關(guān)于DCS的回顧與展望

關(guān)于DCS的回顧與展望關(guān)鍵詞：DCS過程工業(yè)控制站操作站數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品生命周期集成技術(shù)一DCS的發(fā)展歷程1975年前后，大規(guī)模集成電路由4位微處理器發(fā)展成8位，在形成單板機(jī)產(chǎn)品投入工業(yè)應(yīng)用的同時，自動化儀表行業(yè)在原來采用中小規(guī)模集成電路而形成的直接數(shù)字控制器(DDC)的自控和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合陰極射線管(CRT)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)，開發(fā)出了以集中顯示操作、分散控制為特征的集散系統(tǒng)，后來逐漸統(tǒng)一稱為分散型控制系統(tǒng)(DCS)。在以后的20多年中，DCS產(chǎn)品雖然在原理上并沒有多少突破，但由于技術(shù)的進(jìn)步、外界環(huán)境變化和需求的改變，設(shè)計(jì)思想發(fā)展了，共出現(xiàn)了3代DCS產(chǎn)品。1975年至80年代前期為第一代產(chǎn)品，80年代中期至90年代前期為第二代產(chǎn)品，90年代中期至21世紀(jì)初為第三代產(chǎn)品。3代產(chǎn)品的區(qū)別，可從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)品換型年代不同及劃分產(chǎn)品年代(三四代)的觀點(diǎn)也不同，所以這有待進(jìn)一步商榷。關(guān)于控制站、操作站、通信網(wǎng)絡(luò)的情況，留待下述幾節(jié)論述?，F(xiàn)先就應(yīng)用和市場情況作一分析。70年代中期，過程工業(yè)發(fā)展很快，但由于設(shè)備大型化、工藝流程連續(xù)性要求高、要控制的工藝參數(shù)增多，而且條件苛刻，要求顯示操作集中等，使已經(jīng)普及的電動單元組合儀表不能完全滿足要求，在此情況下，業(yè)內(nèi)廠商經(jīng)過市場調(diào)查，確定開發(fā)的DCS產(chǎn)品應(yīng)以模擬量反饋控制為主，輔以開關(guān)量的順序控制和模擬量開關(guān)量混合型的批量控制(針對精細(xì)化工等行業(yè)的批量生產(chǎn)方式)，這們可以覆蓋煉油、石化、化工、冶金、電力、輕工及市政工程等大部分行業(yè)。由于當(dāng)時計(jì)算機(jī)并不普及，人們已習(xí)慣于常規(guī)自動化儀表的顯示操作，所以開發(fā)DCS應(yīng)強(qiáng)調(diào)用戶可以不懂計(jì)算機(jī)就能使用DCS；同時，用戶已習(xí)慣于在購置系統(tǒng)的同時配置自動化儀表，所以開發(fā)DCS還應(yīng)強(qiáng)調(diào)向用戶提供整個系統(tǒng)。此外，開發(fā)的DCS應(yīng)做到與中控室的常規(guī)儀表具有相同的技術(shù)條件，以保證可靠性、安全性。由此可見，當(dāng)時DCS是與常規(guī)儀表中的二次儀表(控制室儀表)共同分享市場份額的。DCS先與成套設(shè)備配套，而后逐步擴(kuò)大到工藝裝置改造上，與此同時，也分成大型DCS和中小型DCS兩類產(chǎn)品，使其性能價(jià)格比更具有競爭力。目前，世界上有數(shù)十家生產(chǎn)DCS的廠家，據(jù)ARC(AutomationResearchCorporation)1996年統(tǒng)計(jì)，下述排名前10家的公司占到80%以上的市場份額：Honeywell(21.6%)、ElsagBailay(12.6%，包括H&B公司)、ABB(9.7%)、Yokogawa(9.6%)、Foxboro-Eckardt(9.3%)、Fisher-Rosemount(6.0%)、YamatakeHoneywell(4.6%)、Siemens(4.0%)、Cegelec/AEGAutomationsystem(ATT)(3.2%)、Westinghouse(3.1%)。ARC把世界市場分成四大區(qū)，即北美、EMA(歐洲、中東、非洲)、日本、亞洲(日本以外)，其中亞洲(日本以外)的市場份額為：Honeywell(27.4%)、Yokogawa(12.6%)、Foxboro-Eckardt(11.4%)、ABB(8.1%)、ElsagBailay(6.4%)、Cegelec/ATT(5.5%)、Fisher-Rosemount(4.8%)、YamatakeHoneywell(4.2%)、其他公司19.6%。世界市場的DCS分析如表所示。ARC還對1997~2000年的市場進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖1所示(其中，一套小型DCS為10萬美元，30回路以下；一套中型DCS為50萬美元，150回路以下)。1996年整個DCS世界市場為70.08億美元，而2000年為96.37億美元；按地區(qū)分，北美占29%，EMA占31%，日本占14.5%，拉丁美洲占4%，亞洲(日本以外)占21.5%。1996年亞洲市場為11.388億美元，2000年為20.67億美元。其中小型DCS市場，1996年為0.64億美元，2000年為3.18億美元；中型DCS市場，1996年為2.94億美元，2000年為6.17億美元。由上可知，亞洲D(zhuǎn)CS市場的增長是較快的，2000年約為1996年的1.8倍以上。關(guān)于DCS應(yīng)用行業(yè)的分布，以日本國內(nèi)CENTUM系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐為例(如圖2所示)：化工(含石油化工)占50.74%，石油和天然氣占15.73%，鋼鐵占7.72%，水處理(自來水廠等)占4.81%，有色金屬占4.24%，紙漿和造紙占8.25%，其他占8.4%。當(dāng)然這個比例與日本國情有關(guān)，如其中未計(jì)入電力。一方面是橫河公司雖然在鍋爐控制方面的應(yīng)用實(shí)例很多，但總體而言，其產(chǎn)品并未進(jìn)入火力發(fā)電行業(yè)。實(shí)際上日本電力行業(yè)應(yīng)用DCS是比較多的，日本東芝、富士、三菱、日立等公司火力發(fā)電設(shè)備均由本公司產(chǎn)的DCS配套；日本貝利公司的DCS，在日本電力市場中占有率也較高。日本是比較重視DCS發(fā)展的國家，橫河公司在推出CS1000和CS3000之前，共生產(chǎn)1萬多套DCS，其中CENTUM約為4000套，其余為uXl和YEWPACK、YEWPACKMARKII中、小型DCS，僅uXl就向中國銷售2000多套。正是由于DCS產(chǎn)品的發(fā)展，帶動了整個日本自動化儀表行業(yè)的發(fā)展，日本內(nèi)需與出口之比約為3:1(大型DCS)或3:2(中小型DCS)。我國從70年代中后期起，首先由大型進(jìn)口設(shè)備成套中引入國外的DCS，首批有化纖、乙烯、化肥等進(jìn)口項(xiàng)目。同時國內(nèi)開始自己研制和設(shè)計(jì)選用國外的DCS，經(jīng)過20多年的努力，國內(nèi)已有多家生產(chǎn)DCS的廠家，其產(chǎn)品應(yīng)用于大中小各類過程工業(yè)企業(yè)，其中和利時、浙大中控、上海新華3家已具有相當(dāng)規(guī)模。目前國外DCS產(chǎn)品在國內(nèi)市場中占有率還較高，其中以采用Honeywell、橫河兩公司產(chǎn)品為多。國內(nèi)應(yīng)用DCS的行業(yè)以煉油、石化、化纖為多，已使用了700多套DCS，其他還有化工、冶金、電力、輕工等行業(yè)。我國石化行業(yè)應(yīng)用水平較高，自動投運(yùn)率在90%以上，維護(hù)水平也較高，目前正向充分發(fā)揮DCS性能和開展先進(jìn)控制和優(yōu)化的方向發(fā)展。我國DCS的市場增長率高，年增長率約為20%，據(jù)有關(guān)部門估計(jì)，DCS的年市場需求為30~35億元，由于DCS在石化行業(yè)大型自控裝置中近5年內(nèi)沒有可替代產(chǎn)品，所以今后幾年其市場增長率不會下降。據(jù)估計(jì)，到2005年，我國石化行業(yè)有1000多套裝置需要應(yīng)用DCS控制；電力系統(tǒng)每年新裝1000多萬千瓦發(fā)電機(jī)組，需要DCS實(shí)現(xiàn)監(jiān)控；并且不少企業(yè)已使用DCS近15~20年，需要改造和設(shè)備更新。所以，今后5年內(nèi)，DCS作為自動化儀表行業(yè)主要產(chǎn)品的地位不容置疑，但必須進(jìn)一步改善其功能，并兼容各種新技術(shù)，降低價(jià)格，提高應(yīng)用水平。二DCS控制站DCS系統(tǒng)中，控制站繼承了DDC技術(shù)，它是一個完整的計(jì)算機(jī)，實(shí)際運(yùn)行中可以在不與操作站及網(wǎng)絡(luò)相連的情況下，完成過程控制策略，保證生產(chǎn)裝置正常運(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位運(yùn)算方式；第二代DCS控制站采用精減指令系統(tǒng)(ReducedInstructionSetComputer,RISC)；第三代DCS控制站采用多CPU分別用于控制運(yùn)算、冗余切換、通信等操作?？刂普咀鳛橐粋€完整的計(jì)算機(jī)，它的主要I/O設(shè)備為現(xiàn)場的輸入、輸出處理設(shè)備，以及過程輸入/輸出(PI/O)，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/O數(shù)據(jù)傳輸、小型化、減少PI/O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D