DCS的发展及其在石油化工中的应用

导读： 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

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。

    　温故而知新，让我们顺着DCS的发展轨迹来了解DCS吧！

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。