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未来的DCS 系统将驶向何处?

来源:控制工程网2016.05.26阅读 1729

  作为工业界的成员,分布式控制系统(DCS)已经到了该总结过去、展望未来的年龄了。DCS技术诞生于1975年左右,虽然已经发展的很成熟了,但离退休还有很长的时间。让我们一起回顾一下它的前半生。
  DCS的历史
  大概在40年前,几个自动化原始设备制造商,几乎在同一时间,提出了类似的平台,这就是DCS技术的诞生。到底是哪个公司,具体在什么时间发布了什么产品,并不是本文讨论的关键。只要说平台相似度很高、内容基本相同就足够了。最初的使用者包括炼油、化工厂和其它的传统过程工业,主要用其更换盘台、气动和电动模拟控制器。早期的这些平台,很多已经成为历史的记忆,但是也有部分公司一直延续了同样的品牌。
  这些系统,专门针对专有软件、硬件设备而制造,使用硬接线输入/输出(I/O)的现场设备。运行人员使用键盘以及专用平板从单色晶体二极管(CRT)显示器上获取所需的信息。虽然现在看来,这些产品非常过时,但在那时却具有高度的适用性。
  像当时的计算机软件功能一样原始,DCS系统的数据计算功能也非常复杂。控制回路的算法比较可靠,大多数时间,这些平台工作得很好,可以保持复杂工艺的平稳。早期的这些系统平台www.cechina.cn,很多已经运行了数十年,只是不时的需要一些关键的维护,有些目前仍然在工作。
  DCS的进化
  历经多年, DCS在很多方面取得了进步,但是某些基本概念仍然没有改变。这些改进包括:
  ■ 运行人员与人机界面(HMI)之间的交互变得更复杂,主要是因为图形处理功能更强大,而且运营人员如何获取信息的意识也在不断的发生变化。
  ■ 运行人员和人机界面的交互,引起了对运行人员在异常工况下如何工作的研究,这进一步提升了运行人员的工作效率。
  ■ 配置I/O的现场设备,增加了系统的数字化,扩大了可以提供的信息。
  ■ 资产管理平台通过更直接的方式与维护系统连接,从而可以提高系统的稳定性。
  ■ 利用开放的商用硬件代替专有设备,尽管对于很多设备来讲并不一定是最理想的情况。
  ■ 报警管理系统依靠自己的实力,已经成为一个产业。
  ■ 支持与更大的企业网络的集成,这种更复杂的集成可以传递更多的信息传递,但是随之而来的是网络安全的新问题。
  ■ 相对较新的程序自动化,仍然在研发之中,但是在帮助运行人员完成启动、停机和可能发生安全事件的其它工况中,扮演着越来越重要的角色。
  尽管有这么多的改进,但是有些设计和实施DCS系统的机制实际上并没有变化:
  ■ 现场设备仍然利用接线盒和接线柜,通过硬接线连接到DCS I/O端子。
  ■ 每个卡件均有自己的端子,这就意味着可以连接15个点,在通讯可能中断的地方提供输入信号。
  ■ 现场设备只能和它们所连接的控制器通讯。
  ■ 为控制器和现场设备增加新功能,通常会使其更复杂,更难于组态。
  ■ 程序编写完控制工程网版权所有,直到硬件安装完成后才可以调试,因为程序必须与最终的配置一致。
  只要工程保持相对简单,传统方式仍然可以工作,用户就可容忍它的缺点。有些工厂利用现场总线网络解决现场布线问题控制工程网版权所有,但是从更大的层面来讲,数量仍然较少。
  缺少标准化
  近年来,项目及其所用的DCS系统越来越复杂,越来越昂贵。大型项目的成本越来越高,公司经常会碰到,因自动化平台的最终调整导致项目延后,新工厂推迟启动的情形。不用多长时间,公司就会意识到每天损失的成本,而这一切都是不可避免的。系统缺乏标准部件,并且需要大量的工程师维护是其中的重要原因之一。
  自动化工程师经常会发现,当系统成为启动、实现盈利的关键路径上的点时,任何延迟,都会使自己成为指责的对象。在过去很多年,尽管已经取得了很大的进步控制工程网版权所有,但从用户的角度考虑,DCS毕竟已经快40岁了,身形已经有点臃肿不堪了;但是目前还没有切实可行的替代方案。用户相信“会有更好的途径” ,但是,供应商还必须让这个大胖子向前冲。
  “大概5年前,我们开始使用电子接线柜,”艾默生过程管理项目管理办公室的副总裁Roger Freeman说道,“紧跟其后的是整个DCS系统的虚拟化,并不仅仅是工作站CONTROL ENGINEERING China版权所有,还包括控制器和I/O控制器,所以整个工程实施可以独立于硬件平台开展,这样工程实施就可以更灵活,成本更低。”
  很多自动化公司意识到, DCS的设计及实施流程有些过于线性了。主要步骤必须按照串行顺序完成,每一个步骤都必须等到前一个步骤的结束。任何一个环节的延迟,都会导致工厂最后启动时间的延迟,造成一定的损失。由于不可预期,工艺工程师在后期提出的任何变更需求,都会使情况变得更糟。
  “自动化项目精益执行(LEAP)概念正是将功能设计从物理设计中分离出来,在最终阶段将其结合在一起,”霍尼韦尔公司的Experion产品市场总监Jack Gregg 如是说,“对于新建项目来讲,这是一个完美的方案,但是也可以用于现有项目的改造。”


■ 位于法国Tavaux的Solvay  PVC聚合工厂,采用艾默生的CHARMs和DeltaV 系统实现了效率的提升。 图片来源:艾默生过程控制

  从I/O硬件开始
  现场接线和I/O,是问题的关键,因为它们必须针对每个现场,专门设计。如果现场设备A必须与控制器3连接,那么电缆必须沿着任何可以将这些点连接起来的线路敷设,如果想要修改任何东西,需要花费大量的时间和费用。艾默生、霍尼韦尔和横河等公司都使用可配置的标准化I/O硬件以及现场安装的机柜来组建新系统。
  随着更多的硬件标准化,更多DCS系统部件的设计可以同步进行。程序编写也可独立于硬件进行。串行设计和开发让位于并行方式。刚性设计元素让路于灵活性。
  面临的新挑战
  工程设计、实施方法的变化,已经改变了客户和供应商讨论项目的方式。问题不在集中于系统是否可以控制工艺过程。这方面已经默认没有问题了。讨论的中心转移到更多的新功能以及采购成本、生命周期成本、复杂性、部署速度、稳定性、适用性和寿命长短等方面。由于维护带来的诸多问题,因此用户希望有预见性地进行项目安装和升级改造。
  “由于多方面因素的限制,对现有项目改造进度方面的压力要比新建项目大得多。”艾默生过程管理公司DeltaV平台市场总监Claudio Fayad说道,“炼油厂每隔6到7年大修一次,大修时间为30天。不管是新建项目、升级改造或者使其现代化,压力都是使自动化工程项目更具有可预见性。”
  增加人的因素
  很多年来,DCS设计方面的讨论,主要集中在技术方面。当然,运行人员也是蓝图的一部分,但是经常处于次要地位。由于劳动力方面所发生的变化,人员逐步成为其中更为重要的组成部分。
  供应商基于人的因素,正在改变运行人员与系统之间交互的方式,这也经常会扩展到运行人员彼此之间的信息交流的方式。还有一个意义更深远的重点在于人与人之间的合作,这可能是处于同一个主控室、也可能是位于不同大陆上的人员,彼此相互帮助解决问题。新技术支持这种类型的交互。
  “通过观察运行人员及其行为,获取新的人机方案。”Gregg解释道,“我们的新盘台专门为运行人员设计,运行人员需要连续12个小时坐在盘台处,监控随时可能变化的过程,并且可能在11.5小时的时候,做一个关键的决定。”所以我们问自己这样一个问题,“怎么做才能使运行人员保持警觉,快速响应呢?”一部分的灵感来自于家具的设计,同时也要结合运行人员查看过程的新方式。


■ 霍尼韦尔的通用I/O可配合Experion C系列使用。图片来源:霍尼韦尔过程控制

  为未来保留灵活性
  真正普遍关心的一个问题就是系统的寿命。尽管大多数基于计算机的设备的寿命都是几年,但是控制系统的寿命一般则是用几十年来衡量的。任何公司安装一套新系统,都必须考虑20年甚至更长的时间。不论是供应商还是客户,所做的任何决定都是以此为基础。适应性和灵活性也需要考虑,因为没有任何人真正的知道,未来会发生什么事情,会需要什么样的改变。
  “过去,我们会为控制系统定义一个模型,没有太多的模糊性。”Fayad回忆道。“现在,你可以以这么多不同的方式,做如此多的事情。比如连接I/O点,你可以使用总线、硬接线、无线或各种方式的组合。过去,工具只用于控制,而现在可将其用于控制、运行性能、维护、项目效率等方面,所以我们必须帮助人们理解这些差异及其对工作过程的意义。用户喜欢获得运行方面的效益,但是不喜欢面临风险。”
  “我们很多客户,可能每隔数年才有转型需求,所以控制系统的稳定性对他们的业务十分关键。”霍尼韦尔公司的高级市场经理Marjorie Ochsner指出,“所以当你讨论投资或实施新的有价值的革新时,我们总是寻求某种合适的方式,既可以实现客户的目标,还不需要停止过程。我们将其称之为连续性创新。”
  我们的朋友DCS,仍然是一个可以信赖的公民,虽已人到中年,但仍然准备面对前所未有的挑战,旨在为用户提供更简单和更灵活的系统。(作者:Peter Welander)

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