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第四代分布式控制系统DCS

    在工业企业中,应用效益最直接、最明显的系统应当是工业控制系统,特别是DCS(分布式控制
系统)。尽管若干年以前,就有人判定DCS即将被FCS(现场总线控制系统)所取代,然而直至今日
DCS仍然具有相当的生命力。
  ARC咨询机构2003年发布了世界DCS市场预测报告。该报告预测,世界DCS市场从2002年至2007
将保持2.5%的增长,从2003年的91亿美元增长到103亿美元。DCS的发展速度之所以不高,主要原因
是美国等发达国家的经济增长速度减慢所造成。而中国近几年的DCS的增长速度应该在10%以上。当
今的DCS与十年前的DCS相比,发生了根本性的变化。
DCS
已经进入第四代
  受信息技术(网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线技术、各种组态软
件技术、数据库技术等)发展的影响,以及用户对先进的控制功能与管理功能需求的增加,各DCS
商(以HoneywellEmersonFoxboro、横河、ABB为代表)纷纷提升DCS系统的技术水平,并不断地
丰富其内容。可以说,以Honeywell 公司最新推出的Experion PKS(过程知识系统)、Emerson 
司的PlantWeb (Emerson Process Management)Foxboro公司的A2、横河公司的R3PRM-工厂资源
管理系统)和ABB公司的 Industrial IT 系统为标志的新一代DCS 已经形成。
  如果我们把当年Foxboro公司的I/A Series看作第三代DCS 系统里程碑的话,那么以上几家的最
DCS可以划为第四代。第四代DCS 的最主要标志是两个“I”开头的单词:Information (信息)
Integration
(集成)。
DCS
  第四代DCS的体系结构主要分为四层结构:现场仪表层、控制装置单元层、工厂(车间)层和企
业管理层。一般DCS厂商主要提供除企业管理层之外的三层功能,而企业管理层则通过提供开放的数
据库接口,连接第三方的管理软件平台(ERPCRMSCM等)。所以说,当今DCS主要提供工厂(车
间)级的所有控制和管理功能,并集成全企业的信息管理功能。
DCS
充分体现信息化和集成化
  信息和集成基本描述了当今DCS系统正在发生的变化。用户已经可以采集整个工厂车间和过程的
信息数据,但是用户希望这些大量的数据能够以合适的方式体现,并帮助决策过程,让用户以他明
白的方式,在方便的地方得到真正需要的数据。
  信息化体现在各DCS系统已经不是一个以控制功能为主的控制系统,而是一个充分发挥信息管理
功能的综合平台系统。DCS提供了从现场到设备,从设备到车间,从车间到工厂,从工厂到企业集团
整个信息通道。这些信息充分体现了全面性、准确性、实时性和系统性。
  大部分DCS提供了过去常规DCS功能、SCADA(监控和数据采集)功能以及MES(制造执行系统
)的大部分功能。与ERP不同,MES汇集了车间中用以管理和优化、从下订单到产成品的生产活动
全过程的相关硬件或软件组件,它控制和利用实时准确的制造信息来指导、传授、响应并报告车间
发生的各项活动,同时向企业决策支持过程提供有关生产活动的任务评价信息。MES的功能包括车
间的资源分配、过程管理、质量控制、维护管理、数据采集、性能分析和物料管理等功能模型,与
DCS
相关的各功能模块有资源配置与状态(Resource Allocation and Status )、派遣生产单元
(Dispatching Production Units)
、文档控制(Document Control)、数据收集/获取(Data
Collection/Acquisition)
、劳工管理(Labor Management)、质量管理(Quality Management)、维护
管理(Maintenance Management)、产品跟踪(Product Tracking)、性能分析(Performance
Analysis)

  DCS的集成性则体现在两个方面:功能的集成和产品的集成。过去的DCS 厂商基本上是以自主开
发为主,提供的系统也是自己的系统。当今的DCS 厂商更强调的系统集成性和方案能力,DCS中除保
留传统DCS所实现的过程控制功能之外,还集成了PLC(可编程逻辑控制器)、RTU(采集发送器)、
FCS
、各种多回路调节器、各种智能采集或控制单元等。此外,各DCS厂商不再把开发组态软件或制
造各种硬件单元视为核心技术,而是纷纷把DCS的各个组成部分采用第三方集成方式或OEM方式。例
如,多数DCS厂商自己不再开发组态软件平台,而转入采用兄弟公司(如Foxboro Wonderware软件
为基础)的通用组态软件平台,或其它公司提供的软件平台(Emerson Intellution的软件平台做
基础)。此外,许多DCS厂家甚至I/O组件也采用OEM方式(Foxboro 采用 EurothemI/O模块,横河
R3采用富士电机的Processio作为I/O单元基础, Honeywell 公司的PKS系统则采用Rockweell公司
PLC单元作为现场控制站。
DCS
变成真正的混合控制系统
  过去DCSPLC主要通过被控对象的特点(过程控制和逻辑控制)来进行划分。但是,第四代的
DCS
已经将这种划分模糊化了。几乎所有的第四代DCS都包容了过程控制、逻辑控制和批处理控制
,实现混合控制。这也是为了适应用户的真正控制需求。因为多数的工业企业绝不能简单地划分为
单一的过程控制和逻辑控制需求,而是由过程控制为主或逻辑控制为主的分过程组成的。我们要实
现整个生产过程的优化,提高整个工厂的效率,就必须把整个生产过程纳入统一的分布式集成信息
系统。例如,典型的冶金系统、造纸过程、水泥生产过程、制药生产过程和食品加工过程、发电过
程,大部分的化工生产过程都是由部分的连续调节控制和部分的逻辑联锁控制构成。
  第四代的DCS系统几乎全部采用IEC61131-3标准进行组态软件设计。该标准原为PLC语言设计提
供的标准。同时一些DCS(如Honeywell 公司的PKS)还直接采用成熟的PLC作为控制站。多数的第四
DCS都可以集成中小型PLC作为底层控制单元。今天的小型和微型PLC不仅具备了过去大型PLC的所
有基本逻辑运算功能,而且高级运算、通信以及运动控制也能实现。
DCS
包含FCS功能并进一步分散化
  过去一段时间,一些学者和厂商把DCSFCS对立起来。其实,真正推动FCS进步的仍然是世界主
要几家DCS厂商。所以,DCS不会被FCS所代替,而是DCS会包容FCS,实现真正的DCS。如今,这一预
测正在被现实所验证。所有的第四代DCS都包含了各种形式的现场总线接口,可以支持多种标准的现
场总线仪表、执行机构等。此外,各DCS还改变了原来机柜架式安装I/O模件、相对集中的控制站结
构,取而代之的是进一步分散的I/O模块(导轨安装),或小型化的I/O组件(可以现场安装)或中
小型的PLC
  分布式控制的一个重要优点是逻辑分割,工程师可以方便地把不同设备的控制功能按设备分配
到不同的合适控制单元上,这样操作工可以根据需要对单个控制单元进行模块化的功能修改、下装
和调试。另一个优点是,各个控制单元分布安装在被控设备附近,既节省电缆,又可以提高该设备
的控制速度。一些DCS还包括分布式HMI就地操作站,人和机器将有机地融合在一起,共同完成一个
智能化工厂的各种操作。例如Emerson DeltaVFoxboro A2中的小模块结构、Ovation的分散模
块结构等。
  可以说,现在的DCS厂商已经越过炒作概念的误区,而是突出实用性。一套DCS可以适应多种现
场安装模式:或用现场总线智能仪表,或采用现场I/O智能模块就地安装(既节省信号电缆,又不用
昂贵的智能仪表),或采用柜式集中安装(特别适合改造现场)。一切由用户的现场条件决定,充
分体现为用户设想。
DCS
进入低成本时代
  DCS在上世纪80年代甚至90年代还是技术含量高、应用相对复杂、价格也相当昂贵的工业控制系
统。随着应用的普及,大家对信息技术的理解,DCS已经走出高贵的神秘塔,变成大家熟悉的、价格
合理的常规控制产品。
  第四代DCS的另一个显著特征就是各系统纷纷采用现成的软件技术和硬件(I/O处理)技术,采
用灵活的规模配置,明显地了降低系统的成本与价格。可以说,现在采用先进的DCS实现工业自动化
控制比原来采用常规的仪器仪表进行简单控制,用户投资增加不多,但是实现的功能却明显加强。
就控制站而言,原来一个物理信号处理平均1500元(人民币),而现在已经降到800元左右。过去国
DCS一般只适合于大中型的系统应用,在小型应用中成本很高,但第四代DCS都采用灵活的配置
,不仅经济地应用于大中型系统,而且应用于小系统也很合适。
DCS 
平台开放与服务专业化
  20年来,业界讨论非常多的一个概念就是开放性。过去,由于通信技术的相对落后,开放性是
困扰用户的一个重要问题。为了解决该问题,人们设想了多种方案,其中包括CIMS系统概念中的开
放网络(MAP 7层网络协议平台)。然而,MAP网络协议并没有得到真正的推广应用。而当代网络技
术、数据库技术、软件技术、现场总线技术的发展为开放系统提供了可能。各DCS厂家竞争的加剧
,促进了细化分工与合作,各厂家放弃了原来自己独立开发的工作模式,变成集成与合作的开发模
式,所以开放性自动实现了。
第四代DCS的开放性
  开放性体现在DCS可以从三个不同层面与第三方产品相互连接:在企业管理层支持各种管理软件
平台连接;在工厂车间层支持第三方先进控制产品SCADA平台、MES产品、BATCH 处理软件,同时支
持多种网络协议(以以太网为主);在装置控制层可以支持多种DCS单元(系统)、PLCRTU、各种
智能控制单元等,以及各种标准的现场总线仪表与执行机构。
  开放性的确有很多好处,但是在考虑开放性的同时,首先要充分考虑系统的安全性和可靠性。
因为生产过程的故障停车或事故造成的损失,可能比开放性选择产品所节省的成本要高得多。同时
注意,在选择系统设备时,先要确定系统的需求,然后根据需求选择必要的设备。尽量不要装备一
些不必要的功能,特别是网络功能和外设的选择一定要慎重。例如,我们在选择开放网络的同时
,遭到病毒或黑客袭击的可能就会加大;我们选择丰富的外设如光驱或软驱,就给操作人员提供了
装载无关软件(如游戏等)的机会等。这些都会导致系统瘫痪或其它致命故障。
  随着开放系统和平台技术的发展,产品的选择更加灵活,软件组态功能越来越强大并灵活,但
是每一个特定的应用都需要一个独特的解决方案,所以专业化的应用知识和经验是当今工业自动化
厂商或系统集成商成功的关键因素。各DCS厂家在努力宣传各自DCS技术优势的同时,更是努力宣传
自己的行业方案设计与实施能力。为不同的用户提供专业化的解决方案并实施专业化的服务,将是
今后各DCS厂家和系统集成商竞争的焦点,同时也是各厂家盈利的主要来源。
国产DCS技术应用概况
  目前,以和利时、浙大中控、上海新华为代表的国内DCS厂家经过10年的努力,各自推出自己的
DCS
系统:和利时推出MACSSmartpro第四代DCS系统、浙大中控推出Webfield(ECS)系统、新华推出
XDPF-400
系统。三家积极努力,通过竞争成功地将自主系统应用于各种工业现场,正在逐步取得用
户的认可。例如新华公司在火力发电方面取得显著成绩,浙大中控在化工控制等方面业绩突出,和
利时公司在核电、热电、化工、水泥、制药以及造纸等方面取得了一定的业绩。
  在中国的DCS市场上,三家国内厂商已经具备了相当的竞争能力。例如通过新华公司与和利时公
司在火电站控制领域的竞争以及和利时公司与浙大中控在化工等领域的竞争,使得国外的DCS纷纷降
价。可以说,三家公司最大的贡献是把国外的DCS价格降到了原来40%以下,为DCS在国内工业企业
的普及应用,特别是在中小型企业中的应用做出了贡献。
过程控制系统的发展历程
  50年前,过程控制是基于315psi的气动信号标准的基地式气动控制仪表系统,即第一代过程
控制体系结构(PCSPneumatic Control System);基于模拟电流信号标准010mA(420 mA)
电动单元组合式模拟仪表控制系统,即为第二代过程控制体系结构(ACSAnalogous Control
System
);20世纪70年代,由于使用了数字计算机,从而产生了集中式数字控制系统,即第三代过
程控制体系结构(CCSComputer Control System);20世纪80年代,微处理机的出现和应用,从
而产生了分布式控制系统,即第四代过程控制体系结构(DCSDistributed Control
System
);20世纪90年代,现场总线技术的出现产生了新的一代过程控制体系结构,即现场总线控
制系统FCS(Fieldbus Control System)
现场总线控制系统的优势
  现场总线被称为21世纪工业过程测控网络标准。它能够提供智能化、简单化、标准化的现场总
线设备接口,将使过程控制用户在低成本、易移植、易扩展这样一种友好的环境中进行系统设计、
安装和运行,给自动化领域带来了新的革命,有着广泛的应用领域和市场。
  现场总线产品是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互联的通信网络产
品,是现场通信网络与控制系统的集成。其关键不单单是一种通信技术,而是用现场总线控制系统
FCS)代替分布式控制系统(DCS)。
  与DCS相比较,FCS有多种优势:节省电缆和电缆桥架约60%,节约厂房面积;减少布线、安装调
试费用50%以上;节省二次开发费用,缩短开发周期,一次性投资可降低30%;备品备件种类明显减
少,维修更加方便;有利于企业实施综合自动化策略,使企业从粗放型向集约型转化。
  自20世纪80年代末以来,有几种现场总线技术已经逐渐发展成熟,并在一些特定的应用领域显
示了影响力和优势,它们是可寻址远程变换器数据链路HART(Highway Addressable Remote
Transducer)
、控制器局部网CAN(Controller Area Network)、局部操作网络LON(Local Operating
Network)
、过程现场总线PROFIBUS(Process Fieldbus)和基金会现场总线FF(Foundation
Fieldbus)
,这些现场总线各具特色,对于现场总线技术的发展发挥着重要作用。

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