DCS的发展及其在石油化工中的应用

1、DCS的诞生及在石油化工等行业中的市场情况
　　20世纪70年代中期，大规模集成电路取得实破性的发展，8位微处理器普及，使自动化仪表工业发生巨大的变化，其中原来正处在十字路口的集中式计算机控制系统，很快吸收了微处理器技术，诞生了微机集散系统，全称为微处理器的总体分散型控制系统（Total Distributed Control System with μp），在1975年首先由美国Honeywell公司发表了TDC2000总体分散型控制系统，其特征是完成8个回路控制的基本控制器（BC）可以分散的设置，通过数据高速公路（DHW）的数据总线把多台BC与CRT（阴极射线管）操作站连接在一起，形成各节点都有计算机的分布式计算机控制系统，与其同时，美国、日本、英国、法国、加拿大等国都开发出相应的产品，相继应用在以模拟量回路控制为主的系统中，应用行业遍及石油、化工、冶金、电力、轻工，建材、公用工程等各行业，这类产品统称DCS（ Distributed Control System）。
　　70年代，炼油和石油化工这些以石油原油和天燃气为原料的流程工业发展非常迅猛，如我国那个时期就引进了多套年产30万吨乙烯为首的整套装置，其它还有大型化肥、化纤、塑料合成橡胶等装置，所以DCS在市场细分中以满足石油化工等流程工业为主，这是市场的需要。在这些行业中，温度、压力、流量、液位的检测和控制占了绝大部分，所以这些模拟量的数据采集和控制成为DCS的首先应满足的功能，而DCS的前身（集中计算机控制系统），已有了成熟的DDC（直接数字控制）技术；此外石化工业中，在塔、釜、罐等大型工艺设备运转中，少不了各种机电设备如风机、泵类及各种阀门的开关量的检测和控制，所以开关量的顺序控制也是很重要的，这是DCS应满足的第二个功能；在石化工业中，反应罐等设备是间歇式工作的，即一批原料投入，经过反应，形成产品，产出后，经过间歇，再投第二批原料，这种批量控制是石化行业中不少产品的生产装置的控制形式，这要求开关量、模拟量结合进行控制，现在也有称它为混合控制系统（Hybrid Control System）。当然，除此三项控制功能外，还有人机界面友好、安全可靠、易于安装、容易使用、便于维护、便于扩展和升级换代等要求。另外在石油化工大型装置和中、小型装置要求对应DCS产品又有所细分，所以产生了大型DCS和中小型DCS产品，而且各DCS厂家在应用实绩方面也产生了细分市场，如有些厂家的DCS产品用于锅炉控制能力更强，有些厂家的DCS用于海上采油平台业绩更多等等。目前，世界上有数十家DCS厂家，据美国ARC（Automation Research Corporation）1996年统计，下述排名前10家公司占到80%以上的市场份额：Honeywell（21.6%）、Elsag Bailay（12.6%，包括H&B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%）。在亚洲（日本以外）的市场份额为：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对1996-2004年的DCS市场分析指出：亚洲DCS市场增长较快，1996年DCS整个世界市场为70.08亿美元，2000年为96.37亿美元，其中亚洲市场分别为11.388亿美元和20.67亿美元，即由亚洲占世界份额由16.25%增至21.45%，或称亚洲2000年比1996年DCS市场增长了82%，即每年增长20%。其中小型DCS（10万美元，30回路以下）增长最快，其次为中型DCS（50万美元，150回路以下），具体见附表，事实表明，21世纪开放几年亚洲形势更好。
　　关于DCS应用行业的分布，以日本CENTVM系统应用实绩为例：化工（含石油化工）占50.74%，石油和天燃气占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%，纸桨和造纸占8.25%，其它占8.4%。当然这个比例与日本国情有关，如其中未计入电力行业应用DCS，这是因为横河公司虽然在锅炉控制方面应用实例很多，但多属于石化等企业内工业锅炉和自备电厂锅炉，而未进入火力发电厂、原子能发电厂等电力行业。而日本电力行业应用DCS是比较多的，日本东芝、富士、日立、三菱等公司火力发电设备均由本公司产的DCS配套，又日本贝利公司的DCS，在日本电力市场中占有率也较高。
　　我国在大型进口设备成套中引入国外的DCS及石化等行业改造中设计采用国外DCS以外，经过20多年的努力，国内已有多家生产DCS的厂家，其中和利时、浙江中控、上海新华3家已具有相当规模。国内石化行业已使用国内外出产的700多套DCS，应用水平也较高，自动投运率在90%以上，目前正向充分发挥DCS功能和开展先进控制和优化方向发展。据估计，由于DCS在石化行业大中型自控装置中近5年内没有可替代产品，到2005年，我国石化行业要有1000多套装置需要应用DCS控制，而设备更新改造扩容也需要扩大原来DCS系统，至於日常维护、备品备件，那也是很可观的，所以今后一段时间内，DCS在石化行业中的重要性是不容置疑的，但改善功能、兼容新技术、降低价格、提高应用水平、改善服务水平的任务也迫在眉睫的。

2、近30年来DCS的发展
　　近30年来，DCS产品虽然在基本原理和产品市场定位上没有根本上的改变，但随着技术的进步、外界环境和市场需求的变化，设计思想也相应发展，如横河公司为了生存，从1975年发表的CENTVM系统至现在的CENTVM CS 3000R3，已经有16代了，其它公司也是如此。从宏观上看，DCS经历了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世纪初。3代产品的区别可以从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，所以划分产品的年代（3-4代的）观点也不尽相同，所以以下分析，权作商榷。
（1） 控制站
　　DCS系统中，控制站继承了DDC（直接数字控制）技术，它是一个完整的计算机，实际运行中可以暂时在不与操作站及网络相连的脱机情况下，完成过程控制策略，保证生产装置运行。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（直至64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位或64位运算方式。第二代DCS控制站采用精简指令系统（RISC，Reduced Instruction Set Computer）。第三代DCS控制站已采用多CPV分别用于控制、通信、冗余切换等操作。
　　控制站作为一个完整的计算机，它的主要I/0设备为现场的输入、输出处理设备，即过程输入/输出（PI/0），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/0数据传输、小型化、减少PI/0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。对於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，直到近来才向IEC 61131-3编程语言标准靠拢。
　　DCS系统的数据主要为来自现场的信号和各种变量，在控制站中表现为与工位号（TAG）对应的相关的测量值（PV）、设定值（SV）、操作输出值（MV）及回路状态（AVTO/MAV/CAS）等。这些数据在DCS控制站相应的存储器里，构成实时数据，其它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贮，而且有映像关系，至於历史数据存贮，一般不是在DCS控制站中。
　　在完善的DDS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1秒更短（注意1秒对一般温度的等物理量的测量控制是足够的），如可以选用0.2-0.5秒，以满足少数反应快的控制对象的要求。
　　对於第一代、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，可靠性高，所以"分散控制以消除危险"的初衷已很难体现。当然对於一个工厂只有一个中央控制室及多套工艺装置，而且每套装置就近安装1-2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，控制8回路、16回路、32回路几种型式，分散性较易为人们接受。目前小型DCS系统所占有的市场，已逐步与PLC、IPC、FCS、I/0系统共享，今后小型DCS可能首先与这些系统融合，而且"软DCS"技术将得到发展。
　　控制站是整个DCS的基础，它的可靠性和安全性最为主要，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、抗电磁干扰、构成防爆系统等方面都有效而可靠，才能满足用户要求。以后DCS厂家在通信网络、操作站、工程师站几方面制作逐步开放或可以互换并以提供"解决方案"为主时，作为制造厂，仍应保持控制站的软硬件的生产专有，因为这是传统DCS或称常规DCS的根本。

（2） 操作站和工程师站
　　DCS系统形成初期操作站各工程师站合一，即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（Vtility）功能。
　　DCS操作站是典型的计算机，有着丰富的外围设备和人机界面，70年代中期，主要是在原小型计算机基础上开发的，此时CRT阴极射线管技术已成熟，但外部存贮器温氏硬盘技术至80年代才普及，所以第一代操作站采用CRT技术为特征，第二代操作站以采用温氏硬盘为特征，第二代DCS操作站还具有如下特征：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；操作系统采用DCS系统以外，有的产品采用Unix等操作系统；实时数据库的性能逐渐完善；在人机界面即流程图画面方面，也由半图形方式、全图形方式过程为目标图形方式，以GVI图形用户界面为平台，并采用鼠标，而且在工程师站中进行控制策略组态和制作流程图画面采用菜单、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，便于系统集成各操作，与Windows技术其一致等。目前大多数DCS操作站和工程师站已采用高档PC机或工控机，Windows NT（或Windows98以上）操作系统、客户机/服务器（C/S）结构、DDC（动态数据交换）或OPC（用于过程控制对象链接嵌入）接口技术，可通过以太网接口与管理网络相连。在采用通过监控图形软件（如 iFIX、Intouch）这一点上，各DCS厂家做法不一，有的厂家以此为平台，形成“软DCS”操作站，这多用于中小型DCS系统，或以此类软件为核心，进行二次开发；有的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，在操作站中要对由某控制站某端子与现场仪表相连的，由物理位置决定的工位规定工位号（即特征号或标签Tag）各工位说明（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，工位号可以在整个系统中通用。其它还有系统配置、操作标记、趋势记录、历史数据管总貌画面组态、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、保证数据的实时性、完整性和安全性。
　　DCS系统组态、操作站组态、控制站组态（上小节中已讲到）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程。
　　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或SOE事件顺序记录，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。

（3） 数据通信及网络
　　上两节所述控制站、操作站、工程师站，均为通信网络的节点，DCS网络上的节点还可能有上位机（或称高级控制计算站）、与工厂管理网相连的网关等。DCS网络是DCS的生命线，在DCS整个系统的实时性、可靠性和可扩充性方面起着重要的作用。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则解决了多个装置的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。
　　在石化行业，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、工程师站均集中放置在控制室内。而DCS的数据通信一般从初期的数据高速公路起多可长达1km，所以这方面有点浪费。鉴於石化行业的习惯，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。
　　DSC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（Data High Way）总线经HG与LCN相连，第二代的VCN总线经NIM与LCN相连，近来又将LCN改造成TPN（TPS过程网络），这样同解决了70年代、80年代、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，数字通信刚开始普及，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），并无统一的用於工业的数据通信标准，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（或流程工业）网络的完整的统一标准。当然到目前为止，IEEE802.4令牌总线传输方式的通信协议和IEEE802.5令牌环网传 输方式的通信协议在DCS系统中应用最广，又近年来因为采用以太网的互联网的普及以太网技术的提升，IEEE802.3办公自动化用局域网标准（人们俗称以太网标准）在DCS系统中已有多家采用，而上述三种标准仅涉及到物理层和数据链路层（请见7层模型）；国际标准化组织（ISO）提出的开放系统互联（OSI）参数模型，即ISO/0I7层模型（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层），规定了通信过程分段和网络功能分层；另外，就是现在工业以太网的一些在以太网技术基础上的通信协议，其中应用较广的为Ethernet/IP，它在网络层和传输层有TCP/IP协议簇（传输控制协议和网络互连协议）及VDP/IP（用户数据协议和网络互连协议）共存共融，发展势头较猛。以上三方面的标准和协议是我们讨论DCS通信标准化或开放性的共同语言，仅此而已！
　　说到开放性，它的基本特征是开放的系统应在保证信息安全的前提下具有可移植性、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。

3、DCS在石油化工中应用的几个问题
　　到目前为止，用户对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。下面谈谈在石油化工行业中应用DCS两个问题。
（1） 选型问题
　　石化行业在应用DCS中，无论新建项目或是改造项目，首先是DCS的选型问题。监於各种DCS有其通用性，而且参与竞争的DCS厂家或系统集成商较多，所以各设计院或业主在标书中均不指定DCS的型号，只规定I/0点数、控制回路数、控制室与现场工艺装置之间的物理位置、人机界面要求、先进控制或数学模型优化等方面的要求、与整个企业管理网络之间关系等项要求，标书中为了显示公平、公正、公开的原则，还提出DCS应符合各种标准或特殊的性能指标等等。这里要提醒买方，由於这些年国产DCS水平提高，应在标准和各项特殊指标和投标资格的规定方面给以重视，如以往在标书中多列出国际或国外的各项标准，而对国内DCS等相关标准重视不够或不了解，如目前国内DCS是依据GB/T、18271.1-2000、GB/T、18271.2-2000、GB/T、18271.3-2000过程测量和控制装置通用性能评定方法和程序等标准，这应列入标书中，这种要求是正当的，正直的。
　　关於业绩问题，这是DCS选型和投标方资格论证的一个敏感问题。DCS的功能比较复杂，DCS开发过程是针对不同行业的，而且具体的工程项目的要求也很多，很难对DCS作唯一的选择，所以如某DCS用於本类工程较多，这样业主选用该DCS，选型风险就比较小，这是合情合理的。但国产DCS历史较短，在某些行业大型工艺装置上使用的业绩较少或没有，所以“实绩”这个门槛问题还要具体情况具体分析，如某国产DCS可靠性很高，在类似工艺的中小装置上应用很好，又有系统扩充能力等再加上国产DCS厂家，掌握原程序，可以按照业主要求增加某些特殊功能等，所以在同等价格的条件下，可以参加竟争。
（2） 服务问题
　　DCS发展到今，DCS厂家的硬件、软件自己生产的部分愈来愈少，而提供全面解决方案（Solutions），却成了时髦的口号，这其中包括了多项软技术，所以服务问题成了DCS厂家或系统集成商的新亮点。如何全面的为用户服务呢？对一个工程项目来说，包括前服务、中服务、后服务。DCS是技术含量很高的产品，所以在合同签订前的方案认证、报价，技术谈判等方面，DCS是厂家应无偿的服务；在合同签订后，开工后、投产前硬件方案最终确认，软件（指系统组态等）编制和键入生成，整机出厂前的验收，工程技术人员和操作人员的技术培训等中期服务是义不容辞的；货到现场后的开箱验收、整机现场安装通电验收、回路静态连调、顺序控制逻辑关系的确认。直至整个工艺装置开车中系统投运的指导，程序修改后的拷贝和工程验收，这是后服务。后服务可以延伸至保质期内的维修服务（无偿）及以后的日常运行中的有偿维修服务（全球24小时响应）等及Intermet网远程服务。这些都是现在应该享受的，这是DCS厂家或系统集成商的义务。这方面国内DCS厂家应该有条件做得更好，而且前正是弱项，应该迎头赶上。
　　所谓工程就应该有头有尾，我们应该把DCS工程有始有终的做好，搞好服务，使DCS工程经济效益、社会效益双丰收。