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DCS的發展及其在石油化工中的應用
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1、DCS的誕生及在石油化工等行業中的市場情況
20世紀70年代中期，大規模集成電路取得實破性的發展，8位微處理器普及，使自動化儀表工業發生巨大的變化，其中原來正處在十字路口的集中式計算機控制系統，很快吸收了微處理器技術，誕生了微機集散系統，全稱為微處理器的總體分散型控制系統（Total Distributed Control System with mu;p），在1975年首先由美國Honeywell公司發表了TDC2000總體分散型控制系統，其特征是完成8個回路控制的基本控制器（BC）可以分散的設置，通過數據高速公路（DHW）的數據總線把多臺BC與CRT（陰極射線管）操作站連接在一起，形成各節點都有計算機的分布式計算機控制系統，與其同時，美國、日本、英國、法國、加拿大等國都開發出相應的產品，相繼應用在以模擬量回路控制為主的系統中，應用行業遍及石油、化工、冶金、電力、輕工，建材、公用工程等各行業，這類產品統稱DCS（ Distributed Control System）。
70年代，煉油和石油化工這些以石油原油和天燃氣為原料的流程工業發展非常迅猛，如我國那個時期就引進了多套年產30萬噸乙烯為首的整套裝置，其它還有大型化肥、化纖、塑料合成橡膠等裝置，所以DCS在市場細分中以滿足石油化工等流程工業為主，這是市場的需要。在這些行業中，溫度、壓力、流量、液位的檢測和控制占了絕大部分，所以這些模擬量的數據采集和控制成為DCS的首先應滿足的功能，而DCS的前身（集中計算機控制系統），已有了成熟的DDC（直接數字控制）技術；此外石化工業中，在塔、釜、罐等大型工藝設備運轉中，少不了各種機電設備如風機、泵類及各種閥門的開關量的檢測和控制，所以開關量的順序控制也是很重要的，這是DCS應滿足的第二個功能；在石化工業中，反應罐等設備是間歇式工作的，即一批原料投入，經過反應，形成產品，產出后，經過間歇，再投第二批原料，這種批量控制是石化行業中不少產品的生產裝置的控制形式，這要求開關量、模擬量結合進行控制，現在也有稱它為混合控制系統（Hybrid Control System）。當然，除此三項控制功能外，還有人機界面友好、安全可靠、易于安裝、容易使用、便于維護、便于擴展和升級換代等要求。另外在石油化工大型裝置和中、小型裝置要求對應DCS產品又有所細分，所以產生了大型DCS和中小型DCS產品，而且各DCS廠家在應用實績方面也產生了細分市場，如有些廠家的DCS產品用于鍋爐控制能力更強，有些廠家的DCS用于海上采油平臺業績更多等等。目前，世界上有數十家DCS廠家，據美國ARC（Automation Research Corporation）1996年統計，下述排名前10家公司占到80%以上的市場份額：Honeywell（21.6%）、Elsag Bailay（12.6%，包括H amp;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%）。在亞洲（日本以外）的市場份額為：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對1996-2004年的DCS市場分析指出：亞洲DCS市場增長較快，1996年DCS整個世界市場為70.08億美元，2000年為96.37億美元，其中亞洲市場分別為11.388億美元和20.67億美元，即由亞洲占世界份額由16.25%增至21.45%，或稱亞洲2000年比1996年DCS市場增長了82%，即每年增長20%。其中小型DCS（10萬美元，30回路以下）增長最快，其次為中型DCS（50萬美元，150回路以下），具體見附表，事實表明，21世紀開放幾年亞洲形勢更好。
關于DCS應用行業的分布，以日本CENTVM系統應用實績為例：化工（含石油化工）占50.74%，石油和天燃氣占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%，紙槳和造紙占8.25%，其它占8.4%。當然這個比例與日本國情有關，如其中未計入電力行業應用DCS，這是因為橫河公司雖然在鍋爐控制方面應用實例很多，但多屬于石化等企業內工業鍋爐和自備電廠鍋爐，而未進入火力發電廠、原子能發電廠等電力行業。而日本電力行業應用DCS是比較多的，日本東芝、富士、日立、三菱等公司火力發電設備均由本公司產的DCS配套，又日本貝利公司的DCS，在日本電力市場中占有率也較高。
我國在大型進口設備成套中引入國外的DCS及石化等行業改造中設計采用國外DCS以外，經過20多年的努力，國內已有多家生產DCS的廠家，其中和利時、浙江中控、上海新華3家已具有相當規模。國內石化行業已使用國內外出產的700多套DCS，應用水平也較高，自動投運率在90%以上，目前正向充分發揮DCS功能和開展先進控制和優化方向發展。據估計，由于DCS在石化行業大中型自控裝置中近5年內沒有可替代產品，到2005年，我國石化行業要有1000多套裝置需要應用DCS控制，而設備更新改造擴容也需要擴大原來DCS系統，至於日常維護、備品備件，那也是很可觀的，所以今后一段時間內，DCS在石化行業中的重要性是不容置疑的，但改善功能、兼容新技術、降低價格、提高應用水平、改善服務水平的任務也迫在眉睫的。
2、近30年來DCS的發展
近30年來，DCS產品雖然在基本原理和產品市場定位上沒有根本上的改變，但隨著技術的進步、外界環境和市場需求的變化，設計思想也相應發展，如橫河公司為了生存，從1975年發表的CENTVM系統至現在的CENTVM CS 3000R3，已經有16代了，其它公司也是如此。從宏觀上看，DCS經歷了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世紀初。3代產品的區別可以從DCS的三大部分，即控制站、操作站和通信網絡的發展來判斷。當然，由于產品生命周期是個復雜的問題，加之各DCS生產廠家情況不同，產品換型年代不同，所以劃分產品的年代（3-4代的）觀點也不盡相同，所以以下分析，權作商榷。
（1）控制站
DCS系統中，控制站繼承了DDC（直接數字控制）技術，它是一個完整的計算機，實際運行中可以暫時在不與操作站及網絡相連的脫機情況下，完成過程控制策略，保證生產裝置運行。從計算機系統結構來說，控制站屬于過程控制專用計算機，其特點是第一代采用8位微處理器，第二代采用16位微處理器，第三代采用32位（直至64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16位和準32位或64位運算方式。第二代DCS控制站采用精簡指令系統（RISC，Reduced Instruction Set Computer）。第三代DCS控制站已采用多CPV分別用于控制、通信、冗余切換等操作。
控制站作為一個完整的計算機，它的主要I/0設備為現場的輸入、輸出處理設備，即過程輸入/輸出（PI/0），包括信號變換與信號調理，A/D、D/A轉換。它在第二代和第三代產品中已陸續采用了嵌入式技術，并采用單片機等完成量程調整，遠程I/0數據傳輸、小型化、減少PI/0卡硬件規格等功能，直至連接智能化的現場變送器或接受采用現場總線技術的數字信號。在信號變換過程中采用隔離技術以防止來自現場的干擾信號，這是至關重要的；與現場連接的端子及輸入、輸出信號的物理位置的方便確認，也是用戶非常關心的。這些在DCS控制站的更新換代中，都有很大改進。在這方面，原來生產自動化儀表的廠家表現尤佳，所以說DCS是繼承了自動化儀表技術的計算機系統。
關于DCS控制站的系統軟件，原則上也有實時操作系統、編程語言及編譯系統、數據庫系統、自診斷系統等，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調節器，而且每個控制站都可以配置人機界面和備用操作器；第二代DCS控制站的實時操作系統及程序編譯系統比較完整，編程語言有面向過程語言和高級語言，控制策略的組態由操作站或工作站在與控制站聯機的情況下，完成編譯和下裝；第三代DCS控制站的系統軟件齊全，操作站或工師站可以完成離線組態及在線修改控制策略。
為了完成控制策略，實現對應功能模塊及模塊之間連接的功能，可構成反饋控制回路，這在3代DCS控制站中變化不大，而且是不斷積累完善的過程，如PID算法等典型的數值計算就是如此。目前典型的功能模塊有50多種，這是DCS廠家的專有技術。對於順序控制和批量控制組態編程，各種DCS控制站采用不同的方法，直到近來才向IEC 61131-3編程語言標準靠攏。
DCS系統的數據主要為來自現場的信號和各種變量，在控制站中表現為與工位號（TAG）對應的相關的測量值（PV）、設定值（SV）、操作輸出值（MV）及回路狀態（AVTO/MAV/CAS）等。這些數據在DCS控制站相應的存儲器里，構成實時數據，其它屬于與工位號有關的組態信息，如量程、工程單位、回路連接信息、順序控制信息等，也在控制站中存儲，但同時必須在操作站或工程師站中存貯，而且有映像關系，至於歷史數據存貯，一般不是在DCS控制站中。
在完善的DDS技術中，對A/D、D/A轉換及控制算法，分別引入掃描周期和控制周期概念，在第二代、第三代DCS控制站中，掃描周期可以比缺省值1秒更短（注意1秒對一般溫度的等物理量的測量控制是足夠的），如可以選用0.2-0.5秒，以滿足少數反應快的控制對象的要求。
對於第一代、第二代DCS控制站，為了完成回路控制以外的順序控制、批量控制及數據采集，分別開發了不同型號、規格的控制站產品；而第三代控制站因為其功能強大，對開關量和模擬量處理能力很強，所以一般不做區分。大型DCS的一臺控制站可以完成上百個回路的控制，其容錯技術完善，可靠性高，所以 quot;分散控制以消除危險 quot;的初衷已很難體現。當然對於一個工廠只有一個中央控制室及多套工藝裝置，而且每套裝置就近安裝1-2臺控制站的大系統來說，這也是一種分散型控制，只是對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回路幾種型式，分散性較易為人們接受。目前小型DCS系統所占有的市場，已逐步與PLC、IPC、FCS、I/0系統共享，今后小型DCS可能首先與這些系統融合，而且 quot;軟DCS quot;技術將得到發展。
控制站是整個DCS的基礎，它的可靠性和安全性最為主要，死機和控制失靈的現象是絕對不允許的，而且冗余、掉電保護、抗電磁干擾、構成防爆系統等方面都有效而可靠，才能滿足用戶要求。以后DCS廠家在通信網絡、操作站、工程師站幾方面制作逐步開放或可以互換并以提供 quot;解決方案 quot;為主時，作為制造廠，仍應保持控制站的軟硬件的生產專有，因為這是傳統DCS或稱常規DCS的根本。
（2）操作站和工程師站
DCS系統形成初期操作站各工程師站合一，即操作站具有操作員功能、工程師功能、通信功能和高級語言功能等。其中工程師功能中包括系統組態、系統維護、系統通用（Vtility）功能。
DCS操作站是典型的計算機，有著豐富的外圍設備和人機界面，70年代中期，主要是在原小型計算機基礎上開發的，此時CRT陰極射線管技術已成熟，但外部存貯器溫氏硬盤技術至80年代才普及，所以第一代操作站采用CRT技術為特征，第二代操作站以采用溫氏硬盤為特征，第二代DCS操作站還具有如下特征：操作站和工程師站（或稱工作站）分開，也有公司將操作站的歷史數據存儲用硬盤（歷史模件）和高級語言應用站（應用模件）分別獨立掛在通信網絡上；操作系統采用DCS系統以外，有的產品采用Unix等操作系統；實時數據庫的性能逐漸完善；在人機界面即流程圖畫面方面，也由半圖形方式、全圖形方式過程為目標圖形方式，以GVI圖形用戶界面為平臺，并采用鼠標，而且在工程師站中進行控制策略組態和制作流程圖畫面采用菜單、窗口、CAD技術等，使人機界面友好。第三代DCS操作站是在個人計算機（PC）及Windows操作系統普及和通用監控圖形軟件已商品化的基礎上誕生的，面對用戶要求的DCS系統應具有開放性，便于系統集成各操作，與Windows技術其一致等。目前大多數DCS操作站和工程師站已采用高檔PC機或工控機，Windows NT（或Windows98以上）操作系統、客戶機/服務器（C/S）結構、DDC（動態數據交換）或OPC（用于過程控制對象鏈接嵌入）接口技術，可通過以太網接口與管理網絡相連。在采用通過監控圖形軟件（如 iFIX、Intouch）這一點上，各DCS廠家做法不一，有的廠家以此為平臺，形成“軟DCS”操作站，這多用于中小型DCS系統，或以此類軟件為核心，進行二次開發；有的廠家對原來的組態軟件進行改造 ，使之符合上述特點，滿足系統開放要求。操作站要實現其多項功能，必須完成數據組織和存儲兩方面任務，如與工位號相關的一些數據，在操作站中要對由某控制站某端子與現場儀表相連的，由物理位置決定的工位規定工位號（即特征號或標簽Tag）各工位說明（可以用漢字），使之與工藝對象一致，以保證工藝操作人員的操作，工位號可以在整個系統中通用。其它還有系統配置、操作標記、趨勢記錄、歷史數據管總貌畫面組態、工藝單元或區域組態等，這些均組織成文件，最終形成數據庫，存儲在硬盤的相應區域，使數據具有獨立性和共享性、保證數據的實時性、完整性和安全性。
DCS系統組態、操作站組態、控制站組態（上小節中已講到）均有相應軟件，為DCS用戶的工程設計人員提供人機界面。在工程設計中，第一代、第二代DCS均采用先讓DCS用戶的工程設計人員填寫工作單或繪制組態圖（或稱SAMA圖），再在操作站或工程師站上鍵入生成，形成應用軟件，同時拷貝出軟盤的方式。在第三代DCS中，逐步向無紙化和在PC機上完成工程設計的方式過程。
操作員的操作主要依靠流程圖畫面和標準的總貌畫面，分組畫面等，采用標準鍵盤、鼠標和操作員專用鍵盤，這是DCS的特點，要經過專門培訓才能被工藝操作人員接受。在多屏幕的情況下，操作的最后有效原則，各屏幕畫面等同化顯示及按工位號調用或按專用鍵調出畫面的速度或畫面定時刷新問題，報警按時序顯示記錄或SOE事件順序記錄，都陸續得到解決。操作站死機現象時有發生，當然這與DCS制造工藝、用戶使用操作等都有關系，但從操作站的操作系統上解決問題才是徹底的方法。目前，這個問題已經不嚴重，但要徹底解決，還有待時日。
（3）數據通信及網絡
上兩節所述控制站、操作站、工程師站，均為通信網絡的節點，DCS網絡上的節點還可能有上位機（或稱高級控制計算站）、與工廠管理網相連的網關等。DCS網絡是DCS的生命線，在DCS整個系統的實時性、可靠性和可擴充性方面起著重要的作用。在DCS系統誕生時，主要解決一個生產裝置中幾個控制站和一個或幾個操作站之間的數據通信問題；第二代DCS則解決了多個裝置的DCS互聯問題；第三代DCS則解決一個工廠的多個車間互聯及與全廠計算機管理網絡互聯的問題。
在石化行業，DCS一直多用在一個生產裝置范圍內的多機通信系統中，而且控制站和操作站、工程師站均集中放置在控制室內。而DCS的數據通信一般從初期的數據高速公路起多可長達1km，所以這方面有點浪費。鑒於石化行業的習慣，全廠各生產車間用DCS的通信總線相連的實例較少，所以在第三代DCS中通信功能的發展是與全廠管理網絡（以太網）技術相融合，逐漸實現通信網絡由多重結構向扁平化過渡，所以，第三代DCS的通信系統特點是具有開放性。
DSC系統的規模與通信能力有關系，但是用這作為劃分第一、二代DCS的方法還不妥，應說第一、二代DCS的信道和傳輸速率有變化，即第一代DCS采用雙絞線信道或同軸電纜，速率在1Mb/s以下，第二代DCS采用同軸電纜或光纖，通信速率為1-10Mb/s。也有人認為，第一代DCS通信為數據高速公路，第二代DCS通信為局域網。有些DCS廠家還把DCS系統構成多種總線互聯的結構，如Honeywell公司把70年代的DHW（Data High Way）總線經HG與LCN相連，第二代的VCN總線經NIM與LCN相連，近來又將LCN改造成TPN（TPS過程網絡），這樣同解決了70年代、80年代、90年代產品的互聯問題，既保證了系統的擴展性，又保護了用戶的初期投資。
至此，已經看出DCS通信問題的復雜性。在70年代中期，數字通信剛開始普及，但僅限于電信行業，工業用戶迫切要求成套地提供DCS系統，而當時只有一些大的計算機廠家提出數據傳輸規程（協議），并無統一的用於工業的數據通信標準，所以各DCS廠家都以專利形式發表（或購買）DCS通信技術。因為數據通信標準牽涉到網絡結構、通信介質（信道）、通信協議、不同用戶行業的行規等方面所以直至目前也沒有工業（或流程工業）網絡的完整的統一標準。當然到目前為止，IEEE802.4令牌總線傳輸方式的通信協議和IEEE802.5令牌環網傳 輸方式的通信協議在DCS系統中應用最廣，又近年來因為采用以太網的互聯網的普及以太網技術的提升，IEEE802.3辦公自動化用局域網標準（人們俗稱以太網標準）在DCS系統中已有多家采用，而上述三種標準僅涉及到物理層和數據鏈路層（請見7層模型）；國際標準化組織（ISO）提出的開放系統互聯（OSI）參數模型，即ISO/0I7層模型（物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層），規定了通信過程分段和網絡功能分層；另外，就是現在工業以太網的一些在以太網技術基礎上的通信協議，其中應用較廣的為Ethernet/IP，它在網絡層和傳輸層有TCP/IP協議簇（傳輸控制協議和網絡互連協議）及VDP/IP（用戶數據協議和網絡互連協議）共存共融，發展勢頭較猛。以上三方面的標準和協議是我們討論DCS通信標準化或開放性的共同語言，僅此而已！
說到開放性，它的基本特征是開放的系統應在保證信息安全的前提下具有可移植性、互操作性、廣泛性和可得可用性，拿這個特征來衡量以太網及它形成的Internet和Intranet，可以說它基本具有開放性。所以目前DCS應該在與其互聯上下功夫，使之在系統集成的大環境下，摘掉DCS“孤島”的帽子。
3、DCS在石油化工中應用的幾個問題
到目前為止，用戶對DCS所存在的問題，有3個方面的意見是一致的，即系統開放性問題；與現場傳感器、變送器、執行器的接線問題；價格較貴問題。這些問題在第三代DCS中已開始得到解決。在21世紀，新一代的DCS應滿足用戶這方面的需求。下面談談在石油化工行業中應用DCS兩個問題。
（1）選型問題
石化行業在應用DCS中，無論新建項目或是改造項目，首先是DCS的選型問題。監於各種DCS有其通用性，而且參與競爭的DCS廠家或系統集成商較多，所以各設計院或業主在標書中均不指定DCS的型號，只規定I/0點數、控制回路數、控制室與現場工藝裝置之間的物理位置、人機界面要求、先進控制或數學模型優化等方面的要求、與整個企業管理網絡之間關系等項要求，標書中為了顯示公平、公正、公開的原則，還提出DCS應符合各種標準或特殊的性能指標等等。這里要提醒買方，由於這些年國產DCS水平提高，應在標準和各項特殊指標和投標資格的規定方面給以重視，如以往在標書中多列出國際或國外的各項標準，而對國內DCS等相關標準重視不夠或不了解，如目前國內DCS是依據GB/T、18271.1-2000、GB/T、18271.2-2000、GB/T、18271.3-2000過程測量和控制裝置通用性能評定方法和程序等標準，這應列入標書中，這種要求是正當的，正直的。
關於業績問題，這是DCS選型和投標方資格論證的一個敏感問題。DCS的功能比較復雜，DCS開發過程是針對不同行業的，而且具體的工程項目的要求也很多，很難對DCS作唯一的選擇，所以如某DCS用於本類工程較多，這樣業主選用該DCS，選型風險就比較小，這是合情合理的。但國產DCS歷史較短，在某些行業大型工藝裝置上使用的業績較少或沒有，所以“實績”這個門檻問題還要具體情況具體分析，如某國產DCS可靠性很高，在類似工藝的中小裝置上應用很好，又有系統擴充能力等再加上國產DCS廠家，掌握原程序，可以按照業主要求增加某些特殊功能等，所以在同等價格的條件下，可以參加竟爭。
（2）服務問題
DCS發展到今，DCS廠家的硬件、軟件自己生產的部分愈來愈少，而提供全面解決方案（Solutions），卻成了時髦的口號，這其中包括了多項軟技術，所以服務問題成了DCS廠家或系統集成商的新亮點。如何全面的為用戶服務呢？對一個工程項目來說，包括前服務、中服務、后服務。DCS是技術含量很高的產品，所以在合同簽訂前的方案認證、報價，技術談判等方面，DCS是廠家應無償的服務；在合同簽訂后，開工后、投產前硬件方案最終確認，軟件（指系統組態等）編制和鍵入生成，整機出廠前的驗收，工程技術人員和操作人員的技術培訓等中期服務是義不容辭的；貨到現場后的開箱驗收、整機現場安裝通電驗收、回路靜態連調、順序控制邏輯關系的確認。直至整個工藝裝置開車中系統投運的指導，程序修改后的拷貝和工程驗收，這是后服務。后服務可以延伸至保質期內的維修服務（無償）及以后的日常運行中的有償維修服務（全球24小時響應）等及Intermet網遠程服務。這些都是現在應該享受的，這是DCS廠家或系統集成商的義務。這方面國內DCS廠家應該有條件做得更好，而且前正是弱項，應該迎頭趕上。
所謂工程就應該有頭有尾，我們應該把DCS工程有始有終的做好，搞好服務，使DCS工程經濟效益、社會效益雙豐收。
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