之间网络带宽可达200Mbps ,交换机之间可达1Gbps。


图1容错以太网(FTE)  ⑥无线网络技术:支持手持移动无线操作站 ,将无线技术与控制技术融为一体,进行现场操作监控、故障处理和仪表校验,实现操作与维护的无缝集成 。例如 ,Honeywell公司的Experion PKS R300采用此无线网络技术。  ⑦数字视频技术:通过摄像头采集现场图像信息,再通过图像识别软件,进行图像处理 ,发现异常图像,立即发出报警信号,具有自动录像和录像回放功能 ,便于事故分析,并将数字视频技术与操作监控软件融为一体。例如,Honeywell公司的Experion PKS R300采用此数字视频技术 。  ⑧先进控制站:DCS的基础是控制站 ,为了进一步提高控制站的可靠性、稳定性和安全性,增强控制站的功能,而采用了一系列先进技术。例如 ,控制站采用无底板模块结构 ,独立倾斜式垂直插拔,散热效果好,接线维护方便;采用容错以太网(FTE) ,硬件控制防火墙(冗余),冗余控制器 、冗余I/O、冗余电源、冗余现场总线接口;采用先进的预估控制算法,鲁棒性好 ,具有参数自整定功能。Honeywell公司的Experion PKS R300控制站是上述先进控制站的代表之一,如图2所示 。

图2PKS R300控制站

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