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1、一 DCS的发展历程1975年前后，大规模集成电路由4位微处理器发展成8位，在形成单板机产品投入工业应用的同时，自动化仪表行业在原来采用中小规模集成电路而形成的直接数字控制器(DDC)的自控和计算机技术的基础上，结合阴极射线管(CRT)、数据通信技术，开发出了以集中显示操作、分散控制为特征的集散系统，后来逐渐统一称为分散型控制系统(DCS)。在以后的20多年中，DCS产品虽然在原理上并没有多少突破，但由于技术的进步、外界环境变化和需求的改变，设计思想发展了，共出现了3代DCS产品。1975年至80年代前期为第一代产品，80年代中期至90年代前期为第二代产品，90年代中期至21世纪初为第三代产品
2、。3代产品的区别，可从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、产品换型年代不同及划分产品年代(三四代)的观点也不同，所以这有待进一步商榷。关于控制站、操作站、通信网络的情况，留待下述几节论述。现先就应用和市场情况作一分析。70年代中期，过程工业发展很快，但由于设备大型化、工艺流程连续性要求高、要控制的工艺参数增多，而且条件苛刻，要求显示操作集中等，使已经普及的电动单元组合仪表不能完全满足要求，在此情况下，业内厂商经过市场调查，确定开发的DCS产品应以模拟量反馈控制为主，辅以开关量的顺序控制和模拟量开关量混合型
3、的批量控制(针对精细化工等行业的批量生产方式)，这们可以覆盖炼油、石化、化工、冶金、电力、轻工及市政工程等大部分行业。由于当时计算机并不普及，人们已习惯于常规自动化仪表的显示操作，所以开发DCS应强调用户可以不懂计算机就能使用DCS；同时，用户已习惯于在购置系统的同时配置自动化仪表，所以开发DCS还应强调向用户提供整个系统。此外，开发的DCS应做到与中控室的常规仪表具有相同的技术条件，以保证可靠性、安全性。由此可见，当时DCS是与常规仪表中的二次仪表(控制室仪表)共同分享市场份额的。DCS先与成套设备配套，而后逐步扩大到工艺装置改造上，与此同时，也分成大型DCS和中小型DCS两类产品，使其性能
4、价格比更具有竞争力。目前，世界上有数十家生产DCS的厂家，据ARC (Automation Research Corporation)1996年统计，下述排名前10家的公司占到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 Automation system(ATT)(3.2%)、W
5、estinghouse(3.1%)。ARC把世界市场分成四大区，即北美、EMA(欧洲、中东、非洲)、日本、亚洲(日本以外)，其中亚洲(日本以外)的市场份额为：Honeywell(27.4%)、Yokogawa(12.6%)、Foxboro-Eckardt (11.4%)、ABB(8.1%)、Elsag Bailay (6.4%)、Cegelec/ATT(5.5%)、Fisher-Rosemount(4.8%)、Yamatake Honeywell (4.2%)、其他公司19.6%。世界市场的DCS分析如表所示。 ARC还对19972000年的市场进行了统计，如图1所示(其中，一套小型DCS为1
6、0万美元，30回路以下；一套中型DCS为50万美元，150回路以下)。1996年整个DCS世界市场为70.08亿美元，而2000年为96.37亿美元；按地区分，北美占29%，EMA占31%，日本占14.5%，拉丁美洲占4%，亚洲(日本以外)占21.5%。1996年亚洲市场为11.388亿美元，2000年为20.67亿美元。其中小型DCS市场，1996年为0.64亿美元，2000年为3.18亿美元；中型DCS市场，1996年为2.94亿美元，2000年为6.17亿美元。由上可知，亚洲DCS市场的增长是较快的，2000年约为1996年的1.8倍以上。 关于DCS应用行业的分布，以日本国内CENTU
7、M系统应用实践为例(如图2所示)：化工(含石油化工)占50.74%，石油和天然气占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%，纸浆和造纸占8.25%，其他占8.4%。当然这个比例与日本国情有关，如其中未计入电力。一方面是横河公司虽然在锅炉控制方面的应用实例很多，但总体而言，其产品并未进入火力发电行业。实际上日本电力行业应用DCS是比较多的，日本东芝、富士、三菱、日立等公司火力发电设备均由本公司产的DCS配套；日本贝利公司的DCS，在日本电力市场中占有率也较高。日本是比较重视DCS发展的国家，横河公司在推出CS1000和CS3000之前，共生产1万多套
8、DCS，其中CENTUM约为4000套，其余为uXl和YEWPACK、YEWPACK MARKII中、小型DCS，仅uXl就向中国销售2000多套。正是由于DCS产品的发展，带动了整个日本自动化仪表行业的发展，日本内需与出口之比约为3:1(大型DCS)或3:2(中小型DCS)。我国从70年代中后期起，首先由大型进口设备成套中引入国外的DCS，首批有化纤、乙烯、化肥等进口项目。同时国内开始自己研制和设计选用国外的DCS，经过20多年的努力，国内已有多家生产DCS的厂家，其产品应用于大中小各类过程工业企业，其中和利时、浙大中控、上海新华3家已具有相当规模。目前国外DCS产品在国内市场中占有率还较高
9、，其中以采用Honeywell、横河两公司产品为多。国内应用DCS的行业以炼油、石化、化纤为多，已使用了700多套DCS，其他还有化工、冶金、电力、轻工等行业。我国石化行业应用水平较高，自动投运率在90%以上，维护水平也较高，目前正向充分发挥DCS性能和开展先进控制和优化的方向发展。我国DCS的市场增长率高，年增长率约为20%，据有关部门估计，DCS的年市场需求为3035亿元，由于DCS在石化行业大型自控装置中近5年内没有可替代产品，所以今后几年其市场增长率不会下降。据估计，到2005年，我国石化行业有1000多套装置需要应用DCS控制；电力系统每年新装1000多万千瓦发电机组，需要DCS实现
10、监控；并且不少企业已使用DCS近1520年，需要改造和设备更新。所以，今后5年内，DCS作为自动化仪表行业主要产品的地位不容置疑，但必须进一步改善其功能，并兼容各种新技术，降低价格，提高应用水平。二 DCS控制站DCS系统中，控制站继承了DDC技术，它是一个完整的计算机，实际运行中可以在不与操作站及网络相连的情况下，完成过程控制策略，保证生产装置正常运行。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
11、准32位运算方式；第二代DCS控制站采用精减指令系统(Reduced Instruction Set Computer, RISC)；第三代DCS控制站采用多CPU分别用于控制运算、冗余切换、通信等操作。控制站作为一个完整的计算机，它的主要I/O设备为现场的输入、输出处理设备，以及过程输入/输出(P I/O)，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/O数据传输、小型化、减少P I/O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
12、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
13、装；第三代DCS控制站的系统软件齐全，操作站或工程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。对于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，直到近年来才向IEC 61131-3编程语言标准靠拢。DCS系统的数据主要来自现场的信号和各种变量，在控制站中表现为与工位号对应的相关测量值(PV)、设定值(SV)、操作输出值(MV)及回路状态等。这些数据被采集到D
14、CS控制站相应的存储器里，构成实时数据。其他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储，而且有映像关系。至于历史数据存储，一般不是在DCS控制站完成。在完善DDC直接数字控制技术中，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的1s更短，如可以选用0.2 0.5s，以满足少数快速反应的控制对象的要求。对于第一代、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
15、其功能很强大，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、安全性强，所以“分散控制以消除危险”的初衷已很难体现。当然，对于一个有多套工艺装置和一个中控室的工厂，每套装置就近安装一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，以控制1632回路为限，分散性较易为人们所接受。目前小型DCS所占有的市场，已逐步与PLC、IPC、FCS共享，今后小型DCS可能首先与这3种系统融合，而且“软DCS”技术将首先在小型DCS中得到发展。控制站是整个DCS的基础，它的可靠性和安全性最为
16、重要，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、抗干扰、构成防爆系统等方面都应很有效而可靠，才能满足用户要求。多年的实践经验证明，绝大多数厂家的DCS控制站是能够胜任用户要求的。三 DCS操作站DCS操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高级语言功能等，其中工程师功能中包括系统组态、系统维护、系统通用(Utility)功能。实际的DCS操作站是典型的计算机，它与控制站不同，有着丰富的外围设备和人机界面。70年代中期，CRT显示器技术已成熟，以外部存储器温氏硬盘为特征，第二代DCS操作站还具有如下特点：操作站和工程师站(或称工作站)分开，也有公司将操作站的历史数据存储用硬盘(历史模件)和高级语言应用站(应用模件
