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DCS的发展及其在石油化工中的应用

作者:时间:2013-12-07来源:网络收藏
1、的诞生及在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( Distributed Control System)。

70年代,炼油和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,所以在市场细分中以满足等流程工业为主,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HB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)增长最快,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,原来生产的厂家表现尤佳,所以说DCS是继承了技术的计算机系统。

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最为主要,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。

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