石油化工自動化中FCS控制系統應用分析

張海濤 戚新華

新地能源工程技術有限公司 河北 廊坊 065000

石油化工行業是維持我國經濟發展的重要支柱產業，凸顯出技術完善、能源充足和經濟性強等特點?，F場總線控制系統（FCS）在化工領域中積極運用現代化網絡管理及通信理念，并在根本上提升石油化工自動化生產效率與質量。

1 FCS 基本概述

FCS為現場總線控制系統，是一項建立于可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統（DCS）功能特性之上的新型技術，其在根本上可以完成由控制室至現場設備的串行數字通信連接，FCS中的“現場”通常指的是現場設備裝置，該系統凸顯出良好的兼容性、開放性及環境適應能力，在石油化工自動化領域中展現出其他技術無法比擬的優勢特點，可以在一定程度上提升石油化工自動化項目的整體質量與效率。除此之外，FCS在實際運行和安裝規劃環節中消耗的成本較低，維護工作便捷易上手，展現出一定的實用性。然而FCS在實踐應用期間，往往會受到一些外界因素限制和約束，主要體現在硬件、軟件等方面的開發水準還有待提升，致使FCS應用功能還不夠完善，存在較大的進步空間，但仍然具有廣闊的發展前景。

2 FCS 的應用優勢

2.1 環境適應力強

在石油化工自動化領域當中，生產現場內部的通信協議往往采用FCS現場總線協議，FCS現場總線所采用的介質通常涵蓋光線、同軸電纜和雙絞線等等，其凸顯出良好的抗干擾性，而且FCS所具備的數字化信號功能也可以在一定程度上規避信號衰減及信號傳輸問題。FCS在石油化工自動化領域中的實踐應用展現出高強度的環境適應能力，可以在根本上實現石油化工自動化效率、質量大幅度提升等基本目標，進一步提升石油化工企業單位的綜合生產效率，推動企業可持續發展進程。

2.2 運行維護簡單

FCS在實際運行環節中可以利用專業監控軟件對現場各項設備的運行狀態展開動態化監督及管理，促使相關人員可以在第一時間察覺出現場設備存在的風險問題及安全隱患，并及時將故障信息和診斷信息加以反饋，從根本上減少現場設備管理人員及維護人員的工作負擔，切實提高設備儀器的檢修質量及效率。

2.3 可靠性高

FCS在實踐應用階段中凸顯出分散性特點，相關人員可以借助現場設備的智能性實現各項目生產自動化控制。與此同時，FCS范圍內的現場儀器設備所組建而成的銜接網絡較為簡易，不存在繁雜性接線問題，現場設備的后續維護及維修工作也較為簡單。部分儀表設備在出現故障問題和隱患后也不會對其他設備運行狀態造成負面影響，這便是FCS良好分散性的應用價值，促使應用于石油化工自動化領域中的FCS展現出高度可靠性。

2.4 兼容性強

現如今，信息技術、計算機技術獲得了進一步發展與應用，對現代技術應用給予高度重視可以為各大產業領域的穩定發展提供更多有力保障與支持。然而FCS作為一項開放性極強的網絡而言，其在實踐應用期間的現場總線協議往往涉及到控制器局部網（CAN）和國際化現場總線標準（PROFIBUS）等等，差異化生產單位所提供的現場總線產品也可以完成設備信息互通等功能，在根本上突破傳統控制系統僅篩選相同廠家產品等約束問題，為產業部門選擇現場總線產品的渠道增添更多便捷性及多樣性幫助，利于企業進行資金成本的科學化配置，并在充分考慮自身發展現狀的前提條件下優先選擇成本低、經濟性強的現場總線產品，切實將FCS的資金投入降低至最小化。

3 FCS 在石油化工自動化應用中存在的問題

3.1 冗余問題

由于FCS儀表設備凸顯出自我調節和自主性診斷等功能特點，在發生運行故障問題或數據調節失靈情況時，自動化設備儀表往往會在第一時間展開自我診斷及報警反饋，及時切換至主機系統中進行一系列干預處理。然而當主機出現隱患問題期間，自動化儀表也可以積極利用自主干預等功能完成現場調節處理，進而將運行狀態不穩定等狀況有效規避，這也促使FCS對冗余需求相對較低，在實踐應用環節中也沒有對冗余問題實施相應的規范標準。從整體視角來看，眾多FCS用戶往往會對FCS應用成果產生一定顧慮和疑惑，比如重點關注生產項目的安全性等，所以在FCS投入使用期間重點強調冗余問題，雖然FCS充分滿足廣大用戶在冗余方面的需求，但是會在根本上增加FCS建設發展的成本消耗量，經濟性也會受到負面影響[1]。

3.2 應用價格高

現階段，FCS在各地區石油化工自動化領域中獲得了高度認可及廣泛運用，而且彰顯出一定的應用效果。與以往所采用的DCS系統加以比較可以看出，FCS的維護費用、安裝成本相對較低，日常維護及檢修操作便捷簡單，維護人員所承擔的工作量較少。但是FCS的硬件價格遠超出DCS，導致FCS整體應用價格不斷升高，針對部分小規?；蚪洕鷹l件不景氣的石油化工企業單位而言，長期運用FCS需要承受在經濟方面的巨大壓力，致使少數小規模石油化工企業無法實現系統及時更新，仍然采用傳統DCS系統。

4 石油化工自動化中FCS 的實踐應用

4.1 實時控制

一般情況下，FCS的各項操作行為往往會受到外界因素的影響與約束，比如時間要素等，在充分考慮周期性條件影響的基礎上，傳感驅動過程需要對FCS時間限制加以分析，并運用最壞情況下的運行周期、時間和截止日期等加以判定。FCS在時間因素約束下的運動控制需求應滿足以下功能需求：第一，可以在毫秒標準內開展動態運動學及動力學運算；第二，將參考值位于毫秒范圍內的采樣周期運輸至專業化網絡控制系統內部；第三，確保網絡控制系統的采樣速率體現為閉環系統帶寬的10倍左右。在精準定位FCS動態化控制需求后，需要重點考慮FCS在實際運行階段所受到的時間因素影響，在結合運動控制需求的前提條件下，時間限制通常會受到系統運用等負面影響，在FCS運行環節中，系統運作需要重點結合計算成果和形成成果的時間。從整體視角來看，FCS在實踐應用期間，當驅動或傳感過程超出截止期期限階段中，便會受到硬時限和軟時限兩種問題影響，原本的截止期也會發生各項變化，在軟截止期范圍內，原截止期運行狀況一旦出現中途斷開等問題，最終過程的結束價值也會迅速降低。因此，FCS的運行如果超出時間限制，便會對FCS應用效果造成不利影響，進而導致系統無法穩定安全運行[2]。

4.2 現場總線網絡控制系統

結合動態化運動控制內容可以看出，FCS往往涉及到映像能力、環境需求和資源結構等基本要素，其歸屬于一種高效實用性的循環系統。資源結構和映像能力可以結合實際情況為系統運行提供更多資源信息，資源結構通常指的是系統在運行狀態下產生的信息資源和原有通信能力，而映像能力指的是運用完善化的資源結構對項目規劃進行深層次分析與研究，在映像支持下對各項目加以實施。在根本上來說，FCS是一個可以實現動態化連續反饋的閉環系統。此系統在石油化工自動化領域中的應用可以結合理論公式有效解決規劃策略及資源分配等問題，FCS在投入使用期間要求滿足下述需求：其一，促使FCS工作站滿足各個控制回路的管理規范需求；其二，在實時操作系統（RTOS）的引導下滿足執行回路控制標準；其三，運用智能化、集成化措施方法強化現場總線控制系統智能模塊彼此間的有效銜接，進而協調開展回路管控工作的各項需求。

一般情況下，FCS涉及到有線傳輸和無線傳輸兩種傳輸類型。在此期間，無線傳輸主要指的是運用現代化信息技術和數據通信技術滿足數據資源在傳輸方面提出的各項需求，在此環節中，數據接收人員可以減免掌握數據來源等步驟，進而直接獲取真實、可靠、完整的數據內容。另外，連接傳輸方式包括通信兩端要求響應較慢信息后的數據傳輸等傳輸方式，由有線傳輸方式組建而成的鏈路活動可以在FCS系統運行階段中保障各個數據鏈路周期的統一協調性。通常情況下，在石油化工自動化鄰域當中，FCS投入使用需要結合具體規劃算法展開精準化運行，例如將FCS周期流程作為重要基礎，在某周期內控制過程僅僅實施一次，整體過程可以利用以下三元組加以代表：

Pi=｛Ci，Di，Ti｝

Vi∈[0，…，n]

在此期間，Ci＜Di＜Ti，Ci作為關鍵運行時間，Di是截止期限，Ti是運行周期，而Pi則表示總體周期范圍內出現問題的概率。一般情況下，可行性條件是檢驗FCS系統能否有效運用于石油化工生產項目中的關鍵參考依據，對FCS可行性條件展開全面審核檢驗，要求結合系統事件內容、應用系統通信最小帶寬間的截止期，其與可行性條件中重點強調執行階段中過程截止期凸顯出完全一致等特點，所以可以作為FCS系統可行性條件精準識別和判斷的關鍵要素。在檢驗此概率高低后，相關人員便可以針對FCS系統應用及通信系統構建的可行程度加以分析，并在結合石油化工企業具體發展趨勢的前提下對系統動態運行狀況提出控制需求[3]。

4.3 時間視圖

在充分考慮FCS在動態化運動控制需求的前提條件下，需要積極運用全局時鐘作為關鍵參考依據。在全局時鐘當中，各個節點均可以將某基點作為關鍵標準。然而在缺少全局時鐘期間，要求及時構建出全局時鐘方案和同步方法，促使FCS的各個節點均可以具備符合自身特點的物理時鐘。在此期間，基于FCS應用的分布式算法可以促使接收器利用硬件獲取信息數據中的時間節點內容，在運用現代化計算機技術科學驗證該方法環節中，可以看出擁有10節點的FCS時鐘同步可以低于10μs。然而因FCS系統中各個節點均涉及到與之匹配的物理時鐘，一旦FCS系統缺乏全局時鐘期間，便可以運用構建輪詢模型等措施方法，對各類時鐘運用的頻率加以探究和檢驗，保障FCS系統的最終運用成果。

4.4 基于FCS 和DCS 的混合控制系統

從整體視角來看，結合FCS所具備的優勢特點和問題，并在了解石油化工企業自動化生產項目的規范標準來看，要從根本上發揮FCS的優勢價值，相關人員需要將DCS與FCS展開深入結合，進一步發揮出兩項系統在輸入輸出、系統集成和網絡集成等多方面的價值效用，采用混合式控制系統等途徑手段，積極運用DCS有效彌補和填充FCS的漏洞問題及應用效果。與FCS展開對比不難看出，DCS在石油化工自動化生產領域中彰顯出廣泛性、高效性的應用，企業想在后續發展階段中實現高效自動化生產及可持續性發展，便可以從原有DCS系統設備功能的基礎上，通過對其加以管控實現FCS系統的功能升級與創新。與單一化運用FCS相比，推動DCS與FCS的深入結合凸顯出簡易化、便捷化特點，FCS中的設備節點所具備的自主性功能也可以實現進一步強化。兩項系統的集成發展，可以在根本上引導現場總線中的設備與其他設備有效銜接，此種創新型通信模式和理念可以在一定程度上滿足企業對生產現場的科學化管控，在混合式控制系統的實踐應用背景下，可以大幅度提升FCS的應用質量及效率[4]。

5 結束語

綜上所述，FCS在石油化工自動化領域中的應用仍然存在諸多不足之處，想要從根本上提升該系統的應用效果，最重要的是強化FCS與DCS的高度結合，以此來發揮出兩者差異化技術作用，全面彌補單一系統運用期間存在的隱患問題和漏洞弊端，進而為我國石油化工行業的可持續發展提供更多保障。