DCS的發(fā)展及其在石油化工中的應用
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20世紀70年代中期，大規模集成電路取得實(shí)破性的發(fā)展，8位微處理器普及，使自動(dòng)化儀表工業(yè)發(fā)生巨大的變化，其中原來(lái)正處在十字路口的集中式計算機控制系統，很快吸收了微處理器技術(shù)，誕生了微機集散系統，全稱(chēng)為微處理器的總體分散型控制系統(Total Distributed Control System with μp)，在1975年首先由美國Honeywell公司發(fā)表了TDC2000總體分散型控制系統，其特征是完成8個(gè)回路控制的基本控制器(BC)可以分散的設置，通過(guò)數據高速公路(DHW)的數據總線(xiàn)把多臺BC與CRT(陰極射線(xiàn)管)操作站連接在一起，形成各節點(diǎn)都有計算機的分布式計算機控制系統，與其同時(shí)，美國、日本、英國、法國、加拿大等國都開(kāi)發(fā)出相應的產(chǎn)品，相繼應用在以模擬量回路控制為主的系統中，應用行業(yè)遍及石油、化工、冶金、電力、輕工，建材、公用工程等各行業(yè)，這類(lèi)產(chǎn)品統稱(chēng)DCS( Distributed Control System)。
70年代，煉油和石油化工這些以石油原油和天燃氣為原料的流程工業(yè)發(fā)展非常迅猛，如我國那個(gè)時(shí)期就引進(jìn)了多套年產(chǎn)30萬(wàn)噸乙烯為首的整套裝置，其它還有大型化肥、化纖、塑料合成橡膠等裝置，所以DCS在市場(chǎng)細分中以滿(mǎn)足石油化工等流程工業(yè)為主，這是市場(chǎng)的需要。在這些行業(yè)中，溫度、壓力、流量、液位的檢測和控制占了絕大部分，所以這些模擬量的數據采集和控制成為DCS的首先應滿(mǎn)足的功能，而DCS的前身(集中計算機控制系統)，已有了成熟的DDC(直接數字控制)技術(shù)；此外石化工業(yè)中，在塔、釜、罐等大型工藝設備運轉中，少不了各種機電設備如風(fēng)機、泵類(lèi)及各種閥門(mén)的開(kāi)關(guān)量的檢測和控制，所以開(kāi)關(guān)量的順序控制也是很重要的，這是DCS應滿(mǎn)足的第二個(gè)功能；在石化工業(yè)中，反應罐等設備是間歇式工作的，即一批原料投入，經(jīng)過(guò)反應，形成產(chǎn)品，產(chǎn)出后，經(jīng)過(guò)間歇，再投第二批原料，這種批量控制是石化行業(yè)中不少產(chǎn)品的生產(chǎn)裝置的控制形式，這要求開(kāi)關(guān)量、模擬量結合進(jìn)行控制，現在也有稱(chēng)它為混合控制系統(Hybrid Control System)。當然，除此三項控制功能外，還有人機界面友好、安全可靠、易于安裝、容易使用、便于維護、便于擴展和升級換代等要求。另外在石油化工大型裝置和中、小型裝置要求對應DCS產(chǎn)品又有所細分，所以產(chǎn)生了大型DCS和中小型DCS產(chǎn)品，而且各DCS廠(chǎng)家在應用實(shí)績(jì)方面也產(chǎn)生了細分市場(chǎng)，如有些廠(chǎng)家的DCS產(chǎn)品用于鍋爐控制能力更強，有些廠(chǎng)家的DCS用于海上采油平臺業(yè)績(jì)更多等等。目前，世界上有數十家DCS廠(chǎng)家，據美國ARC(Automation Research Corporation)1996年統計，下述排名前10家公司占到80%以上的市場(chǎng)份額：Honeywell(21.6%)、Elsag Bailay(12.6%，包括HB公司)、ABB(9.7%)、Yokogawa(9.6%)、Foxboro-Eckardt(9.3%)、Fisher-Rosemount(6.0%) Yamatake Honeywell(4.6%)、Siemens(4.0%)、Cegelec/AEG Automatic System(ATT)(3.2%)、Westinghouse(3.1%)。在亞洲(日本以外)的市場(chǎng)份額為：Honeywell(27.4%)、Yokogawa(12.6%) 、Foxboro-Eckardt(1.4%)、ABB(8.1%)、Elsag Bailay(6.4%)、Cegelec/ATT(5.5%)、Fisher-Rosemount(4.8%)、Yamatak Honeywell(4.2%)、其它公司19.6%。ARC對1996-2004年的DCS市場(chǎng)分析指出：亞洲DCS市場(chǎng)增長(cháng)較快，1996年DCS整個(gè)世界市場(chǎng)為70.08億美元，2000年為96.37億美元，其中亞洲市場(chǎng)分別為11.388億美元和20.67億美元，即由亞洲占世界份額由16.25%增至21.45%，或稱(chēng)亞洲2000年比1996年DCS市場(chǎng)增長(cháng)了82%，即每年增長(cháng)20%。其中小型DCS(10萬(wàn)美元，30回路以下)增長(cháng)最快，其次為中型DCS(50萬(wàn)美元，150回路以下)，具體見(jiàn)附表，事實(shí)表明，21世紀開(kāi)放幾年亞洲形勢更好。
關(guān)于DCS應用行業(yè)的分布，以日本CENTVM系統應用實(shí)績(jì)?yōu)槔夯?含石油化工)占50.74%，石油和天燃氣占15.73%，鋼鐵占7.72%，水處理(自來(lái)水廠(chǎng)等)占4.81%，有色金屬占4.24%，紙槳和造紙占8.25%，其它占8.4%。當然這個(gè)比例與日本國情有關(guān)，如其中未計入電力行業(yè)應用DCS，這是因為橫河公司雖然在鍋爐控制方面應用實(shí)例很多，但多屬于石化等企業(yè)內工業(yè)鍋爐和自備電廠(chǎng)鍋爐，而未進(jìn)入火力發(fā)電廠(chǎng)、原子能發(fā)電廠(chǎng)等電力行業(yè)。而日本電力行業(yè)應用DCS是比較多的，日本東芝、富士、日立、三菱等公司火力發(fā)電設備均由本公司產(chǎn)的DCS配套，又日本貝利公司的DCS，在日本電力市場(chǎng)中占有率也較高。
我國在大型進(jìn)口設備成套中引入國外的DCS及石化等行業(yè)改造中設計采用國外DCS以外，經(jīng)過(guò)20多年的努力，國內已有多家生產(chǎn)DCS的廠(chǎng)家，其中和利時(shí)、浙江中控、上海新華3家已具有相當規模。國內石化行業(yè)已使用國內外出產(chǎn)的700多套DCS，應用水平也較高，自動(dòng)投運率在90%以上，目前正向充分發(fā)揮DCS功能和開(kāi)展先進(jìn)控制和優(yōu)化方向發(fā)展。據估計，由于DCS在石化行業(yè)大中型自控裝置中近5年內沒(méi)有可替代產(chǎn)品，到2005年，我國石化行業(yè)要有1000多套裝置需要應用DCS控制，而設備更新改造擴容也需要擴大原來(lái)DCS系統，至於日常維護、備品備件，那也是很可觀(guān)的，所以今后一段時(shí)間內，DCS在石化行業(yè)中的重要性是不容置疑的，但改善功能、兼容新技術(shù)、降低價(jià)格、提高應用水平、改善服務(wù)水平的任務(wù)也迫在眉睫的。
溫故而知新，讓我們順著(zhù)DCS的發(fā)展軌跡來(lái)了解DCS吧！
2、近30年來(lái)DCS的發(fā)展
近30年來(lái)，DCS產(chǎn)品雖然在基本原理和產(chǎn)品市場(chǎng)定位上沒(méi)有根本上的改變，但隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步、外界環(huán)境和市場(chǎng)需求的變化，設計思想也相應發(fā)展，如橫河公司為了生存，從1975年發(fā)表的CENTVM系統至現在的CENTVM CS 3000R3，已經(jīng)有16代了，其它公司也是如此。從宏觀(guān)上看，DCS經(jīng)歷了3代，即1975年至1980年代前期、80年代中期至90年代前期和90年代中期到21世紀初。3代產(chǎn)品的區別可以從DCS的三大部分，即控制站、操作站和通信網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展來(lái)判斷。當然，由于產(chǎn)品生命周期是個(gè)復雜的問(wèn)題，加之各DCS生產(chǎn)廠(chǎng)家情況不同，產(chǎn)品換型年代不同，所以劃分產(chǎn)品的年代(3-4代的)觀(guān)點(diǎn)也不盡相同，所以以下分析，權作商榷。
(1) 控制站
DCS系統中，控制站繼承了DDC(直接數字控制)技術(shù)，它是一個(gè)完整的計算機，實(shí)際運行中可以暫時(shí)在不與操作站及網(wǎng)絡(luò )相連的脫機情況下，完成過(guò)程控制策略，保證生產(chǎn)裝置運行。從計算機系統結構來(lái)說(shuō)，控制站屬于過(guò)程控制專(zhuān)用計算機，其特點(diǎn)是第一代采用8位微處理器，第二代采用16位微處理器，第三代采用32位(直至64位)微處理器，這對于中小型DCS控制器來(lái)說(shuō)比較確切。大型DCS控制站對中央處理器要求較高，必須為專(zhuān)用的處理器，準16位和準32位或64位運算方式。第二代DCS控制站采用精簡(jiǎn)指令系統(RISC，Reduced Instruction Set Computer)。第三代DCS控制站已采用多CPV分別用于控制、通信、冗余切換等操作。
控制站作為一個(gè)完整的計算機，它的主要I/0設備為現場(chǎng)的輸入、輸出處理設備，即過(guò)程輸入/輸出(PI/0)，包括信號變換與信號調理，A/D、D/A轉換。它在第二代和第三代產(chǎn)品中已陸續采用了嵌入式技術(shù)，并采用單片機等完成量程調整，遠程I/0數據傳輸、小型化、減少PI/0卡硬件規格等功能，直至連接智能化的現場(chǎng)變送器或接受采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的數字信號。在信號變換過(guò)程中采用隔離技術(shù)以防止來(lái)自現場(chǎng)的干擾信號，這是至關(guān)重要的；與現場(chǎng)連接的端子及輸入、輸出信號的物理位置的方便確認，也是用戶(hù)非常關(guān)心的。這些在DCS控制站的更新?lián)Q代中，都有很大改進(jìn)。在這方面，原來(lái)生產(chǎn)自動(dòng)化儀表的廠(chǎng)家表現尤佳，所以說(shuō)DCS是繼承了自動(dòng)化儀表技術(shù)的計算機系統。
關(guān)于DCS控制站的系統軟件，原則上也有實(shí)時(shí)操作系統、編程語(yǔ)言及編譯系統、數據庫系統、自診斷系統等，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調節器，而且每個(gè)控制站都可以配置人機界面和備用操作器；第二代DCS控制站的實(shí)時(shí)操作系統及程序編譯系統比較完整，編程語(yǔ)言有面向過(guò)程語(yǔ)言和高級語(yǔ)言，控制策略的組態(tài)由操作站或工作站在與控制站聯(lián)機的情況下，完成編譯和下裝；第三代DCS控制站的系統軟件齊全，操作站或工師站可以完成離線(xiàn)組態(tài)及在線(xiàn)修改控制策略。
為了完成控制策略，實(shí)現對應功能模塊及模塊之間連接的功能，可構成反饋控制回路，這在3代DCS控制站中變化不大，而且是不斷積累完善的過(guò)程，如PID算法等典型的數值計算就是如此。目前典型的功能模塊有50多種，這是DCS廠(chǎng)家的專(zhuān)有技術(shù)。對於順序控制和批量控制組態(tài)編程，各種DCS控制站采用不同的方法，直到近來(lái)才向IEC 61131-3編程語(yǔ)言標準靠攏。
DCS系統的數據主要為來(lái)自現場(chǎng)的信號和各種變量，在控制站中表現為與工位號(TAG)對應的相關(guān)的測量值(PV)、設定值(SV)、操作輸出值(MV)及回路狀態(tài)(AVTO/MAV/CAS)等。這些數據在DCS控制站相應的存儲器里，構成實(shí)時(shí)數據，其它屬于與工位號有關(guān)的組態(tài)信息，如量程、工程單位、回路連接信息、順序控制信息等，也在控制站中存儲，但同時(shí)必須在操作站或工程師站中存貯，而且有映像關(guān)系，至於歷史數據存貯，一般不是在DCS控制站中。
在完善的DDS技術(shù)中，對A/D、D/A轉換及控制算法，分別引入掃描周期和控制周期概念，在第二代、第三代DCS控制站中，掃描周期可以比缺省值1秒更短(注意1秒對一般溫度的等物理量的測量控制是足夠的)，如可以選用0.2-0.5秒，以滿(mǎn)足少數反應快的控制對象的要求。
對於第一代、第二代DCS控制站，為了完成回路控制以外的順序控制、批量控制及數據采集，分別開(kāi)發(fā)了不同型號、規格的控制站產(chǎn)品；而第三代控制站因為其功能強大，對開(kāi)關(guān)量和模擬量處理能力很強，所以一般不做區分。大型DCS的一臺控制站可以完成上百個(gè)回路的控制，其容錯技術(shù)完善，可靠性高，所以"分散控制以消除危險"的初衷已很難體現。當然對於一個(gè)工廠(chǎng)只有一個(gè)中央控制室及多套工藝裝置，而且每套裝置就近安裝1-2臺控制站的大系統來(lái)說(shuō)，這也是一種分散型控制，只是對控制站的可靠性要求更高了。
中小型DCS控制站，控制8回路、16回路、32回路幾種型式，分散性較易為人們接受。目前小型DCS系統所占有的市場(chǎng)，已逐步與PLC、IPC、FCS、I/0系統共享，今后小型DCS可能首先與這些系統融合，而且"軟DCS"技術(shù)將得到發(fā)展。
控制站是整個(gè)DCS的基礎，它的可靠性和安全性最為主要，死機和控制失靈的現象是絕對不允許的，而且冗余、掉電保護、抗電磁干擾、構成防爆系統等方面都有效而可靠，才能滿(mǎn)足用戶(hù)要求。以后DCS廠(chǎng)家在通信網(wǎng)絡(luò )、操作站、工程師站幾方面制作逐步開(kāi)放或可以互換并以提供"解決方案"為主時(shí)，作為制造廠(chǎng)，仍應保持控制站的軟硬件的生產(chǎn)專(zhuān)有，因為這是傳統DCS或稱(chēng)常規DCS的根本。
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