1、DCS技術(shù)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀
DCS自1975年問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展，雖然在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)上沒(méi)有發(fā)生重大改變，但是經(jīng)過(guò)不斷地發(fā)展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。總的來(lái)說(shuō)，DCS正在向著更加開(kāi)放和高度集成、更加標(biāo)準(zhǔn)化和智能化的方向發(fā)展。
1.1 DCS的發(fā)展歷史
1975年至20世紀(jì)80年代前期為第一代產(chǎn)品。1975年美國(guó)Honeywell首次推出了其綜合分散控制系統(tǒng)TDC-2000(total distributed control-2000)，從此，過(guò)程控制進(jìn)入了集散系統(tǒng)的新時(shí)期。其特點(diǎn)是：注重控制功能的實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)分散控制和集中監(jiān)視；但人機(jī)界面功能弱、控制簡(jiǎn)單、通信能力差、互換性差且成本高。
20世紀(jì)80年代中期至90年代前期為第二代產(chǎn)品。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展與網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)使各控制廠(chǎng)商更多地采用商業(yè)計(jì)算機(jī)的技術(shù)，20世紀(jì)80年代末許多DCS廠(chǎng)商推出新一代的分散控制系統(tǒng)，其主要特征是新系統(tǒng)的局部網(wǎng)絡(luò)采用MAP協(xié)議，引用了智能變送器與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，在控制軟件上引入PLC的順序控制與批量控制，使DCS也具有PLC的功能。
20世紀(jì)90年代中期至21世紀(jì)初，各家DCS廠(chǎng)商以信息技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展為依托，先后推出了集成高速工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和先進(jìn)控制器的第三代開(kāi)放型DCS。其典型代表是日本橫河的Centum3000，Honeywell的C300 PKS系統(tǒng)，Emerson的Delta V系統(tǒng)等；國(guó)內(nèi)浙江中控的DCS也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，在2010年以來(lái)其常規(guī)DCS和DCS/FFCS在石化行業(yè)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，并取得了良好的業(yè)績(jī)。
21世紀(jì)初以來(lái)，DCS在總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，其控制層繼前期應(yīng)用FF現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)之后，涉及I/O模塊變革的電子布線(xiàn)技術(shù)也已問(wèn)世，并在近年得到了推廣和應(yīng)用。
1.2 DCS現(xiàn)狀
第三代常規(guī)DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)主要分為3層：信息層、控制層和設(shè)備層(傳感/執(zhí)行層)，控制層和設(shè)備層的儀表在接線(xiàn)方式上不斷創(chuàng)新：由模擬量進(jìn)化為HART智能儀表、由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接改變?yōu)?根電纜連接多臺(tái)儀表的總線(xiàn)方式、再發(fā)展到當(dāng)前較新的云I/O拓?fù)涞碾娮硬季€(xiàn)結(jié)構(gòu)方式。
圖1 第三代常規(guī)DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意
1.2.1 常規(guī)DCS結(jié)構(gòu)模式
①信息層。采集控制層的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并上傳至工廠(chǎng)信息管理網(wǎng)。
②控制層。主要以控制器為主，由控制器核心處理器卡件、通信卡件和I/O卡件組成。其主要功能如下：
a)與其他PLC控制器的通信。經(jīng)過(guò)Modbus RS-422/485/232或Modbus TCP/IP與其他PLC控制器的通信卡件連接。
b)與設(shè)備層的連接。經(jīng)常規(guī)的I/O卡件初步處理接入的檢測(cè)儀表測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)后，由控制器模塊運(yùn)算后發(fā)出控制指令給現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)儀表實(shí)施生產(chǎn)控制。
③設(shè)備層。主要是溫度、壓力、流量、液位等4種檢測(cè)儀表，氣動(dòng)和電動(dòng)調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，閥門(mén)及在線(xiàn)分析儀表等設(shè)備。另外，無(wú)線(xiàn)通信儀表目前也已在投入試用中。
1.2.2 常規(guī)DCS和FF現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)混用模式
該模式總體框架及上層結(jié)構(gòu)與常規(guī)DCS相同，只是在控制層上根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用冗余H1現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通行卡件，目前的成功應(yīng)用實(shí)例是每對(duì)冗余的H1通行卡件(或每個(gè)Segment)最多可連接12個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表。但復(fù)雜控制、涉及裝置安全的關(guān)鍵控制回路和用于順序控制的邏輯功能塊的相關(guān)儀表設(shè)備仍采用常規(guī)I/O卡件的信號(hào)輸入模式。
另外，F(xiàn)F總線(xiàn)控制器和先進(jìn)控制器采用TCP/IP的通信模式直接掛到工業(yè)以太網(wǎng)上作為控制層的獨(dú)立設(shè)備實(shí)施控制功能。
1.2.3 采用電子布線(xiàn)技術(shù)的常規(guī)DCS模式
該模式仍采用常規(guī)DCS的結(jié)構(gòu)，只是采用電子布線(xiàn)技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)直接接入I/O通道；或直接將I/O卡件機(jī)柜(箱)放置于現(xiàn)場(chǎng)，采用光纖通信至現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間的控制器。
2、DCS的發(fā)展趨勢(shì)
在第三代DCS成型后二十余年以來(lái)，其技術(shù)的發(fā)展均是在基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)施創(chuàng)新：
①在軟件功能上進(jìn)一步提升管理水平和先進(jìn)控制模塊的性能，以契合工業(yè)4.0技術(shù)的發(fā)展潮流。
②在控制層向下至設(shè)備層，在儀表信號(hào)接線(xiàn)方式上取得了突破，相繼推出了各種智能儀表(含無(wú)線(xiàn)智能儀表)、FF現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表和電子布線(xiàn)技術(shù)。
總體來(lái)說(shuō)，其信息層的軟件平臺(tái)和控制層還不能打破供貨商之間的品牌壁壘，無(wú)法做到相互兼容。這就導(dǎo)致了一方面市場(chǎng)上各種品牌相互之間競(jìng)爭(zhēng)激烈；另一方面在系統(tǒng)投用后用戶(hù)的管理難度大、檢維修成本高，且技術(shù)轉(zhuǎn)向難。
為打破這一壁壘，美國(guó)開(kāi)放集團(tuán)(The Open Group)組織一個(gè)新的面向流程工業(yè)控制技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)，即開(kāi)放流程自動(dòng)化論壇OPAF(open process automation forum)。在選擇現(xiàn)有的、卓有成效的適用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，綜合開(kāi)發(fā)新的系列標(biāo)準(zhǔn)。在2019年2月該組織正式推出了開(kāi)放流程自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)(O-PASTM)1.0版，提出了一個(gè)與供應(yīng)商無(wú)關(guān)的新一代控制系統(tǒng)的概念驗(yàn)證系統(tǒng)參考架構(gòu)。
OPAF概念驗(yàn)證系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了可互操作性、可交換或可替代性、組態(tài)和應(yīng)用的可移植性，以及應(yīng)用開(kāi)發(fā)的靈活性。供應(yīng)商提供的硬件、軟件產(chǎn)品構(gòu)成的系統(tǒng)，產(chǎn)品之間的互操作性都按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，無(wú)需通過(guò)網(wǎng)關(guān)或通過(guò)軟件轉(zhuǎn)換；參與構(gòu)成系統(tǒng)的同類(lèi)型部件都可以個(gè)別的和自由地在供應(yīng)商間替代。
該系統(tǒng)的主要原理是：利用軟件容器化技術(shù)，構(gòu)成一個(gè)分布式控制節(jié)點(diǎn)(DCN)，其中可容納所需的各種APP功能軟件，如監(jiān)控和管理DCN的APP、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)的APP、現(xiàn)有的過(guò)程控制算法APP、新開(kāi)發(fā)的過(guò)程控制算法APP等。
DCS演變?yōu)樾乱淮姆植际娇刂葡到y(tǒng)示意如圖2所示，新一代分布式控制系統(tǒng)的架構(gòu)是：與現(xiàn)有第三代DCS的L1/L2相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)架構(gòu)是建立在分布式控制節(jié)點(diǎn)和單通道I/O模塊，支持現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集并實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、連接其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)時(shí)通信接口；系統(tǒng)由許多個(gè)有I/O的DCN和無(wú)I/O的DCN，以及一個(gè)與云端連接、執(zhí)行集中應(yīng)用的DCN構(gòu)成，DCN的數(shù)量可達(dá)數(shù)千個(gè)。屬于L3的則是DCS的HMI功能、服務(wù)器、先進(jìn)控制算法的運(yùn)算功能以及MES的功能，可以運(yùn)用由服務(wù)器構(gòu)成的虛擬系統(tǒng)，在一種開(kāi)放型的軟件環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。
圖2 DCS演變?yōu)樾乱淮姆植际娇刂葡到y(tǒng)示意
因此，如果OPAF的驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)試成功且進(jìn)一步完善，由此而面世的新一代DCS將是真正意義上的開(kāi)放型分布式控制系統(tǒng)：可以在通用軟件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件，市場(chǎng)上所有DCS軟件功能模塊和硬件產(chǎn)品均可兼容及互換。筆者認(rèn)為，這也將是DCS技術(shù)近期可以預(yù)見(jiàn)的發(fā)展方向和趨勢(shì)：向開(kāi)放性、綜合性、智能化、PC化和專(zhuān)業(yè)化方向發(fā)展。
3、電子布線(xiàn)技術(shù)簡(jiǎn)介
3.1 電子布線(xiàn)技術(shù)的概念及其工作原理
①電子布線(xiàn)技術(shù)的概念
電子布線(xiàn)技術(shù)是一種利用“電子線(xiàn)路”消除或取代物理布線(xiàn)的技術(shù)，即消除現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)從現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)箱至中間接線(xiàn)柜再連接至I/O卡件的物理布線(xiàn)，并在電子特性化的端子上實(shí)現(xiàn)一次轉(zhuǎn)換以減少相應(yīng)的線(xiàn)纜連接。
②工作原理
電子布線(xiàn)技術(shù)利用微電子技術(shù)發(fā)展的小型化、功能特定化等特征來(lái)促進(jìn)DCS硬件及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變革；將常規(guī)接線(xiàn)端子數(shù)字化、特性化以取代傳統(tǒng)I/O卡件，以成熟的光纖通信技術(shù)代替電流信號(hào)傳輸。傳統(tǒng)I/O現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)連接和電子布線(xiàn)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)連接分別如圖3和圖4所示。
圖3 傳統(tǒng)I/O現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)連接示意
圖4 電子布線(xiàn)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)連接示意
3.2 電子布線(xiàn)技術(shù)介紹
CHARM電子布線(xiàn)技術(shù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。
圖5 CHARM技術(shù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意
從圖5中可以看出，該電子布線(xiàn)技術(shù)由與控制器通信的冗余以太網(wǎng)接口、冗余直流24 V電源、通信模塊(CIOC)、CHARM及含接線(xiàn)端子的CHARM安裝底板組成。
每對(duì)冗余控制器可以支持16個(gè)CIOC模塊，每塊CIOC模塊可以支持8個(gè)CHARM底板即96個(gè)信號(hào)通道，并可與4個(gè)獨(dú)立的控制器通信。每塊CIOC模塊下有96個(gè)I/O通道獨(dú)立的接線(xiàn)端子和特性化模塊，將通道特性和卡件特性解綁以實(shí)現(xiàn)更靈活的系統(tǒng)配置；每個(gè)I/O通道可根據(jù)實(shí)際需要，選取特性化模塊來(lái)處理不同類(lèi)型的信號(hào)，比如：最常見(jiàn)的4～20 mA AI/AO，24 V(DC)DI/DO信號(hào)等；而CIOC卡件則負(fù)責(zé)I/O數(shù)據(jù)二次定標(biāo)和智能設(shè)備信息解讀并與控制器進(jìn)行通信。
Emerson的DeltaV系統(tǒng)支持40多種CHARM模塊，可以處理從RTD到230 V(AC)DI信號(hào)，從安全區(qū)信號(hào)到本質(zhì)安全信號(hào)，從普通信號(hào)到安全聯(lián)鎖信號(hào)等各種類(lèi)型的信號(hào)。
所有電子布線(xiàn)技術(shù)相關(guān)組件都適用于防爆2區(qū)安裝、-40～70 ℃寬溫工作和G3防腐處理。
3.3 電子布線(xiàn)與常規(guī)DCS的技術(shù)比較
電子布線(xiàn)的特點(diǎn)及與常規(guī)DCS的技術(shù)比較見(jiàn)表1所列。
表1 電子布線(xiàn)與常規(guī)DCS的技術(shù)比較
續(xù)表1
4、電子布線(xiàn)應(yīng)用實(shí)例
電子布線(xiàn)技術(shù)自2011年問(wèn)世以來(lái)，先后在國(guó)內(nèi)外得到了成功的應(yīng)用。下面介紹國(guó)內(nèi)石化行業(yè)和煤化工行業(yè)的兩種不同形式的應(yīng)用實(shí)例。
4.1 石化行業(yè)的應(yīng)用實(shí)例
某項(xiàng)目是對(duì)老廠(chǎng)DCS的更新改造。其涵蓋的裝置主要有：4Mt/a常減壓蒸餾裝置、催化重整裝置、焦化柴油加氫裝置和催化柴油裝置，總I/O點(diǎn)數(shù)約3×103點(diǎn)。
由于是老廠(chǎng)改造，其機(jī)柜間、工程師室和操作室空間緊張，且現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備和電纜敷設(shè)已經(jīng)定型，現(xiàn)場(chǎng)儀表和DCS的維護(hù)管理存在明確的覆蓋面，以DCS接線(xiàn)柜的儀表信號(hào)接線(xiàn)端子為界，所以，根據(jù)實(shí)際情況，該項(xiàng)目雖然選用了Emerson的電子布線(xiàn)技術(shù)，但也僅限于在機(jī)柜間，沒(méi)有改變現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備的接線(xiàn)和電纜敷設(shè)方式。該項(xiàng)目的電子布線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用如圖6所示。
圖6 某石化企業(yè)DCS改造項(xiàng)目的電子布線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用示意
從項(xiàng)目實(shí)施情況看，效果很好，其優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：
①該項(xiàng)目2015年1月啟動(dòng)設(shè)計(jì)，2015年12月投入使用。從老系統(tǒng)拆除和新系統(tǒng)安裝、調(diào)試及投用僅歷時(shí)45d。
②減少接線(xiàn)柜、合理利用有限的機(jī)柜間空間，從另一個(gè)方面來(lái)說(shuō)就是可以減少機(jī)柜間空間的需求。
③故障率低，從2015年12月底投用至今，約3×103個(gè)電子布線(xiàn)卡件在正常工況下僅損壞2個(gè)。
④故障狀態(tài)下影響面小、成本低，只涉及1個(gè)I/O通道，DCS常規(guī)I/O卡件一般是8，16，32個(gè)通道，壞1個(gè)通道就需更換整塊卡件。
⑤新增設(shè)備接入方便，無(wú)需選擇不同類(lèi)型的I/O卡件，只需就近選用電子布線(xiàn)卡件接入即可；不受不同類(lèi)型卡件備品備件和機(jī)柜空間的影響。
⑥組態(tài)下載方便，可以單個(gè)通道下載，不影響其他通道。
4.2 煤化工項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)例
某項(xiàng)目為新建的煤化工項(xiàng)目，主要包括：乙烯裂解(含丁二烯)、聚烯烴、聚氯乙烯(PVC)、環(huán)氧乙烷(EO)、環(huán)氧丙烷/苯乙烯單體(PO/SM)和儲(chǔ)運(yùn)等裝置和設(shè)施，總I/O點(diǎn)數(shù)約6.5×104點(diǎn)。
由于是新建項(xiàng)目，沒(méi)有各種約束條件，所以該項(xiàng)目采用了完整的電子布線(xiàn)技術(shù)：從裝置到機(jī)柜間，除SIS、氣體檢測(cè)器、氧分析儀和四線(xiàn)制儀表的電源使用主電纜外(20根左右)，其余都是從現(xiàn)場(chǎng)CHARM柜的CIOC通過(guò)光纜傳輸至控制器。即機(jī)柜間只安裝了控制器、通信卡件及相關(guān)設(shè)施，CHARM柜及相關(guān)的配電設(shè)施均安裝在裝置現(xiàn)場(chǎng)。該項(xiàng)目DCS電子布線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用如圖7所示。
圖7 某煤化工項(xiàng)目DCS電子布線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用示意
從該項(xiàng)目的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，該電子布線(xiàn)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：
①由于CHARM機(jī)柜移至現(xiàn)場(chǎng)，且省去了I/O信號(hào)中間接線(xiàn)柜，從而在大幅降低綜合系統(tǒng)成本的基礎(chǔ)上，也大幅縮小對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間空間的要求。
②大幅節(jié)省從現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)箱到現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間(或控制室)的多芯電纜及橋架，大幅降低了項(xiàng)目?jī)x表線(xiàn)纜、材料成本和施工量及相應(yīng)的工程費(fèi)用。如以現(xiàn)場(chǎng)CHARM機(jī)柜與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間的平均距離為200 m，現(xiàn)場(chǎng)主干電纜采用16芯阻燃鎧裝電纜(4.0元/m)考慮，6.5×104個(gè)I/O點(diǎn)所需電纜成本約650萬(wàn)元人民幣，施工費(fèi)用(按2元/m計(jì)費(fèi))約325萬(wàn)元人民幣。光節(jié)約電纜一項(xiàng)就可降低項(xiàng)目成本975萬(wàn)元人民幣，另外還有因機(jī)柜和電纜槽盒的減少其相應(yīng)的施工費(fèi)用也節(jié)省了很多。
③標(biāo)準(zhǔn)化接線(xiàn)箱設(shè)計(jì)提高供貨速度，減少集成環(huán)節(jié)，加快工程進(jìn)度。每個(gè)CHARM柜80-96點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)CHARM柜容許多個(gè)接線(xiàn)小組同時(shí)施工，只接CHARM柜側(cè)和現(xiàn)場(chǎng)儀表處。穿電纜、做電纜頭用時(shí)約2人×1.5d，完成1個(gè)CHARM柜的接線(xiàn)工作,用時(shí)約1人×1天。
④回路調(diào)試時(shí)，1個(gè)小組用時(shí)1d完成約100臺(tái)儀表。接線(xiàn)錯(cuò)誤減少，問(wèn)題處理更快。
然而，由于DCS的CHARM柜(或箱)安裝在現(xiàn)場(chǎng)，且需現(xiàn)場(chǎng)配置供電設(shè)施，所以導(dǎo)致：一方面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝區(qū)域的選擇需慎重，另一方面不利于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。特別是打破了DCS和現(xiàn)場(chǎng)儀表已經(jīng)成型的運(yùn)行維護(hù)界面，需重新界定其工作界面并培訓(xùn)。
4.3 應(yīng)用效果
由上述兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例證明，DCS電子布線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用是成功的，其優(yōu)點(diǎn)如下：
①高可靠性。單通道I/O卡件的故障率低，故障后影響面小，便于更換和組態(tài)下裝。
②項(xiàng)目成本低。大幅減少項(xiàng)目的儀表信號(hào)電纜、電纜槽盒和機(jī)柜間卡件的需求，從而大幅減少項(xiàng)目工程量。
③縮短項(xiàng)目工期需求。DCS集成量和集成時(shí)間減少，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間減少。
當(dāng)然，從應(yīng)用情況看，DCS電子布線(xiàn)技術(shù)也存在以下不足：
①需現(xiàn)場(chǎng)配電，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)配電設(shè)施的安裝位置和防爆等級(jí)有嚴(yán)格的要求。
②由于I/O及通信設(shè)施移至現(xiàn)場(chǎng)，打破了傳統(tǒng)的DCS與現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的運(yùn)行維護(hù)界面，需用戶(hù)根據(jù)自身實(shí)際情況合理安排。
5、結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，電子布線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用取得了成功。受應(yīng)用環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)條件的影響，仍無(wú)法完全取代FF現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和常規(guī)智能儀表的接線(xiàn)方式，在近期也只能是幾種技術(shù)應(yīng)用共存，無(wú)法相互代替。隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，電子布線(xiàn)技術(shù)在自身技術(shù)不斷完善的情況下將可能是一種過(guò)渡技術(shù)或作為下層子模塊與下一代流程自動(dòng)化控制系統(tǒng)集成。
作者：劉齊忠、郭金鳳
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