DCS的發(fā)展及其在石油化工中的應(yīng)用

1、DCS的誕生及在石油化工等行業(yè)中的市場情況

20世紀(jì)70年代中期，大規(guī)模集成電路取得實(shí)破性的發(fā)展，8位微處理器普及，使自動化儀表工業(yè)發(fā)生巨大的變化，其中原來正處在十字路口的集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，很快吸收了微處理器技術(shù)，誕生了微機(jī)集散系統(tǒng)，全稱為微處理器的總體分散型控制系統(tǒng)(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(tǒng)，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(shè)置，通過數(shù)據(jù)高速公路(DHW)的數(shù)據(jù)總線把多臺BC與CRT(陰極射線管)操作站連接在一起，形成各節(jié)點(diǎn)都有計(jì)算機(jī)的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，與其同時(shí)，美國、日本、英國、法國、加拿大等國都開發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品，相繼應(yīng)用在以模擬量回路控制為主的系統(tǒng)中，應(yīng)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)，這類產(chǎn)品統(tǒng)稱DCS( Distributed Control System)。

70年代，煉油和石油化工這些以石油原油和天燃?xì)鉃樵系牧鞒坦I(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在市場細(xì)分中以滿足石油化工等流程工業(yè)為主，這是市場的需要。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(shù)據(jù)采集和控制成為DCS的首先應(yīng)滿足的功能，而DCS的前身(集中計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng))，已有了成熟的DDC(直接數(shù)字控制)技術(shù)；此外石化工業(yè)中，在塔、釜、罐等大型工藝設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中，少不了各種機(jī)電設(shè)備如風(fēng)機(jī)、泵類及各種閥門的開關(guān)量的檢測和控制，所以開關(guān)量的順序控制也是很重要的，這是DCS應(yīng)滿足的第二個(gè)功能；在石化工業(yè)中，反應(yīng)罐等設(shè)備是間歇式工作的，即一批原料投入，經(jīng)過反應(yīng)，形成產(chǎn)品，產(chǎn)出后，經(jīng)過間歇，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，這要求開關(guān)量、模擬量結(jié)合進(jìn)行控制，現(xiàn)在也有稱它為混合控制系統(tǒng)(Hybrid Control System)。當(dāng)然，除此三項(xiàng)控制功能外，還有人機(jī)界面友好、安全可靠、易于安裝、容易使用、便于維護(hù)、便于擴(kuò)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(yīng)DCS產(chǎn)品又有所細(xì)分，所以產(chǎn)生了大型DCS和中小型DCS產(chǎn)品，而且各DCS廠家在應(yīng)用實(shí)績方面也產(chǎn)生了細(xì)分市場，如有些廠家的DCS產(chǎn)品用于鍋爐控制能力更強(qiáng)，有些廠家的DCS用于海上采油平臺業(yè)績更多等等。目前，世界上有數(shù)十家DCS廠家，據(jù)美國ARC(Automation Research Corporation)1996年統(tǒng)計(jì)，下述排名前10家公司占到80%以上的市場份額：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市場分析指出：亞洲D(zhuǎn)CS市場增長較快，1996年DCS整個(gè)世界市場為70.08億美元，2000年為96.37億美元，其中亞洲市場分別為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%，或稱亞洲2000年比1996年DCS市場增長了82%，即每年增長20%。其中小型DCS(10萬美元，30回路以下)增長最快，其次為中型DCS(50萬美元，150回路以下)，具體見附表，事實(shí)表明，21世紀(jì)開放幾年亞洲形勢更好。

關(guān)于DCS應(yīng)用行業(yè)的分布，以日本CENTVM系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)績?yōu)槔夯?含石油化工)占50.74%，石油和天燃?xì)庹?5.73%，鋼鐵占7.72%，水處理(自來水廠等)占4.81%，有色金屬占4.24%，紙槳和造紙占8.25%，其它占8.4%。當(dāng)然這個(gè)比例與日本國情有關(guān)，如其中未計(jì)入電力行業(yè)應(yīng)用DCS，這是因?yàn)闄M河公司雖然在鍋爐控制方面應(yīng)用實(shí)例很多，但多屬于石化等企業(yè)內(nèi)工業(yè)鍋爐和自備電廠鍋爐，而未進(jìn)入火力發(fā)電廠、原子能發(fā)電廠等電力行業(yè)。而日本電力行業(yè)應(yīng)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(shè)備均由本公司產(chǎn)的DCS配套，又日本貝利公司的DCS，在日本電力市場中占有率也較高。

我國在大型進(jìn)口設(shè)備成套中引入國外的DCS及石化等行業(yè)改造中設(shè)計(jì)采用國外DCS以外，經(jīng)過20多年的努力，國內(nèi)已有多家生產(chǎn)DCS的廠家，其中和利時(shí)、浙江中控、上海新華3家已具有相當(dāng)規(guī)模。國內(nèi)石化行業(yè)已使用國內(nèi)外出產(chǎn)的700多套DCS，應(yīng)用水平也較高，自動投運(yùn)率在90%以上，目前正向充分發(fā)揮DCS功能和開展先進(jìn)控制和優(yōu)化方向發(fā)展。據(jù)估計(jì)，由于DCS在石化行業(yè)大中型自控裝置中近5年內(nèi)沒有可替代產(chǎn)品，到2005年，我國石化行業(yè)要有1000多套裝置需要應(yīng)用DCS控制，而設(shè)備更新改造擴(kuò)容也需要擴(kuò)大原來DCS系統(tǒng)，至於日常維護(hù)、備品備件，那也是很可觀的，所以今后一段時(shí)間內(nèi)，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(yīng)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DCS的發(fā)展軌跡來了解DCS吧！

2、近30年來DCS的發(fā)展

近30年來，DCS產(chǎn)品雖然在基本原理和產(chǎn)品市場定位上沒有根本上的改變，但隨著技術(shù)的進(jìn)步、外界環(huán)境和市場需求的變化，設(shè)計(jì)思想也相應(yīng)發(fā)展，如橫河公司為了生存，從1975年發(fā)表的CENTVM系統(tǒng)至現(xiàn)在的CENTVM CS 3000R3，已經(jīng)有16代了，其它公司也是如此。從宏觀上看，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(jì)初。3代產(chǎn)品的區(qū)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)展來判斷。當(dāng)然，由于產(chǎn)品生命周期是個(gè)復(fù)雜的問題，加之各DCS生產(chǎn)廠家情況不同，產(chǎn)品換型年代不同，所以劃分產(chǎn)品的年代(3-4代的)觀點(diǎn)也不盡相同，所以以下分析，權(quán)作商榷。

(1) 控制站

DCS系統(tǒng)中，控制站繼承了DDC(直接數(shù)字控制)技術(shù)，它是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)，實(shí)際運(yùn)行中可以暫時(shí)在不與操作站及網(wǎng)絡(luò)相連的脫機(jī)情況下，完成過程控制策略，保證生產(chǎn)裝置運(yùn)行。從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說，控制站屬于過程控制專用計(jì)算機(jī)，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控制器來說比較確切。大型DCS控制站對中央處理器要求較高，必須為專用的處理器，準(zhǔn)16位和準(zhǔn)32位或64位運(yùn)算方式。第二代DCS控制站采用精簡指令系統(tǒng)(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(jì)算機(jī)，它的主要I/0設(shè)備為現(xiàn)場的輸入、輸出處理設(shè)備，即過程輸入/輸出(PI/0)，包括信號變換與信號調(diào)理，A/D、D/A轉(zhuǎn)換。它在第二代和第三代產(chǎn)品中已陸續(xù)采用了嵌入式技術(shù)，并采用單片機(jī)等完成量程調(diào)整，遠(yuǎn)程I/0數(shù)據(jù)傳輸、小型化、減少PI/0卡硬件規(guī)格等功能，直至連接智能化的現(xiàn)場變送器或接受采用現(xiàn)場總線技術(shù)的數(shù)字信號。在信號變換過程中采用隔離技術(shù)以防止來自現(xiàn)場的干擾信號，這是至關(guān)重要的；與現(xiàn)場連接的端子及輸入、輸出信號的物理位置的方便確認(rèn)，也是用戶非常關(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，原來生產(chǎn)自動化儀表的廠家表現(xiàn)尤佳，所以說DCS是繼承了自動化儀表技術(shù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

關(guān)于DCS控制站的系統(tǒng)軟件，原則上也有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、編程語言及編譯系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、自診斷系統(tǒng)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(diào)節(jié)器，而且每個(gè)控制站都可以配置人機(jī)界面和備用操作器；第二代DCS控制站的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及程序編譯系統(tǒng)比較完整，編程語言有面向過程語言和高級語言，控制策略的組態(tài)由操作站或工作站在與控制站聯(lián)機(jī)的情況下，完成編譯和下裝；第三代DCS控制站的系統(tǒng)軟件齊全，操作站或工師站可以完成離線組態(tài)及在線修改控制策略。

為了完成控制策略，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)功能模塊及模塊之間連接的功能，可構(gòu)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程，如PID算法等典型的數(shù)值計(jì)算就是如此。目前典型的功能模塊有50多種，這是DCS廠家的專有技術(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，直到近來才向IEC 61131-3編程語言標(biāo)準(zhǔn)靠攏。

DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要為來自現(xiàn)場的信號和各種變量，在控制站中表現(xiàn)為與工位號(TAG)對應(yīng)的相關(guān)的測量值(PV)、設(shè)定值(SV)、操作輸出值(MV)及回路狀態(tài)(AVTO/MAV/CAS)等。這些數(shù)據(jù)在DCS控制站相應(yīng)的存儲器里，構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(zhuǎn)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，以滿足少數(shù)反應(yīng)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(shù)據(jù)采集，分別開發(fā)了不同型號、規(guī)格的控制站產(chǎn)品；而第三代控制站因?yàn)槠涔δ軓?qiáng)大，對開關(guān)量和模擬量處理能力很強(qiáng)，所以一般不做區(qū)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(cuò)技術(shù)完善，可靠性高，所以"分散控制以消除危險(xiǎn)"的初衷已很難體現(xiàn)。當(dāng)然對於一個(gè)工廠只有一個(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(tǒng)來說，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(tǒng)所占有的市場，已逐步與PLC、IPC、FCS、I/0系統(tǒng)共享，今后小型DCS可能首先與這些系統(tǒng)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(chǔ)，它的可靠性和安全性最為主要，死機(jī)和控制失靈的現(xiàn)象是絕對不允許的，而且冗余、掉電保護(hù)、抗電磁干擾、構(gòu)成防爆系統(tǒng)等方面都有效而可靠，才能滿足用戶要求。以后DCS廠家在通信網(wǎng)絡(luò)、操作站、工程師站幾方面制作逐步開放或可以互換并以提供"解決方案"為主時(shí)，作為制造廠，仍應(yīng)保持控制站的軟硬件的生產(chǎn)專有，因?yàn)檫@是傳統(tǒng)DCS或稱常規(guī)DCS的根本。

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