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第四代分布式控制系統DCS

    在工業企業中,應用效益最直接、最明顯的系統應當是工業控制系統,特別是DCS(分布式控制
系統)。盡管若干年以前,就有人判定DCS即將被FCS(現場總線控制系統)所取代,然而直至今日
DCS仍然具有相當的生命力。
  ARC咨詢機構2003年發布了世界DCS市場預測報告。該報告預測,世界DCS市場從2002年至2007
將保持2.5%的增長,從2003年的91億美元增長到103億美元。DCS的發展速度之所以不高,主要原因
是美國等發達國家的經濟增長速度減慢所造成。而中國近幾年的DCS的增長速度應該在10%以上。當
今的DCS與十年前的DCS相比,發生了根本性的變化。
DCS
已經進入第四代
  受信息技術(網絡通信技術、計算機硬件技術、嵌入式系統技術、現場總線技術、各種組態軟
件技術、數據庫技術等)發展的影響,以及用戶對先進的控制功能與管理功能需求的增加,各DCS
商(以HoneywellEmersonFoxboro、橫河、ABB為代表)紛紛提升DCS系統的技術水平,并不斷地
豐富其內容。可以說,以Honeywell 公司最新推出的Experion PKS(過程知識系統)、Emerson 
司的PlantWeb (Emerson Process Management)Foxboro公司的A2、橫河公司的R3PRM-工廠資源
管理系統)和ABB公司的 Industrial IT 系統為標志的新一代DCS 已經形成。
  如果我們把當年Foxboro公司的I/A Series看作第三代DCS 系統里程碑的話,那么以上幾家的最
DCS可以劃為第四代。第四代DCS 的最主要標志是兩個“I”開頭的單詞:Information (信息)
Integration
(集成)。
DCS
  第四代DCS的體系結構主要分為四層結構:現場儀表層、控制裝置單元層、工廠(車間)層和企
業管理層。一般DCS廠商主要提供除企業管理層之外的三層功能,而企業管理層則通過提供開放的數
據庫接口,連接第三方的管理軟件平臺(ERPCRMSCM等)。所以說,當今DCS主要提供工廠(車
間)級的所有控制和管理功能,并集成全企業的信息管理功能。
DCS
充分體現信息化和集成化
  信息和集成基本描述了當今DCS系統正在發生的變化。用戶已經可以采集整個工廠車間和過程的
信息數據,但是用戶希望這些大量的數據能夠以合適的方式體現,并幫助決策過程,讓用戶以他明
白的方式,在方便的地方得到真正需要的數據。
  信息化體現在各DCS系統已經不是一個以控制功能為主的控制系統,而是一個充分發揮信息管理
功能的綜合平臺系統。DCS提供了從現場到設備,從設備到車間,從車間到工廠,從工廠到企業集團
整個信息通道。這些信息充分體現了全面性、準確性、實時性和系統性。
  大部分DCS提供了過去常規DCS功能、SCADA(監控和數據采集)功能以及MES(制造執行系統
)的大部分功能。與ERP不同,MES匯集了車間中用以管理和優化、從下訂單到產成品的生產活動
全過程的相關硬件或軟件組件,它控制和利用實時準確的制造信息來指導、傳授、響應并報告車間
發生的各項活動,同時向企業決策支持過程提供有關生產活動的任務評價信息。MES的功能包括車
間的資源分配、過程管理、質量控制、維護管理、數據采集、性能分析和物料管理等功能模型,與
DCS
相關的各功能模塊有資源配置與狀態(Resource Allocation and Status )、派遣生產單元
(Dispatching Production Units)
、文檔控制(Document Control)、數據收集/獲取(Data
Collection/Acquisition)
、勞工管理(Labor Management)、質量管理(Quality Management)、維護
管理(Maintenance Management)、產品跟蹤(Product Tracking)、性能分析(Performance
Analysis)

  DCS的集成性則體現在兩個方面:功能的集成和產品的集成。過去的DCS 廠商基本上是以自主開
發為主,提供的系統也是自己的系統。當今的DCS 廠商更強調的系統集成性和方案能力,DCS中除保
留傳統DCS所實現的過程控制功能之外,還集成了PLC(可編程邏輯控制器)、RTU(采集發送器)、
FCS
、各種多回路調節器、各種智能采集或控制單元等。此外,各DCS廠商不再把開發組態軟件或制
造各種硬件單元視為核心技術,而是紛紛把DCS的各個組成部分采用第三方集成方式或OEM方式。例
如,多數DCS廠商自己不再開發組態軟件平臺,而轉入采用兄弟公司(如Foxboro Wonderware軟件
為基礎)的通用組態軟件平臺,或其它公司提供的軟件平臺(Emerson Intellution的軟件平臺做
基礎)。此外,許多DCS廠家甚至I/O組件也采用OEM方式(Foxboro 采用 EurothemI/O模塊,橫河
R3采用富士電機的Processio作為I/O單元基礎, Honeywell 公司的PKS系統則采用Rockweell公司
PLC單元作為現場控制站。
DCS
變成真正的混合控制系統
  過去DCSPLC主要通過被控對象的特點(過程控制和邏輯控制)來進行劃分。但是,第四代的
DCS
已經將這種劃分模糊化了。幾乎所有的第四代DCS都包容了過程控制、邏輯控制和批處理控制
,實現混合控制。這也是為了適應用戶的真正控制需求。因為多數的工業企業絕不能簡單地劃分為
單一的過程控制和邏輯控制需求,而是由過程控制為主或邏輯控制為主的分過程組成的。我們要實
現整個生產過程的優化,提高整個工廠的效率,就必須把整個生產過程納入統一的分布式集成信息
系統。例如,典型的冶金系統、造紙過程、水泥生產過程、制藥生產過程和食品加工過程、發電過
程,大部分的化工生產過程都是由部分的連續調節控制和部分的邏輯聯鎖控制構成。
  第四代的DCS系統幾乎全部采用IEC61131-3標準進行組態軟件設計。該標準原為PLC語言設計提
供的標準。同時一些DCS(如Honeywell 公司的PKS)還直接采用成熟的PLC作為控制站。多數的第四
DCS都可以集成中小型PLC作為底層控制單元。今天的小型和微型PLC不僅具備了過去大型PLC的所
有基本邏輯運算功能,而且高級運算、通信以及運動控制也能實現。
DCS
包含FCS功能并進一步分散化
  過去一段時間,一些學者和廠商把DCSFCS對立起來。其實,真正推動FCS進步的仍然是世界主
要幾家DCS廠商。所以,DCS不會被FCS所代替,而是DCS會包容FCS,實現真正的DCS。如今,這一預
測正在被現實所驗證。所有的第四代DCS都包含了各種形式的現場總線接口,可以支持多種標準的現
場總線儀表、執行機構等。此外,各DCS還改變了原來機柜架式安裝I/O模件、相對集中的控制站結
構,取而代之的是進一步分散的I/O模塊(導軌安裝),或小型化的I/O組件(可以現場安裝)或中
小型的PLC
  分布式控制的一個重要優點是邏輯分割,工程師可以方便地把不同設備的控制功能按設備分配
到不同的合適控制單元上,這樣操作工可以根據需要對單個控制單元進行模塊化的功能修改、下裝
和調試。另一個優點是,各個控制單元分布安裝在被控設備附近,既節省電纜,又可以提高該設備
的控制速度。一些DCS還包括分布式HMI就地操作站,人和機器將有機地融合在一起,共同完成一個
智能化工廠的各種操作。例如Emerson DeltaVFoxboro A2中的小模塊結構、Ovation的分散模
塊結構等。
  可以說,現在的DCS廠商已經越過炒作概念的誤區,而是突出實用性。一套DCS可以適應多種現
場安裝模式:或用現場總線智能儀表,或采用現場I/O智能模塊就地安裝(既節省信號電纜,又不用
昂貴的智能儀表),或采用柜式集中安裝(特別適合改造現場)。一切由用戶的現場條件決定,充
分體現為用戶設想。
DCS
進入低成本時代
  DCS在上世紀80年代甚至90年代還是技術含量高、應用相對復雜、價格也相當昂貴的工業控制系
統。隨著應用的普及,大家對信息技術的理解,DCS已經走出高貴的神秘塔,變成大家熟悉的、價格
合理的常規控制產品。
  第四代DCS的另一個顯著特征就是各系統紛紛采用現成的軟件技術和硬件(I/O處理)技術,采
用靈活的規模配置,明顯地了降低系統的成本與價格。可以說,現在采用先進的DCS實現工業自動化
控制比原來采用常規的儀器儀表進行簡單控制,用戶投資增加不多,但是實現的功能卻明顯加強。
就控制站而言,原來一個物理信號處理平均1500元(人民幣),而現在已經降到800元左右。過去國
DCS一般只適合于大中型的系統應用,在小型應用中成本很高,但第四代DCS都采用靈活的配置
,不僅經濟地應用于大中型系統,而且應用于小系統也很合適。
DCS 
平臺開放與服務專業化
  20年來,業界討論非常多的一個概念就是開放性。過去,由于通信技術的相對落后,開放性是
困擾用戶的一個重要問題。為了解決該問題,人們設想了多種方案,其中包括CIMS系統概念中的開
放網絡(MAP 7層網絡協議平臺)。然而,MAP網絡協議并沒有得到真正的推廣應用。而當代網絡技
術、數據庫技術、軟件技術、現場總線技術的發展為開放系統提供了可能。各DCS廠家競爭的加劇
,促進了細化分工與合作,各廠家放棄了原來自己獨立開發的工作模式,變成集成與合作的開發模
式,所以開放性自動實現了。
第四代DCS的開放性
  開放性體現在DCS可以從三個不同層面與第三方產品相互連接:在企業管理層支持各種管理軟件
平臺連接;在工廠車間層支持第三方先進控制產品SCADA平臺、MES產品、BATCH 處理軟件,同時支
持多種網絡協議(以以太網為主);在裝置控制層可以支持多種DCS單元(系統)、PLCRTU、各種
智能控制單元等,以及各種標準的現場總線儀表與執行機構。
  開放性的確有很多好處,但是在考慮開放性的同時,首先要充分考慮系統的安全性和可靠性。
因為生產過程的故障停車或事故造成的損失,可能比開放性選擇產品所節省的成本要高得多。同時
注意,在選擇系統設備時,先要確定系統的需求,然后根據需求選擇必要的設備。盡量不要裝備一
些不必要的功能,特別是網絡功能和外設的選擇一定要慎重。例如,我們在選擇開放網絡的同時
,遭到病毒或黑客襲擊的可能就會加大;我們選擇豐富的外設如光驅或軟驅,就給操作人員提供了
裝載無關軟件(如游戲等)的機會等。這些都會導致系統癱瘓或其它致命故障。
  隨著開放系統和平臺技術的發展,產品的選擇更加靈活,軟件組態功能越來越強大并靈活,但
是每一個特定的應用都需要一個獨特的解決方案,所以專業化的應用知識和經驗是當今工業自動化
廠商或系統集成商成功的關鍵因素。各DCS廠家在努力宣傳各自DCS技術優勢的同時,更是努力宣傳
自己的行業方案設計與實施能力。為不同的用戶提供專業化的解決方案并實施專業化的服務,將是
今后各DCS廠家和系統集成商競爭的焦點,同時也是各廠家盈利的主要來源。
國產DCS技術應用概況
  目前,以和利時、浙大中控、上海新華為代表的國內DCS廠家經過10年的努力,各自推出自己的
DCS
系統:和利時推出MACSSmartpro第四代DCS系統、浙大中控推出Webfield(ECS)系統、新華推出
XDPF-400
系統。三家積極努力,通過競爭成功地將自主系統應用于各種工業現場,正在逐步取得用
戶的認可。例如新華公司在火力發電方面取得顯著成績,浙大中控在化工控制等方面業績突出,和
利時公司在核電、熱電、化工、水泥、制藥以及造紙等方面取得了一定的業績。
  在中國的DCS市場上,三家國內廠商已經具備了相當的競爭能力。例如通過新華公司與和利時公
司在火電站控制領域的競爭以及和利時公司與浙大中控在化工等領域的競爭,使得國外的DCS紛紛降
價。可以說,三家公司最大的貢獻是把國外的DCS價格降到了原來40%以下,為DCS在國內工業企業
的普及應用,特別是在中小型企業中的應用做出了貢獻。
過程控制系統的發展歷程
  50年前,過程控制是基于315psi的氣動信號標準的基地式氣動控制儀表系統,即第一代過程
控制體系結構(PCSPneumatic Control System);基于模擬電流信號標準010mA(420 mA)
電動單元組合式模擬儀表控制系統,即為第二代過程控制體系結構(ACSAnalogous Control
System
);20世紀70年代,由于使用了數字計算機,從而產生了集中式數字控制系統,即第三代過
程控制體系結構(CCSComputer Control System);20世紀80年代,微處理機的出現和應用,從
而產生了分布式控制系統,即第四代過程控制體系結構(DCSDistributed Control
System
);20世紀90年代,現場總線技術的出現產生了新的一代過程控制體系結構,即現場總線控
制系統FCS(Fieldbus Control System)
現場總線控制系統的優勢
  現場總線被稱為21世紀工業過程測控網絡標準。它能夠提供智能化、簡單化、標準化的現場總
線設備接口,將使過程控制用戶在低成本、易移植、易擴展這樣一種友好的環境中進行系統設計、
安裝和運行,給自動化領域帶來了新的革命,有著廣泛的應用領域和市場。
  現場總線產品是用于過程自動化和制造自動化最底層的現場設備或現場儀表互聯的通信網絡產
品,是現場通信網絡與控制系統的集成。其關鍵不單單是一種通信技術,而是用現場總線控制系統
FCS)代替分布式控制系統(DCS)。
  與DCS相比較,FCS有多種優勢:節省電纜和電纜橋架約60%,節約廠房面積;減少布線、安裝調
試費用50%以上;節省二次開發費用,縮短開發周期,一次性投資可降低30%;備品備件種類明顯減
少,維修更加方便;有利于企業實施綜合自動化策略,使企業從粗放型向集約型轉化。
  自20世紀80年代末以來,有幾種現場總線技術已經逐漸發展成熟,并在一些特定的應用領域顯
示了影響力和優勢,它們是可尋址遠程變換器數據鏈路HART(Highway Addressable Remote
Transducer)
、控制器局部網CAN(Controller Area Network)、局部操作網絡LON(Local Operating
Network)
、過程現場總線PROFIBUS(Process Fieldbus)和基金會現場總線FF(Foundation
Fieldbus)
,這些現場總線各具特色,對于現場總線技術的發展發揮著重要作用。

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