1,、DCS的誕生及在石油化工等行業(yè)中的市場(chǎng)情況

    　20世紀(jì)70年代中期,，大規(guī)模集成電路取得實(shí)破性的發(fā)展，8位微處理器普及,，使自動(dòng)化儀表工業(yè)發(fā)生巨大的變化,，其中原來(lái)正處在十字路口的集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，很快吸收了微處理器技術(shù),，誕生了微機(jī)集散系統(tǒng),，全稱(chēng)為微處理器的總體分散型控制系統(tǒng)(Total Distributed Control System with μp)，在1975年首先由美國(guó)Honeywell公司發(fā)表了TDC2000總體分散型控制系統(tǒng),，其特征是完成8個(gè)回路控制的基本控制器(BC)可以分散的設(shè)置,，通過(guò)數(shù)據(jù)高速公路(DHW)的數(shù)據(jù)總線把多臺(tái)BC與CRT(陰極射線管)操作站連接在一起，形成各節(jié)點(diǎn)都有計(jì)算機(jī)的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),，與其同時(shí),，美國(guó)、日本,、英國(guó),、法國(guó)、加拿大等國(guó)都開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品,，相繼應(yīng)用在以模擬量回路控制為主的系統(tǒng)中,，應(yīng)用行業(yè)遍及石油、化工,、冶金,、電力、輕工,，建材,、公用工程等各行業(yè),，這類(lèi)產(chǎn)品統(tǒng)稱(chēng)DCS( Distributed Control System)。
   
    　70年代,，煉油和石油化工這些以石油原油和天燃?xì)鉃樵系牧鞒坦I(yè)發(fā)展非常迅猛,，如我國(guó)那個(gè)時(shí)期就引進(jìn)了多套年產(chǎn)30萬(wàn)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(chǎng)細(xì)分中以滿(mǎn)足石油化工等流程工業(yè)為主,，這是市場(chǎng)的需要,。在這些行業(yè)中，溫度,、壓力,、流量、液位的檢測(cè)和控制占了絕大部分,，所以這些模擬量的數(shù)據(jù)采集和控制成為DCS的首先應(yīng)滿(mǎn)足的功能,，而DCS的前身(集中計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng))，已有了成熟的DDC(直接數(shù)字控制)技術(shù),；此外石化工業(yè)中,，在塔、釜,、罐等大型工藝設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中,，少不了各種機(jī)電設(shè)備如風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)及各種閥門(mén)的開(kāi)關(guān)量的檢測(cè)和控制,，所以開(kāi)關(guān)量的順序控制也是很重要的,，這是DCS應(yīng)滿(mǎn)足的第二個(gè)功能；在石化工業(yè)中,，反應(yīng)罐等設(shè)備是間歇式工作的,，即一批原料投入，經(jīng)過(guò)反應(yīng),，形成產(chǎn)品,，產(chǎn)出后，經(jīng)過(guò)間歇,，再投第二批原料,，這種批量控制是石化行業(yè)中不少產(chǎn)品的生產(chǎn)裝置的控制形式，這要求開(kāi)關(guān)量,、模擬量結(jié)合進(jìn)行控制,，現(xiàn)在也有稱(chēng)它為混合控制系統(tǒng)(Hybrid Control System)。當(dāng)然,，除此三項(xiàng)控制功能外,，還有人機(jī)界面友好,、安全可靠、易于安裝,、容易使用,、便于維護(hù)、便于擴(kuò)展和升級(jí)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(duì)應(yīng)DCS產(chǎn)品又有所細(xì)分，所以產(chǎn)生了大型DCS和中小型DCS產(chǎn)品,，而且各DCS廠家在應(yīng)用實(shí)績(jī)方面也產(chǎn)生了細(xì)分市場(chǎng),，如有些廠家的DCS產(chǎn)品用于鍋爐控制能力更強(qiáng)，有些廠家的DCS用于海上采油平臺(tái)業(yè)績(jī)更多等等,。目前,，世界上有數(shù)十家DCS廠家，據(jù)美國(guó)ARC(Automation Research Corporation)1996年統(tǒng)計(jì),，下述排名前10家公司占到80%以上的市場(chǎng)份額：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 Automatic System(ATT)(3.2%),、Westinghouse(3.1%)。在亞洲(日本以外)的市場(chǎng)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(duì)1996-2004年的DCS市場(chǎng)分析指出：亞洲D(zhuǎn)CS市場(chǎng)增長(zhǎng)較快,，1996年DCS整個(gè)世界市場(chǎng)為70.08億美元,，2000年為96.37億美元，其中亞洲市場(chǎng)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(chēng)亞洲2000年比1996年DCS市場(chǎng)增長(zhǎng)了82%,，即每年增長(zhǎng)20%。其中小型DCS(10萬(wàn)美元,，30回路以下)增長(zhǎng)最快,，其次為中型DCS(50萬(wàn)美元，150回路以下),，具體見(jiàn)附表,，事實(shí)表明，21世紀(jì)開(kāi)放幾年亞洲形勢(shì)更好,。
    
   　 關(guān)于DCS應(yīng)用行業(yè)的分布,，以日本CENTVM系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)績(jī)?yōu)槔夯?含石油化工)占50.74%，石油和天燃?xì)庹?5.73%,，鋼鐵占7.72%,，水處理(自來(lái)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(dāng)然這個(gè)比例與日本國(guó)情有關(guān),，如其中未計(jì)入電力行業(yè)應(yīng)用DCS,，這是因?yàn)闄M河公司雖然在鍋爐控制方面應(yīng)用實(shí)例很多，但多屬于石化等企業(yè)內(nèi)工業(yè)鍋爐和自備電廠鍋爐,，而未進(jìn)入火力發(fā)電廠,、原子能發(fā)電廠等電力行業(yè)。而日本電力行業(yè)應(yīng)用DCS是比較多的,，日本東芝,、富士、日立,、三菱等公司火力發(fā)電設(shè)備均由本公司產(chǎn)的DCS配套,，又日本貝利公司的DCS，在日本電力市場(chǎng)中占有率也較高,。

   　 我國(guó)在大型進(jìn)口設(shè)備成套中引入國(guó)外的DCS及石化等行業(yè)改造中設(shè)計(jì)采用國(guó)外DCS以外,，經(jīng)過(guò)20多年的努力，國(guó)內(nèi)已有多家生產(chǎn)DCS的廠家,，其中和利時(shí),、浙江中控、上海新華3家已具有相當(dāng)規(guī)模,。國(guó)內(nèi)石化行業(yè)已使用國(guó)內(nèi)外出產(chǎn)的700多套DCS,，應(yīng)用水平也較高，自動(dòng)投運(yùn)率在90%以上，目前正向充分發(fā)揮DCS功能和開(kāi)展先進(jìn)控制和優(yōu)化方向發(fā)展,。據(jù)估計(jì),，由于DCS在石化行業(yè)大中型自控裝置中近5年內(nèi)沒(méi)有可替代產(chǎn)品，到2005年,，我國(guó)石化行業(yè)要有1000多套裝置需要應(yīng)用DCS控制,，而設(shè)備更新改造擴(kuò)容也需要擴(kuò)大原來(lái)DCS系統(tǒng)，至於日常維護(hù),、備品備件,，那也是很可觀的，所以今后一段時(shí)間內(nèi),，DCS在石化行業(yè)中的重要性是不容置疑的,，但改善功能、兼容新技術(shù),、降低價(jià)格,、提高應(yīng)用水平、改善服務(wù)水平的任務(wù)也迫在眉睫的,。

    　溫故而知新,，讓我們順著DCS的發(fā)展軌跡來(lái)了解DCS吧！

2,、近30年來(lái)DCS的發(fā)展

   　 近30年來(lái),，DCS產(chǎn)品雖然在基本原理和產(chǎn)品市場(chǎng)定位上沒(méi)有根本上的改變，但隨著技術(shù)的進(jìn)步,、外界環(huán)境和市場(chǎng)需求的變化,，設(shè)計(jì)思想也相應(yīng)發(fā)展，如橫河公司為了生存,，從1975年發(fā)表的CENTVM系統(tǒng)至現(xiàn)在的CENTVM CS 3000R3,，已經(jīng)有16代了,，其它公司也是如此,。從宏觀上看，DCS經(jīng)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(jì)初。3代產(chǎn)品的區(qū)別可以從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(lái)判斷。當(dāng)然,，由于產(chǎn)品生命周期是個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題,，加之各DCS生產(chǎn)廠家情況不同，產(chǎn)品換型年代不同,，所以劃分產(chǎn)品的年代(3-4代的)觀點(diǎn)也不盡相同,，所以以下分析,，權(quán)作商榷。

    　(1) 控制站

    　DCS系統(tǒng)中,，控制站繼承了DDC(直接數(shù)字控制)技術(shù),，它是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)，實(shí)際運(yùn)行中可以暫時(shí)在不與操作站及網(wǎng)絡(luò)相連的脫機(jī)情況下,，完成過(guò)程控制策略,，保證生產(chǎn)裝置運(yùn)行。從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),，控制站屬于過(guò)程控制專(zhuān)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(直至64位)微處理器,，這對(duì)于中小型DCS控制器來(lái)說(shuō)比較確切。大型DCS控制站對(duì)中央處理器要求較高,，必須為專(zhuān)用的處理器,，準(zhǔn)16位和準(zhǔn)32位或64位運(yùn)算方式。第二代DCS控制站采用精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)(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(gè)完整的計(jì)算機(jī)，它的主要I/0設(shè)備為現(xiàn)場(chǎng)的輸入,、輸出處理設(shè)備,，即過(guò)程輸入/輸出(PI/0)，包括信號(hào)變換與信號(hào)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/0數(shù)據(jù)傳輸、小型化,、減少PI/0卡硬件規(guī)格等功能,，直至連接智能化的現(xiàn)場(chǎng)變送器或接受采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的數(shù)字信號(hào)。在信號(hào)變換過(guò)程中采用隔離技術(shù)以防止來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的干擾信號(hào),，這是至關(guān)重要的,；與現(xiàn)場(chǎng)連接的端子及輸入、輸出信號(hào)的物理位置的方便確認(rèn)，也是用戶(hù)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(lái)生產(chǎn)自動(dòng)化儀表的廠家表現(xiàn)尤佳,，所以說(shuō)DCS是繼承了自動(dòng)化儀表技術(shù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

   　 關(guān)于DCS控制站的系統(tǒng)軟件,，原則上也有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),、編程語(yǔ)言及編譯系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),、自診斷系統(tǒng)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(diào)節(jié)器,，而且每個(gè)控制站都可以配置人機(jī)界面和備用操作器,；第二代DCS控制站的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及程序編譯系統(tǒng)比較完整，編程語(yǔ)言有面向過(guò)程語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言,，控制策略的組態(tài)由操作站或工作站在與控制站聯(lián)機(jī)的情況下,，完成編譯和下裝；第三代DCS控制站的系統(tǒng)軟件齊全,，操作站或工師站可以完成離線組態(tài)及在線修改控制策略,。

　　為了完成控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能模塊及模塊之間連接的功能,，可構(gòu)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(guò)程,，如PID算法等典型的數(shù)值計(jì)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(zhuān)有技術(shù),。對(duì)於順序控制和批量控制組態(tài)編程,，各種DCS控制站采用不同的方法，直到近來(lái)才向IEC 61131-3編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)靠攏,。

   　 DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要為來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)和各種變量,，在控制站中表現(xiàn)為與工位號(hào)(TAG)對(duì)應(yīng)的相關(guān)的測(cè)量值(PV),、設(shè)定值(SV),、操作輸出值(MV)及回路狀態(tài)(AVTO/MAV/CAS)等。這些數(shù)據(jù)在DCS控制站相應(yīng)的存儲(chǔ)器里,，構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),，其它屬于與工位號(hào)有關(guān)的組態(tài)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(chǔ),，但同時(shí)必須在操作站或工程師站中存貯,，而且有映像關(guān)系，至於歷史數(shù)據(jù)存貯,，一般不是在DCS控制站中,。
    
   　 在完善的DDS技術(shù)中，對(duì)A/D,、D/A轉(zhuǎn)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(duì)一般溫度的等物理量的測(cè)量控制是足夠的)，如可以選用0.2-0.5秒,，以滿(mǎn)足少數(shù)反應(yīng)快的控制對(duì)象的要求,。
   
 　   對(duì)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(shù)據(jù)采集，分別開(kāi)發(fā)了不同型號(hào),、規(guī)格的控制站產(chǎn)品,；而第三代控制站因?yàn)槠涔δ軓?qiáng)大，對(duì)開(kāi)關(guān)量和模擬量處理能力很強(qiáng),，所以一般不做區(qū)分,。大型DCS的一臺(tái)控制站可以完成上百個(gè)回路的控制，其容錯(cuò)技術(shù)完善,，可靠性高,，所以"分散控制以消除危險(xiǎn)"的初衷已很難體現(xiàn)。當(dāng)然對(duì)於一個(gè)工廠只有一個(gè)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(tái)控制站的大系統(tǒng)來(lái)說(shuō),，這也是一種分散型控制，只是對(duì)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(tǒng)所占有的市場(chǎng)，已逐步與PLC,、IPC,、FCS、I/0系統(tǒng)共享,，今后小型DCS可能首先與這些系統(tǒng)融合,，而且"軟DCS"技術(shù)將得到發(fā)展。
   
   　 控制站是整個(gè)DCS的基礎(chǔ),，它的可靠性和安全性最為主要,，死機(jī)和控制失靈的現(xiàn)象是絕對(duì)不允許的，而且冗余,、掉電保護(hù),、抗電磁干擾、構(gòu)成防爆系統(tǒng)等方面都有效而可靠,，才能滿(mǎn)足用戶(hù)要求,。以后DCS廠家在通信網(wǎng)絡(luò)、操作站,、工程師站幾方面制作逐步開(kāi)放或可以互換并以提供"解決方案"為主時(shí),，作為制造廠，仍應(yīng)保持控制站的軟硬件的生產(chǎn)專(zhuān)有,，因?yàn)檫@是傳統(tǒng)DCS或稱(chēng)常規(guī)DCS的根本,。