“信息化帶動工業(yè)化，工業(yè)化促進(jìn)信息化”是中國的國策。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（ProcessControlSystem，過程控制系統(tǒng)）為代表的生產(chǎn)過程基礎(chǔ)自動化層，第二層以MES（ManufacturingExecutionSystem，制造執(zhí)行系統(tǒng)）為代表的生產(chǎn)過程運行優(yōu)化層，第三層以ERP（EnterpriseResourcePlanning，企業(yè)資源計劃）為代表的生產(chǎn)過程經(jīng)營優(yōu)化層。 本文針對第一層（PCS）淺談DCS（DistributedControlSystem，集散控制系統(tǒng)或分散控制系統(tǒng)）、FCS（Field-busControlSystem，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）的應(yīng)用和發(fā)展。 1.DCS的應(yīng)用和發(fā)展 DCS自20世紀(jì)70年代問世以來，經(jīng)過幾代技術(shù)變遷和更新發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，其中石油和化工企業(yè)的應(yīng)用更為普及，技術(shù)改造項目用DCS，新建項目用DCS。在石油和化工企業(yè)有用DCS逐步替代常規(guī)儀表控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。 DCS應(yīng)用之所以如此普遍，究其原因它有以下一系列的特點和優(yōu)點： ①分散性：其含義是指分散控制、地域分散、設(shè)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(xiàn)。目的是為了使危險分散，進(jìn)而提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。 ②集中性：其含義是指集中監(jiān)視、操作和管理。用通信網(wǎng)絡(luò)把分散的設(shè)備構(gòu)成統(tǒng)一的整體，用分布式數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)全系統(tǒng)的信息集成，進(jìn)而達(dá)到信息共享。人們可以同時在多臺操作站上集中監(jiān)視、操作和管理。 ③自治性：其含義是指系統(tǒng)中的各臺設(shè)備均可獨立地工作?？刂普咀灾鞯剡M(jìn)行輸入、運算、控制和輸出，操作員站自主地實現(xiàn)監(jiān)視、操作和管理，工程師站可以在線或離線組態(tài)。 ④協(xié)調(diào)性：其含義是指系統(tǒng)中的各臺設(shè)備用通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫互連在一起，相互傳送信息，相互協(xié)調(diào)工作，以實現(xiàn)系統(tǒng)的總體功能。DCS的分散和集中、自治和協(xié)調(diào)不是互相對立，而是互相補充。 ⑤靈活性和擴(kuò)展性：硬件采用積木式結(jié)構(gòu)，可以靈活地配置成小、中、大各類系統(tǒng)，并可以根據(jù)企業(yè)的發(fā)展逐步擴(kuò)展系統(tǒng)。軟件采用模塊式結(jié)構(gòu)，提供輸入、輸出、運算和控制功能塊，可以靈活地組態(tài)構(gòu)成簡單、復(fù)雜各類控制系統(tǒng)，并可以根據(jù)生產(chǎn)工藝流程的改變，隨時修改控制方案。 ⑥可靠性和適應(yīng)性：分散性帶來系統(tǒng)的可靠性，并采用一系列冗余技術(shù)、熱拔插技術(shù)、故障診斷和故障屏蔽技術(shù)。采用高性能的元器件、先進(jìn)的制造工藝和抗干擾技術(shù)，使DCS能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。 ⑦先進(jìn)性和繼承性：硬件上采用先進(jìn)的計算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)和人機(jī)接口；軟件上采用先進(jìn)的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)管理和控制語言；控制算法上采用自適應(yīng)、預(yù)測、推理、優(yōu)化等先進(jìn)控制技術(shù)。DCS更新?lián)Q代比較快，繼承性體現(xiàn)在新、老系統(tǒng)互相兼容，可以給用戶帶來更好的利益。 DCS隨著計算機(jī)、控制、網(wǎng)絡(luò)通信、組態(tài)軟件、信息集成和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展而不斷更新和發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個方面： ①信息化：DCS已從單一的控制系統(tǒng)，發(fā)展為集控制和管理于一體的綜合信息系統(tǒng)。DCS提供了從生產(chǎn)現(xiàn)場到車間，再從工廠到公司，最后到企業(yè)集團(tuán)的整個信息通道，充分體現(xiàn)了信息的全面性、準(zhǔn)確性和實時性。 ②集成化：DCS已從單一封閉系統(tǒng)，發(fā)展為集成各類PLC、工業(yè)PC、數(shù)字化儀表和設(shè)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(tǒng)。 ③智能化：隨著人工智能、專家系統(tǒng)、自適應(yīng)、預(yù)測和推理等先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，DCS也適時地融合這些新技術(shù)，實現(xiàn)先進(jìn)的智能化控制功能。 ④開放式網(wǎng)絡(luò)：DCS已從單一封閉網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展為開放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和IE瀏覽器，可以訪問過程畫面、查詢數(shù)據(jù)、管理調(diào)度和指揮生產(chǎn)。開放式網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵是網(wǎng)絡(luò)安全，傳統(tǒng)DCS采用軟件防火墻，現(xiàn)代DCS不僅有軟件防火墻，而且有硬件防火墻，既保證網(wǎng)絡(luò)安全開放，又保證監(jiān)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(shù)。 ⑤容錯以太網(wǎng)（FTE）：傳統(tǒng)DCS用兩條獨立網(wǎng)絡(luò)（A，B）實現(xiàn)冗余，兩臺設(shè)備之間只有一條通信路徑，其本質(zhì)是單條網(wǎng)絡(luò)運行，故障時整條網(wǎng)絡(luò)切換（A到B或B到A），切換時間長，可靠性低。現(xiàn)代DCS用容錯以太網(wǎng)（FTE，F(xiàn)aultTolerantEthernet），如圖1所示。 圖1中交換機(jī)S1～S6互相連接，其中S1和S2為上層，S3～S6為下層，每臺設(shè)備（D1～D4）同時連接兩臺下層交換機(jī)，任意兩臺設(shè)備之間有4條通信路徑，其本質(zhì)是多條網(wǎng)絡(luò)運行。例如，設(shè)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(shù)，F(xiàn)TE設(shè)備節(jié)點之間網(wǎng)絡(luò)帶寬可達(dá)200Mbps，交換機(jī)之間可達(dá)1Gbps。 ⑥無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：支持手持移動無線操作站，將無線技術(shù)與控制技術(shù)融為一體，進(jìn)行現(xiàn)場操作監(jiān)控、故障處理和儀表校驗，實現(xiàn)操作與維護(hù)的無縫集成。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300采用此無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 ⑦數(shù)字視頻技術(shù)：通過攝像頭采集現(xiàn)場圖像信息，再通過圖像識別軟件，進(jìn)行圖像處理，發(fā)現(xiàn)異常圖像，立即發(fā)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(shù)字視頻技術(shù)與操作監(jiān)控軟件融為一體。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300采用此數(shù)字視頻技術(shù)。 ⑧先進(jìn)控制站：DCS的基礎(chǔ)是控制站，為了進(jìn)一步提高控制站的可靠性、穩(wěn)定性和安全性，增強控制站的功能，而采用了一系列先進(jìn)技術(shù)。例如，控制站采用無底板模塊結(jié)構(gòu)，獨立傾斜式垂直插拔，散熱效果好，接線維護(hù)方便；采用容錯以太網(wǎng)（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(xiàn)場總線接口；采用先進(jìn)的預(yù)估控制算法，魯棒性好，具有參數(shù)自整定功能。Honeywell公司的ExperionPKSR300控制站是上述先進(jìn)控制站的代表之一，如圖2所示。 FCS是一種新型的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，它既是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，也是現(xiàn)場自動化系統(tǒng)。它作為一種現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有開放式數(shù)字通信功能，可與各種通信網(wǎng)絡(luò)互連。它作為一種現(xiàn)場自動化系統(tǒng)，把安裝于生產(chǎn)現(xiàn)場的具有輸入、輸出、運算、控制和通信功能的各種現(xiàn)場儀表作為現(xiàn)場總線的節(jié)點，并直接在現(xiàn)場總線上構(gòu)成分散的控制回路。 FCS代表當(dāng)今控制技術(shù)和DCS的發(fā)展方向，并以進(jìn)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，筆者認(rèn)為，目前是FCS和DCS并存，F(xiàn)CS作為DCS框架下的重要分支應(yīng)用發(fā)展，略表以下個人之見： ①FCS的變革：不僅變革了傳統(tǒng)的單一功能的模擬儀表，將其改為綜合功能的數(shù)字儀表；而且變革了傳統(tǒng)DCS的控制站，將輸入、輸出、運算和控制功能分散分布到現(xiàn)場總線儀表中，在現(xiàn)場總線上構(gòu)成控制回路，形成了全數(shù)字的徹底的分散控制系統(tǒng)。 ②FCS的特點：具有系統(tǒng)的分散性、系統(tǒng)的開放性、產(chǎn)品的互操作性、環(huán)境的適應(yīng)性、維護(hù)的簡易性、系統(tǒng)的可靠性和使用的經(jīng)濟(jì)性這7個方面的特點或優(yōu)點。 有人對“使用的經(jīng)濟(jì)性”有異議，這是正常的暫時現(xiàn)象，其原因是FCS尚未進(jìn)入大批量應(yīng)用階段，現(xiàn)場總線儀表及輔助設(shè)備價格偏高。隨著FCS的推廣應(yīng)用，技術(shù)進(jìn)步，市場競爭，優(yōu)勝劣汰，F(xiàn)CS的經(jīng)濟(jì)性將會顯現(xiàn)。回想當(dāng)年，DCS也是如此，現(xiàn)在人們已完全接收了DCS。 ③FCS的應(yīng)用：典型工業(yè)應(yīng)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(tǒng)，控制站除常規(guī)I/O模塊外，配置了FF-H1現(xiàn)場總線模塊，每個模塊的2個接口分別構(gòu)成2段FF-H1總線，每段FF-H1總線設(shè)計9臺儀表（實用6臺，備用3臺）。 該工程實用FF-H1現(xiàn)場總線段2473條，F(xiàn)F-H1現(xiàn)場總線儀表14375臺，平均每個FF-H1現(xiàn)場總線段上掛5.8臺儀表。FF-H1現(xiàn)場總線段上集成了不同廠家的現(xiàn)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(dá)液位計和流量計，ABB的閥門定位器，ROTORK的電動馬達(dá)控制器，TYCO的電動馬達(dá)控制器等，保證了多種產(chǎn)品的一致性和互操作性。 ④FCS的集成：小型工程項目中FCS自成系統(tǒng)，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(xiàn)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(tǒng)，如圖3所示；另一種是FF-H1現(xiàn)場總線模塊獨立，例如Honeywell公司的ExperionPKSR300系統(tǒng)，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(jī)站（CS）為DCS操作監(jiān)控層設(shè)備，控制站中有冗余電源（P）、控制器（C）、現(xiàn)場總線接口（H1）以及各類I/O模塊。 ⑤FCS的發(fā)展：FF-H1現(xiàn)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(xiàn)場總線，既有中速也有高速現(xiàn)場總線，而且工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）也已進(jìn)入實用階段，正在從高層向底層延伸，有望實現(xiàn)“E（Ethernet）網(wǎng)到底”。FCS代表技術(shù)發(fā)展方向，在應(yīng)用中不斷改進(jìn)，揚長避短，必將出現(xiàn)更加完美的FCS。 3.先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用 根據(jù)“十一五”時期信息化發(fā)展規(guī)劃，先進(jìn)控制技術(shù)在流程工業(yè)的應(yīng)用普及率達(dá)70%以上。 DCS和FCS為先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用提供了條件，先進(jìn)控制軟件作為DCS的可選件集成于系統(tǒng)之中。常用的先進(jìn)控制技術(shù)主要有以下幾種： ①單回路整定技術(shù)：單回路PID控制始終占據(jù)過程控制的主導(dǎo)地位，但魯棒性能不理想，對大滯后和強干擾的過程表現(xiàn)出明顯的不足。為此，研發(fā)出單回路模型預(yù)測控制，自動調(diào)整控制參數(shù)，適用于大滯后和強干擾的過程。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300系統(tǒng)中的ProfitLoop單輸入單輸出（SISO）模型預(yù)估控制算法。 ②軟儀表技術(shù)：這是基于過程機(jī)理模型或統(tǒng)計模型，對產(chǎn)品主要參數(shù)進(jìn)行在線預(yù)估，并將預(yù)估參數(shù)參于在線控制產(chǎn)品質(zhì)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(yù)估控制技術(shù)：這是先進(jìn)控制的核心技術(shù)，首先辨識過程模型，再預(yù)估過程參數(shù)和被控量，并與所要求的目標(biāo)值比較，若有偏差，則計算出最優(yōu)控制量，從而實現(xiàn)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(yōu)化技術(shù)：這是基于過程機(jī)理模型和動態(tài)優(yōu)化技術(shù)，找出最優(yōu)操作點，再通過多變量控制器實現(xiàn)優(yōu)化操作。例如，Honeywell公司開發(fā)了基于ProfitOptimizer、ProfitBridge和機(jī)理模型的動態(tài)優(yōu)化軟件，應(yīng)用于乙烯和煉油裝置。 ⑤性能監(jiān)視和維護(hù)技術(shù)：先進(jìn)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(jìn)控制性能降低，經(jīng)濟(jì)效益也隨之下降。 為此，開發(fā)商推出了先進(jìn)控制性能監(jiān)視和維護(hù)工具軟件，來維護(hù)先進(jìn)控制的效益。例如，Honeywell公司開發(fā)出Scout軟件，AspenTechnology公司開發(fā)出AspenWatch軟件。 今后推動DCS、FCS、先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展寄希望于流程工業(yè)，尤其是石油和化工行業(yè)是領(lǐng)頭軍。在“信息化帶動工業(yè)化，工業(yè)化促進(jìn)信息化”國策的指引下，必將迎來DCS、FCS、先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展的春天。