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风雨半个世纪,不堪回首的DCS前世今生!

2019年05月08日 11:59:57来源:电力工程学作者:江左梅郎关键词:DCS控制系统
    一DCS的发展历程
    1975年前后,大规模集成电路由4位微处理器发展成8位,在形成单板机产品投入工业应用的同时,自动化仪表行业在原来采用中小规模集成电路而形成的直接数字控制器(DDC)的自控和计算机技术的基础上,结合阴极射线管(CRT)、数据通信技术,开发出了以集中显示操作、分散控制为特征的集散系统,后来逐渐统一称为分散型控制系统(DCS)。在以后的20多年中,DCS产品虽然在原理上并没有多少突破,但由于技术的进步、外界环境变化和需求的改变,设计思想发展了,共出现了3代DCS产品。1975年至80年代前期为第一代产品,80年代中期至90年代前期为第二代产品,90年代中期至21世纪初为第三代产品。3代产品的区别,可从DCS的三大部分,即控制站、操作站和通信网络的发展来判断。当然,由于产品生命周期是个复杂的问题,加之各DCS生产厂家情况不同、产品换型年代不同及划分产品年代(三四代)的观点也不同,所以这有待进一步商榷。关于控制站、操作站、通信网络的情况,留待下述几节论述。现先就应用和市场情况作一分析。
    70年代中期,过程工业发展很快,但由于设备大型化、工艺流程连续性要求高、要控制的工艺参数增多,而且条件苛刻,要求显示操作集中等,使已经普及的电动单元组合仪表不能完全满足要求,在此情况下,业内厂商经过市场调查,确定开发的DCS产品应以模拟量反馈控制为主,辅以开关量的顺序控制和模拟量开关量混合型的批量控制(针对精细化工等行业的批量生产方式),这们可以覆盖炼油、石化、化工、冶金、电力、轻工及市政工程等大部分行业。由于当时计算机并不普及,人们已习惯于常规自动化仪表的显示操作,所以开发DCS应强调用户可以不懂计算机就能使用DCS;同时,用户已习惯于在购置系统的同时配置自动化仪表,所以开发DCS还应强调向用户提供整个系统。此外,开发的DCS应做到与中控室的常规仪表具有相同的技术条件,以保证可靠性、安全性。由此可见,当时DCS是与常规仪表中的二次仪表(控制室仪表)共同分享市场份额的。DCS先与成套设备配套,而后逐步扩大到工艺装置改造上,与此同时,也分成大型DCS和中小型DCS两类产品,使其性能价格比更具有竞争力。目前,世界上有数十家生产DCS的厂家,据ARC(AutomationResearchCorporation)1996年统计,下述排名前10家的公司占到80%以上的市场份额:Honeywell(21.6%)、ElsagBailay(12.6%,包括H&B公司)、ABB(9.7%)、Yokogawa(9.6%)、Foxboro-Eckardt(9.3%)、Fisher-Rosemount(6.0%)、YamatakeHoneywell(4.6%)、Siemens(4.0%)、Cegelec/AEGAutomationsystem(ATT)(3.2%)、Westinghouse(3.1%)。
    ARC把世界市场分成四大区,即北美、EMA(欧洲、中东、非洲)、日本、亚洲(日本以外),其中亚洲(日本以外)的市场份额为:Honeywell(27.4%)、Yokogawa(12.6%)、Foxboro-Eckardt(11.4%)、ABB(8.1%)、ElsagBailay(6.4%)、Cegelec/ATT(5.5%)、Fisher-Rosemount(4.8%)、YamatakeHoneywell(4.2%)、其他公司19.6%。世界市场的DCS分析如表所示。

    ARC还对1997~2000年的市场进行了统计,如图1所示(其中,一套小型DCS为10万美元,30回路以下;一套中型DCS为50万美元,150回路以下)。1996年整个DCS世界市场为70.08亿美元,而2000年为96.37亿美元;按地区分,北美占29%,EMA占31%,日本占14.5%,拉丁美洲占4%,亚洲(日本以外)占21.5%。1996年亚洲市场为11.388亿美元,2000年为20.67亿美元。其中小型DCS市场,1996年为0.64亿美元,2000年为3.18亿美元;中型DCS市场,1996年为2.94亿美元,2000年为6.17亿美元。由上可知,亚洲DCS市场的增长是较快的,2000年约为1996年的1.8倍以上。

    关于DCS应用行业的分布,以日本国内CENTUM系统应用实践为例(如图2所示):化工(含石油化工)占50.74%,石油和天然气占15.73%,钢铁占7.72%,水处理(自来水厂等)占4.81%,有色金属占4.24%,纸浆和造纸占8.25%,其他占8.4%。当然这个比例与日本国情有关,如其中未计入电力。一方面是横河公司虽然在锅炉控制方面的应用实例很多,但总体而言,其产品并未进入火力发电行业。实际上日本电力行业应用DCS是比较多的,日本东芝、富士、三菱、日立等公司火力发电设备均由本公司产的DCS配套;日本贝利公司的DCS,在日本电力市场中占有率也较高。
    日本是比较重视DCS发展的国家,横河公司在推出CS1000和CS3000之前,共生产1万多套DCS,其中CENTUM约为4000套,其余为uXl和YEWPACK、YEWPACKMARKII中、小型DCS,仅uXl就向中国销售2000多套。正是由于DCS产品的发展,带动了整个日本自动化仪表行业的发展,日本内需与出口之比约为3:1(大型DCS)或3:2(中小型DCS)。
    我国从70年代中后期起,首先由大型进口设备成套中引入国外的DCS,首批有化纤、乙烯、化肥等进口项目。同时国内开始自己研制和设计选用国外的DCS,经过20多年的努力,国内已有多家生产DCS的厂家,其产品应用于大中小各类过程工业企业,其中和利时、浙大中控、上海新华3家已具有相当规模。目前国外DCS产品在国内市场中占有率还较高,其中以采用Honeywell、横河两公司产品为多。国内应用DCS的行业以炼油、石化、化纤为多,已使用了700多套DCS,其他还有化工、冶金、电力、轻工等行业。我国石化行业应用水平较高,自动投运率在90%以上,维护水平也较高,目前正向充分发挥DCS性能和开展先进控制和优化的方向发展。我国DCS的市场增长率高,年增长率约为20%,据有关部门估计,DCS的年市场需求为30~35亿元,由于DCS在石化行业大型自控装置中近5年内没有可替代产品,所以今后几年其市场增长率不会下降。据估计,到2005年,我国石化行业有1000多套装置需要应用DCS控制;电力系统每年新装1000多万千瓦发电机组,需要DCS实现监控;并且不少企业已使用DCS近15~20年,需要改造和设备更新。所以,今后5年内,DCS作为自动化仪表行业主要产品的地位不容置疑,但必须进一步改善其功能,并兼容各种新技术,降低价格,提高应用水平。
    二DCS控制站
    DCS系统中,控制站继承了DDC技术,它是一个完整的计算机,实际运行中可以在不与操作站及网络相连的情况下,完成过程控制策略,保证生产装置正常运行。从计算机系统结构来说,控制站属于过程控制专用计算机,其特点是第一代采用8位微处理器,第二代采用16位微处理器,第三代采用32位微处理器,这对于中小型DCS控制器来说比较确切。大型DCS控制站对中央处理器要求较高,必须为专用的处理器,准16位和准32位运算方式;第二代DCS控制站采用精减指令系统(ReducedInstructionSetComputer,RISC);第三代DCS控制站采用多CPU分别用于控制运算、冗余切换、通信等操作。
    控制站作为一个完整的计算机,它的主要I/O设备为现场的输入、输出处理设备,以及过程输入/输出(PI/O),包括信号变换与信号调理,A/D、D/A转换。它在第二代和第三代产品中已陆续采用了嵌入式技术,并采用单片机等完成量程调整、远程I/O数据传输、小型化、减少PI/O卡硬件规格等功能,直至连接智能化的现场变送器或接受采用现场总线技术的数字信号。在信号变换过程中采用隔离技术以防止来自现场的干扰信号,这是至关重要的;与现场连接的端子及输入、输出信号的物理位置的方便确认也是用户非常关心的。这些在DCS控制站的更新换代中,都有很大改进。在这方面,原来生产自动化仪表的厂家表现尤佳,所以说DCS是继承了自动化仪表技术的计算机系统。
    关于DCS控制站的系统软件,原则上也有实时操作系统、编程语言及编译系统、数据库系统、自诊断系统等,只是完善程度不同而已。第一代DCS控制站的功能更近似于多回路调节器,而且每个控制站都可以配置人机界面和备用操作器;第二代DCS控制站的实时操作系统及程序编译系统比较完整,编程语言有面向过程语言和高级语言,控制策略的组态由操作站或工作站在与控制站联机的情况下,完成编译和下装;第三代DCS控制站的系统软件齐全,操作站或工程师站可以完成离线组态及在线修改控制策略。
    为了完成控制策略,实现对应功能模块及模块之间连接的功能,可构成反馈控制回路,这在3代DCS控制站中变化不大,而且是不断积累完善的过程,如PID算法等典型的数值计算就是如此。目前典型的功能模块有50多种,这是DCS厂家的专有技术。对于顺序控制和批量控制组态编程,各种DCS控制站采用不同的方法,直到近年来才向IEC61131-3编程语言标准靠拢。
    DCS系统的数据主要来自现场的信号和各种变量,在控制站中表现为与工位号对应的相关测量值(PV)、设定值(SV)、操作输出值(MV)及回路状态等。这些数据被采集到DCS控制站相应的存储器里,构成实时数据。其他属于与工位号有关的组态信息,如量程、工程单位、回路连接信息、顺序控制信息等,也在控制站中存储,但同时必须在操作站或工程师站中存储,而且有映像关系。至于历史数据存储,一般不是在DCS控制站完成。
    在完善DDC直接数字控制技术中,对A/D、D/A转换及控制算法,分别引入扫描周期和控制周期概念,在第二代、第三代DCS控制站中,扫描周期可以比缺省值的1s更短,如可以选用0.2~0.5s,以满足少数快速反应的控制对象的要求。
    对于第一代、第二代DCS控制站,为了完成回路控制以外的顺序控制、批量控制及数据采集,分别开发了不同型号、规格的控制站产品;而第三代控制站因为其功能很强大,对开关量和模拟量处理能力很强,所以一般不做区分。大型DCS的一台控制站可以完成上百个回路的控制,其容错技术完善,可靠性、安全性强,所以“分散控制以消除危险”的初衷已很难体现。当然,对于一个有多套工艺装置和一个中控室的工厂,每套装置就近安装一台控制站的大系统来说,这也是一种分散型控制,只是对控制站的可靠性要求更高了。
    中小型DCS控制站,以控制16~32回路为限,分散性较易为人们所接受。目前小型DCS所占有的市场,已逐步与PLC、IPC、FCS共享,今后小型DCS可能首先与这3种系统融合,而且“软DCS”技术将首先在小型DCS中得到发展。
    控制站是整个DCS的基础,它的可靠性和安全性最为重要,死机和控制失灵的现象是绝对不允许的,而且冗余、掉电保护、抗干扰、构成防爆系统等方面都应很有效而可靠,才能满足用户要求。多年的实践经验证明,绝大多数厂家的DCS控制站是能够胜任用户要求的。
    三DCS操作站
    DCS操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高级语言功能等,其中工程师功能中包括系统组态、系统维护、系统通用(Utility)功能。
    实际的DCS操作站是典型的计算机,它与控制站不同,有着丰富的外围设备和人机界面。70年代中期,CRT显示器技术已成熟,以外部存储器温氏硬盘为特征,第二代DCS操作站还具有如下特点:操作站和工程师站(或称工作站)分开,也有公司将操作站的历史数据存储用硬盘(历史模件)和高级语言应用站(应用模件)分别独立挂在通信网络上;操作系统除采用DOS系统以外,有的产品采用Unix等操作系统;实时数据库储存性能逐渐完善;在人机界面方面,逐渐过渡为以GUI图形用户界面为平台并采用鼠标,组态时制作流程图和控制回路图等采用菜单、窗口、CAD技术等,使人机界面友好。第三代DCS操作站是在个人计算机(PC)及Windows操作系统普及和通用监控图形软件已商品化的基础上诞生的,面对用户要求的DCS系统应具有开放性、便于系统集成和操作、与Windows一致等。目前大多数DCS操作站已采用高档PC机或工控机,WindowsNT(或Windows98)操作系统,客户机/服务器(C/S)结构,DDE(动态数据交换)或OPC(用于过程控制对象链接嵌入)接口技术,以太网接口与管理网络相连。在采用通用监控图形软件(如iFIX、Intouch等)这一点上,各DCS厂家做法不一,有的以此为平台,形成“软DCS”操作站,这多用于中小型DCS,或以此类软件为核心,进行二次开发;大多数DCS厂家对原来的组态软件进行改造,使之符合上述特点,满足系统开放要求。操作站要实现其多项功能,必须完成数据组织和存储两方面任务,如与工位号相关的一些数据,在操作站中要对由控制站某端与现场仪表相连的、由物理位置而决定的工位规定工位号(即特征号或标签Tag)和工位说明(可以用汉字),使之与工艺对象一致,以保证工艺操作人员的操作。工位号可以在整个DCS系统中通用。其他还有系统配置、操作标记、趋势记录、历史数据管理、总貌画面组态、控制站组态、工艺单元或区域组态等,这些均组织成文件,最终形成数据库,存储在硬盘的相应区域,使数据具有独立性和共享性,保证数据的完整性和安全性。
    DCS系统组态、操作站组态、控制站组态均有相应软件,为DCS用户的工程设计人员提供人机界面。在工程设计中,第一代、第二代DCS均采用先让DCS用户的工程设计人员填写工作单或绘制组态图(或称SAMA图),再在操作站或工程师站上键入生成,形成应用软件,同时拷贝出软盘的方式。在第三代DCS中,逐步向无纸化和在PC机上完成工程设计的方式过渡。
    操作员的操作主要依靠流程图画面和标准的总貌画面、分组画面等,采用标准键盘、鼠标和操作员专用键盘,这是DCS的特点,要经过专门培训才能被工艺操作人员接受。在多屏幕的情况下,操作的最后有效原则、各屏幕画面等同化显示及按工位号调用或按专用键调出画面的速度或画面定时刷新问题,报警按时序显示记录问题,都陆续得到解决。操作站死机现象时有发生,当然这与DCS制造工艺、用户使用操作等都有关系,但从操作站的操作系统上解决问题才是彻底的方法。目前,这个问题已经不严重,但要彻底解决,还有待时日。
    四数据通信及网络
    在DCS系统诞生时,主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作站之间的数据通信问题;第二代DCS则解决多个装置的DCS互联问题;第三代DCS则解决一个工厂的多个车间互联及与全厂计算机管理网络互联的问题,这是总的设计思想。
    在实际应用中,如石化行业,DCS一直多用在一个生产装置范围内的多机通信系统中,而且控制站和操作站均集中放置在控制室内。电力行业、冶金行业、自来水行业则将控制站分散放在楼上、楼下、生产线上或分散的地域处,与集中放置操作站的控制室总距离一般也多在1km以内。由于计算机网络系统技术的发展,全厂各生产车间用DCS的通信总线相连的实例较少,所以在第三代DCS中DCS通信功能的发展是与全厂管理网络(以太网)技术相融合,逐渐实现通信网络由多重结构向扁平化过渡,所以,第三代DCS的通信系统特点是具有开放性。
    DCS系统的规模与通信能力有关系,但是用这作为划分第一、二代DCS的方法还不妥,应该说第一、二代DCS的信道和传输速率有变化,即第一代DCS采用双绞线信道或同轴电缆,速率在1Mb/s以下,第二代DCS采用同轴电缆或光纤,通信速率为1~10Mb/s。也有人认为,第一代DCS通信为数据高速公路,第二代DCS通信为局域网。有些DCS厂家还把DCS系统构成多种总线互联的结构,如Honeywell公司把70年代的DHW(DataHighWay)总线经HG与LCN相连,UCN总线经NIM与LCN相连,近来又将LCN改造成TPN(TPS过程网络),这样同时解决了70、80、90年代产品的互联问题,既保证了系统的扩展性,又保护了用户的初期投资。
    至此,已经看出DCS通信问题的复杂性,在70年代中期,数字通信已开始普及,但仅限于电信行业,工业用户迫切要求成套地提供DCS系统,而当时只有一些大的计算机厂家提出数据传输规程(协议),并无统一的数据通信标准,所以各DCS厂家都以专利形式发表(或购买)DCS通信技术。因为数据通信标准牵涉到网络结构、通信介质(信道)、通信协议、不同用户行业的行规等方面,所以直至目前也没有工业(或过程工业)网络的完整的统一标准。当然到目前为止,IEEE802.4令牌总线传输方式和IEEE802.5令牌环网传输方式的通信协议在DCS系统中应用最广;国际标准化组织(ISO)提出的开放系统互联(OSI)参考模型即ISO/OSI7层模型,规定了通信过程分段和网络功能分层,这是我们讨论DCS通信标准化或开放性的共同语言,仅此而已!这使人们想起了近来通过的IEC61158标准中包括了8种类型现场总线的现实,再想想现在第三代DCS通信均有向以太网开放的趋势,所以也不必为DCS通信所走过的道路而婉惜了。
    说到开放性,它的基本特征是开放系统应具有可移植性、互操作性、广泛性和可得可用性,拿这个特征来衡量以太网及它形成的Internet和Intranet,可以说它基本具有开放性。所以目前DCS应该在与其互联上下功夫,使之在系统集成的大环境下,摘掉DCS“孤岛”的帽子。
    在DCS中采用数字通信技术,还有在控制站内采用站内通信总线及远程I/O总线,以及在第三代DCS的控制站内增加了连接PLC、分析仪和现场智能仪表的接口卡,使DCS与现场仪表之间的接线减少,并对现场仪表进行设备管理,这为DCS向下兼容并与现场总线通信技术融合打下基础。
    五今后发展的几个问题
    到目前为止,对于DCS所存在的问题,有3个方面的意见是一致的,即系统开放性问题,与现场传感器、变送器、执行器的接线问题,价格较贵问题。这些问题在第三代DCS中已开始得到解决。在21世纪,新一代的DCS应满足用户这方面的需求。
    关于开放性,除去通信问题以外,操作系统、数据库、人机界面、控制策略的组态等方面,都有开放性问题,所以随着技术进步,DCS的开放性会逐渐加强,而且还应发挥其特色,使分散型计算机控制系统,从传统DCS中解放出来。当务之急是要使DCS与CIPS系统的调度层、管理层、决策层(辅助决策层)进行无缝连接,将DCS的相关信息上传,使其实时数据库、历史数据库为上述3层所共用,避免重复建库,为先进控制和优化建好平台,与上层的关系数据库共享数据,真正实现管控一体化。
    关于现场接线,这是一个更为复杂的问题。首先现场总线标准正处于完善的过程;其次智能式现场变送器、执行器还不普遍;关于防爆技术与现场总线技术相结合,如何走向实用,还有待努力,如目前在本质安全防爆技术中,热电偶、热电阻及相关补偿导线等,经齐纳式安全栅与DCS控制站或控制站的远程I/O站相连,优于两线制温度变送器或现场总线温度变送器;另外,彻底分散的控制策略,在现场总线控制系统(FCS)技术中已作为主要选择,将会使与DCS控制站的相对集中的控制策略的互相融合产生困难,而有些行业,如石化行业的生产装置比较集中,现场检测元件分布比较集中,对彻底分散控制要求则不强烈等。
    总之,DCS如何解决现场接线繁杂、DCS控制站控制比较集中、FCS与DCS控制站的相互关系、智能控制、先进控制与优化如何在DCS、FCS中实现等问题,都有待在技术创新和实践中逐步统筹解决。
    关于价格,当然应从性能价格比、产品生命周期及用户根据实际生产装置的自控要求对DCS进行选型、工程费用、维修费用等方面综合考虑。更重要的是目前PLC系统、工控机系统(IPC)的价格都是以廉价著称,所以DCS厂商在这方面面临的形势很严峻,今后5年虽然DCS可以生存,但应在降低成本、减少维修费用、发展远程诊断和维护及完善服务体系等方面多下功夫,应对以直销为主的方式进行修正,即让更多的同行能参加到DCS应用的行列中来。
    DCS在我国的应用情况基本上是好的,能保证过程工业的稳定生产。但应用水平不高,大多数用户对DCS的应用,停留在取代常规控制的水平上,统计表明,实际应用中DCS的功能仅发挥30%以下。要做到DCS“物有所值”,应在如下几方面努力,即在开车后日常使用中逐步改进控制方案、完善人机界面、为工艺人员提供分析用的历史数据、加强DCS机器的日常维护和大修点检、清扫等,切实做到减员增效;在DCS系统已完成的自动化基础之上,进一步开发先进控制和优化技术,以发挥更大效益(注:在DCS基础上实现先进控制,只需增加10%的成本,就可得到40%的效益;在先进控制的基础上,增加实时优化,成本只需增加10%,就可进一步获得40%的效益)。
    在DCS应用行业分布上,钢铁厂由于工艺对象种类多、各工序工艺技术差别大及“三电”一体化要求迫切,自来水厂及污水处理厂由于工艺对象物理位置分散、机电设备多、模拟量控制回路少,所以近年来DCS在这些行业中的市场占有率下降,目前PLC已成为其主要选型对象,当然PLC的价格低也是原因之一。如对DCS产品进行改造,是可以保持其在这些行业中的地位,如西屋公司的WDPFOvation系统。现在已经不是“制造厂造出什么DCS,用户就用什么”的时代了,买方市场已经到来。
    从目前产品生命周期集成技术出发,应对TQSCE(产品开发周期、质量、成本、服务、环境)进行全面考虑,对DCS、PLC、IPC以及CIPS系统进行综合分析,对过程工业、制造工业、智能建筑、城市设施、交通运输、商业物流等各行各业不同层次的自动化的需求进行综合分析,对信息产业发展的经验进行借鉴,作出有效的思考和行动,使DCS技术能够得到继承和发扬,使自动化行业能健康有序地发展,创造出新一代的DCS,为人类造福。
    写到这里意犹未尽。DCS经历了25年历程,在20世纪80年代有两件事值得一提。某国的Y公司曾兼并了H公司,Y公司的领导说不是看重H公司的产品,而是看重了H公司的技术力量;又有一个跨国公司,有一段时间,由于其DCS处于整顿阶段,不得不从另一国家抽调一批技术人员(属其子公司)去参加攻关,经历数年,该公司的DCS产品又得到了发展。
    这两例说明,技术队伍对开发DCS是多么的重要。若把开发DCS作为系统工程,确切地说其中有软件工程,我们应开发有自主知识产权的DCS系统软件。我国DCS产业已初具规模,应该从长计议,关键是形成一支专业化的、有创新能力的、适应市场经济的队伍,使我国DCS制造业进一步健康成长。
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