FCS控制系统在化工自动控制中的应用
摘要
随着化学工业日益朝着集成化、大型化方向发展,化工生产自动化控制的技术水平也越来越高,传统的控制方式已不能完全满足生产要求,较为先进的控制系统———FCS控制系统正逐步进入化工自动化领域。针对化工系统的特点,就FCS系统在化工自动控制的应用现状和发展作了综述。
化学工业是国民经济的支柱产业,具有资金密集、能源密集、技术密集的特点。同时,化学工业工艺复杂、经常处于高温、高压的恶劣工作环境中,原料多为易燃、易爆、有毒物品,可靠有效的控制与保护措施就是保证安全生产和优质高产的重要手段。
FCS(FieldbusControlSystem)是现场总线控制系统的国际通用缩写,它是20世纪90年代兴起的新一代工业控制技术,将当今网络通信与管理的概念引入工业控制领域。FCS是伴随着现场总线技术的发展而壮大起来的,所谓现场总线,国际电工委员会(InternationalElectrotechnicalCommission,IEC)制定的IEC61158标准定义为“现场总线是联接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。”FCS正是基于目前已较为稳定成熟的现场总线技术,体现了“信息集中,控制分散”的现代控制思想的自动控制系统。
我国化工企业自动控制水平现状：当前我国化工行业的自动控制现状总体较为落后,改革开放后经过20余年的发展,部分大型企业达到了20世纪90年代初国际水平,具体应用状况表现如下:
1．现场仪表应用
常规仪表是化工自动控制的重要检测工具,通用性很强,广泛用于化工企业的流量、压力、液位、温度等工艺参数检测和控制。目前整个工业仪表发展的明显趋势是电动电子仪表逐步取代气动仪表,成为生产主要检测控制工具。气动仪表由于具有安全可靠、防爆、维护方便、价格便宜等优点,化工企业一些恶劣环境和小型化工企业仍在使用气动仪表,如小型化肥厂使用气动仪表约占仪表使用量的32198%。分析仪表是检测化工生产中化学成份不可缺少的工具,特别是随着环境保护、提高产品质量和节约能源的要求,分析仪表的作用越来越明显。80年代以来,在线工业流程分析仪表较多地得到应用,把成份信号引入调节系统和计算机系统。合成氨和氨加工生产中,采用气相色谱仪等分析器分析原料气、转化气、合成气的组份含量达到控制氢氮比、水碳比、氨碳比,维护设定值在最佳值;石油化工生产中,采用色谱仪分析裂解炉出口裂解气、乙烯、丙烯等组份含量;其它化工厂中的聚氯乙烯、氯碱、农药生产中,分析器都被作为有效成份检测工具;工业锅炉、煤加热器等设备的燃烧控制,精馏过程中的产品组份分析都用了不少分析器。目前化工系统所用的各种型号的分析器较多,据不完全统计,化工企业所用的工业流程分析器达30多种。
2．中央控制器配备
目前我国大部分化工企业装备了基于PLC(可编程控制器)系统或DCS(集散控制系统)的自动控制系统,但部分企业特别是一些小型化工厂还停留在通过继电器动作进行简单控制的原始阶段。PLC用于程序控制、顺序控制和连续生产过程控制,具有使用方便、可靠性较高、维护费用相对较低的优点。其主要特点是利用计算机的逻辑运算代替传统继电器的逻辑运算,但其缺点是模拟量功能相对较弱,在化工企业的生产过程大量的模拟量信号处理中必须依靠复杂的编程来实现。稍后推出的DCS在运算放大器的基础上用计算机的模拟运算代替原来的模拟运算,在控制多个模拟量回路时很有优势,并且DCS开发的冗余功能被广泛采用,成为许多控制方式的借鉴点。但其缺点是安装和维护费用较高,逻辑运算速度较慢,传输距离有较大限制,最大的问题是由于系统的不开放性,不同厂家的产品不能互换,限制了用户的选择范围。据2000年的不完全统计,目前我国应用PLC控制造气生产的小化肥厂已达78143%;应用DCS控制生产的中型化肥厂已占65138%,应用PLC的占2811%。氯碱系统使用PLC占17197%,使用DCS比例为23103%。
3．化工行业特点和控制要求
3.1 行业特点
3.1.1 资源依赖性强
化工行业所依赖的资源主要是矿产、水和石油。这三种资源在我国都非常缺乏,开采和利用方式粗放、综合利用水平低、浪费严重,所以节约资源已成为首要解决的问题。
3.1.2 技术依赖性较强
准确选择化工发展领域和把握技术未来的发展趋势对化工企业而言至关重要,但目前我国化工企业的新产品、新技术严重不足,技术问题是影响其发展的最大瓶颈。
3.1.3 连续型大规模生产
化工企业采用的是典型的连续型大规模生产模式,原料在产品成本中占有很大的比重,车间自动化程度相对较高,对反应装置、仪表、设备状况要求很高,在不进行项目技术改造的前提下,生产过程中节约能耗难有大的突破。由于生产的周期相对较长,产品的价格受原料价格波动的影响较大。
3.1.4 生产流程特殊化
化工行业通过能源、设备和其他资源来混合或分离、萃取、化合各种成分,并引起化学反应,所以每个工序上都可能要求输入某些新的成分或资源(原材料、催化、人工、机器设备、能源等),并生产多项产出物。
3.1.5 设备专业化
化工行业存储设备多为罐、箱、柜、桶等,且多数存储的数量可以传感器进行计量。生产设备是一条固定的生产线,维护特别重要,不能发生故障,一发生故障,就全线停产,损失严重。当供需变化时,只能靠调整工艺流程参数维持生产,不能中断。
3.2 控制要求
通过对化工行业特点的分析,不难看出在化工生产过程控制中,主要面临的问题有:
(1)在连续性的长流程生产过程中,有大量的开关量和模拟量信号需要调节和控制,并且处于较为分散的相对环境中,各工序的工作环境有较大差别,具有很高的分布性特点;
(2)在化工生产中,发生的反应瞬息万变,要求相应的控制系统动作迅速,特别是保护的实效性较强;
(3)控制系统多为多输入、多输出的多变量系统,各个变量之间具有较强的耦合作用,且存在部分大惯性、大延时的场合,增加PID控制的难度;
(4)在控制过程中,除了众多的输入信号,大量扰动的存在很容易降低控制精度。
鉴于这些特点,如何选择一种适合化工生产过程的控制系统,将先进的控制思想与化工生产的实际特点相结合就是实现化工生产自动化的关键所在。
4．FCS的特点
4.1 FCS的总体设计思想
按照现代工业学设计分层理论,当前自动控制系统设计共分三层: 第一层“现场仪表及执行器”:包括处于生产现场的各种液位、压力、温度、流量传感器、变送器等分析仪表和常规仪表,接收中央控制器输出信号的各类现场执行器和调节器。
第二层“基础控制层”:现场控制柜直接控制各生产设备,对上接收上位机指令,对下采集数据,系统单元之间相互联系,在联机状态下通过工控机进行监控及操作。
