DCS系統(tǒng)在石化工業(yè)中的應用及發(fā)展趨勢分析

摘 要：近年來，借助于集成電路、計算機、通訊、顯示和控制等技術的發(fā)展，DCS系統(tǒng)在石化工業(yè)中的應用越來越廣泛，大大提升了石化工業(yè)的自動化水平。文章結合DCS系統(tǒng)在國內的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了DCS系統(tǒng)在石油和化工行業(yè)的應用，深入探討了DCS系統(tǒng)的特點和未來的發(fā)展趨勢，并對新產品進行了分析，指出DCS系統(tǒng)智能化、數(shù)字化、信息化的廣闊應用前景。

關鍵詞：DCS系統(tǒng)；石油化工；應用；趨勢分析

1 引言

DCS（Distributed Control System）是指分散控制系統(tǒng)，也可稱為分布控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)基于計算機網(wǎng)絡通訊技術，包括系統(tǒng)的過程控制和過程監(jiān)控，并可以根據(jù)系統(tǒng)功能分為過程控制級、控制管理級、生產管理級、經(jīng)營管理級等多級結構。DCS系統(tǒng)是伴隨著我國工業(yè)信息量的不斷增大而產生和發(fā)展的，以多臺計算機為平臺，集合了計算機（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）4C技術，解決了傳統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)的危險相對集中、常規(guī)模擬儀表功能單一、過于分散和人機聯(lián)系不方便等缺點。

2 DCS應用和發(fā)展現(xiàn)狀分析

2.1 DCS系統(tǒng)在石油和化工行業(yè)的應用

80年代，針對我國傳統(tǒng)產業(yè)改造以及新建工程項目對DCS的需求，我國從國外引進了幾百套DCS系統(tǒng)進入裝備石化、冶金、電力等行業(yè)。進入90年代，我國陸續(xù)有一些新型高科技公司進入DCS領域。目前國內生產的DCS系統(tǒng)不僅具有價格低廉、備品備件方便的優(yōu)勢，而且在技術先進性、組態(tài)便于學習、售后技術支持及時性、維護方便性等方面也都獲得了用戶肯定。國內DCS廠家生產的最新產品具有系統(tǒng)開放、兼容現(xiàn)場總線、管控一體化和帶有先進控制軟件等優(yōu)點，在技術上可初步與國外產品相抗衡。

20世紀70年代初，DCS系統(tǒng)開發(fā)成功，DCS技術隨著時代的發(fā)展而不斷成熟，依靠其安全可靠性、通用靈活性以及優(yōu)良的控制和管理能力，廣泛應用于各個行業(yè)，其中石油和化工企業(yè)的應用更為普及，并逐漸被應用于新建、擴建和升級改造項目中。利用DCS系統(tǒng)，實現(xiàn)煉油、化工裝置生產過程的自動化控制是石化企業(yè)少投多產、提高經(jīng)濟效益、挖潛增效、提高市場競爭力的主要途徑和措施之一。石油和化工企業(yè)DCS系統(tǒng)正逐步全面替代常規(guī)儀表控制系統(tǒng)。

2.2 DCS系統(tǒng)發(fā)展情況簡介

DCS系統(tǒng)發(fā)展基于多個技術層面，是集成了計算機技術、信息技術、自動控制、網(wǎng)絡通訊技術等多重技術的綜合性系統(tǒng)。順應我國工業(yè)發(fā)展的趨勢，DCS的發(fā)展體現(xiàn)了如下特征：

2.2.1 信息化：初期的DCS系統(tǒng)較為單一，隨著功能的不斷豐富，DCS系統(tǒng)逐漸將控制和管理功能集合在一起。以石油化工行業(yè)為例，DCS系統(tǒng)的信息通道能夠覆蓋從石油生產、運輸、加工到銷售的整個環(huán)節(jié)，且能夠實現(xiàn)信息全面、準確、及時。

2.2.2 集成化：順應工業(yè)發(fā)展的需求，DCS系統(tǒng)也在不斷從單一封閉走向集成化，實現(xiàn)功能的打包和兼容，目前DCS系統(tǒng)已經(jīng)集成了各類PLC、工業(yè)PC、數(shù)字化儀表和設備，不僅功能集成，且系統(tǒng)的兼容性得到保證，各類DCS系統(tǒng)之間可以無縫連接、信息共享、提供綜合服務。

2.2.3 智能化：工業(yè)DCS技術的智能化集中體現(xiàn)在工業(yè)控制領域，將新興的人工智能、故障診斷、神經(jīng)網(wǎng)絡等技術融入DCS領域，極大的降低了人力成本，提升了系統(tǒng)效率。

2.2.4 開放式：為了支持多地域同時段訪問，DCS系統(tǒng)的開放性也不斷增強，基于開放式網(wǎng)絡，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)，以WEB網(wǎng)頁形式通過IE瀏覽來查閱相關信息，并可以根據(jù)不同的權限，實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、畫面訪問、信息修改、調度管理等功能。為了保障開放式網(wǎng)絡的安全性，系統(tǒng)還配備軟件和硬件防火墻。

2.2.5 容錯以太網(wǎng)（FTE）：初期的DCS系統(tǒng)正常是單條網(wǎng)絡運行，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，兩條冗余網(wǎng)絡之間的切換不僅耗時較長，且切換的可靠性不高，系統(tǒng)冗余性能較差，隨著工業(yè)發(fā)展領域對系統(tǒng)可靠性要求的不斷提升，DCS系統(tǒng)也朝著容錯以太網(wǎng)（FTE）方向發(fā)展，如下圖1所示：

容錯以太網(wǎng)（FTE）的實現(xiàn)改變了初期單條網(wǎng)絡運行的弊端，實現(xiàn)了基于多條網(wǎng)絡運行，如上圖1所示，容錯以太網(wǎng)結構包括上層、下層、設備三級網(wǎng)絡，其中，S1和S2為上層交換機網(wǎng)絡，S3、S4、S5、S6為下層交換機網(wǎng)絡，D1、D2、D3、D4是與通訊網(wǎng)絡連接的設備。上述網(wǎng)絡結構中每兩臺設備之間都有四條通訊路徑，以設備D1和D2之間的通訊為例，有：D1→S3→D2、D1→S4→D2、D1→S3→S1→S2→S4→D2、D1→S4→S2→S1→S3→D2這四條通路，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，不僅可以切換的網(wǎng)絡通路多，系統(tǒng)可靠性高，且可以選擇最短的路徑切換，耗時短。

2.2.6 發(fā)展無線網(wǎng)絡：無線網(wǎng)絡技術的發(fā)展為DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場調試、監(jiān)控、故障分析、工程儀表校驗等環(huán)節(jié)提供了新的發(fā)展方向，通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)通訊與控制一體化，并支持手動移動無線操作站，極大的便利了系統(tǒng)的維護。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300產品就采用了無線網(wǎng)絡技術。

2.2.7 數(shù)字視頻：通過安裝在現(xiàn)場的攝像頭進行圖形采集，結合先進的圖像處理和信息傳遞技術，實現(xiàn)數(shù)字視頻，通過圖像的對比和識別，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并輸出告警，并可以自動保存異常圖像，支持圖像回放，有利于事故告警和故障分析。

2.2.8 先進控制站：作為DCS系統(tǒng)的基礎，控制站的技術更新對提升DCS系統(tǒng)性能有著重要作用。各類新技術的發(fā)展極大的推動了DCS系統(tǒng)控制站技術，例如，目前DCS控制站已經(jīng)可以采用無底板模塊結構，獨立傾斜式垂直插拔，不僅有良好的散熱效果，且方便控制系統(tǒng)接線以及現(xiàn)場維護。另外，各類先進的預估控制算法的應用，使得控制站具有良好的魯棒性和參數(shù)自整定功能。

3 DCS在石油化工中應用中存在的幾個問題

到目前為止，用戶對DCS存在的問題有3個方面的意見是一致的，即：系統(tǒng)開放性問題；與現(xiàn)場傳感器、變送器、執(zhí)行器的接線問題；價格較貴問題。這些問題在第三代DCS中已開始得到解決。在21世紀，新一代的DCS應滿足用戶更加個性化的需求。DCS在石油化工中的應用，應該注意以下兩個問題：

3.1 系統(tǒng)選型

對于石油化工行業(yè)來說，DCS選型問題的重要性日益凸顯。對應用DCS系統(tǒng)的項目來說，無論是新建項目還是改造項目，DCS的選型對項目投運后的效果都有重要的影響，然而，很多石油化工項目在立項之初，由于參與投標的DCS系統(tǒng)運行廠家數(shù)量較多，且各個廠家的不同DCS系統(tǒng)基本具有一定的通用性，所以在標書中很少進行DCS型號的選型，而僅僅給出工程所需的I/0點數(shù)、控制回路數(shù)、裝置間的物理位置、控制或數(shù)學模型優(yōu)化等方面的要求。

考慮到工程項目投運后可能出現(xiàn)的因DCS指標規(guī)定不清，而導致的系統(tǒng)不兼容、可擴展性差等問題，應推動系統(tǒng)選型的精細化，對DCS系統(tǒng)的各項指標要求、系統(tǒng)選型、國家標準等給出明確的規(guī)定，例如，可以將國標GB/T 18271.1-2000、GB/T 18271.2-2000、GB/T 18271.3-2000等過程測量和控制裝置通用性能評定方法等標準列入標書中，作為通用要求。

此外，業(yè)績問題也是DCS系統(tǒng)在石油化工行業(yè)應用的一個敏感問題。由于DCS系統(tǒng)在我國很多行業(yè)都獲得了廣泛的應用，基于不同行業(yè)之間對系統(tǒng)性能、參數(shù)、側重點要求不同，即使同一行業(yè)的不同工程項目，根據(jù)其實際情況，對DCS系統(tǒng)的要求也不盡相同，所以，如果某一DCS系統(tǒng)在相關行業(yè)應用較多，在類似工程中應用效果較好，且具有良好的可擴展能力，并掌握核心程序，支持系統(tǒng)功能擴展，表明該DCS系統(tǒng)應用業(yè)績較好，具有較小的選型風險，可以在選型過程中多加考慮。

3.2 服務問題

伴隨工業(yè)產品的集成化和打包服務趨勢，DCS廠家提供全面解決方案（Solutions）成為較為流行的做法，全面解決方案雖然便利了用戶，提升了效率，但與此同時，由于全面解決方案中包含了多項軟技術，也對DCS廠家和系統(tǒng)集成商的服務提出了更高的要求。

對某一具體工程項目來說，DCS系統(tǒng)的服務貫徹了項目實施前、實施中、實施后等各個環(huán)節(jié)，基于DCS系統(tǒng)具有較高的技術含量，項目實施前，應做好方案認證、產品報價、技術談判；項目實施中，應做好硬件方案確認、系統(tǒng)軟件組態(tài)的編制和鍵入生成，并在合同中給出針對專業(yè)技術人員的培訓，在DCS系統(tǒng)到貨后，提供開箱驗收、現(xiàn)場安裝、通電驗收、靜態(tài)連調、順序控制、邏輯關系確認等服務；項目投運后，提供無償?shù)难由熘帘Ｙ|期內的維修服務，和日常運行中的有償維修服務、Intermet網(wǎng)絡遠程服務等。目前，國內的DCS廠家在技術服務水平上還存在差距，應該迎頭趕上。

4 DCS系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢

近年來，隨著FCS等新型工業(yè)級系統(tǒng)的興起，DCS系統(tǒng)應用也面臨更多的挑戰(zhàn)。不可否認的是，DCS系統(tǒng)仍是目前我國工業(yè)自動化領域的主流系統(tǒng)，技術相對成熟穩(wěn)定，不會隨著現(xiàn)場總線技術的出現(xiàn)而立即退出現(xiàn)場過程控制的舞臺。在新的發(fā)展形勢下，DCS系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢體現(xiàn)在：

4.1 綜合化：通過綜合化的數(shù)據(jù)通信技術，構建集成了標準化數(shù)據(jù)、單（多）回路調節(jié)器、PLC、工業(yè)PC、NC等工控設備的大系統(tǒng)，滿足開放式的工廠自動化系統(tǒng)要求，使得DCS系統(tǒng)在一般情況下具備綜合化功能和更強的普及性。

4.2 智能化：通過數(shù)據(jù)庫技術、智能通訊技術建立知識庫系統(tǒng)（KBS）和專家系統(tǒng)（ES），實現(xiàn)DCS系統(tǒng)的自學習控制、遠距離診斷、自尋優(yōu)等人工智能功能。目前，各類智能設備如智能I/O、PID控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行器、人機接口等已經(jīng)在DCS系統(tǒng)相繼應用。

4.3 工業(yè)PC化：目前，很多DCS系統(tǒng)已經(jīng)廣泛使用PC機作為DCS系統(tǒng)的操作站和節(jié)點機，工業(yè)PC化已經(jīng)成為DCS系統(tǒng)的一大發(fā)展趨勢，基于IPC硬件平臺的PC-PLC、PC-STD、PC-NC等技術不斷發(fā)展，相關產品不斷涌現(xiàn)。

4.4 專業(yè)化：為了提升DCS系統(tǒng)在各相應領域的應用廣度和深度，更加貼近相應專業(yè)的工藝和應用要求，DCS系統(tǒng)應該充分結合各行業(yè)的具體特征，增強自身的專業(yè)化，例如，開發(fā)石化DCS、電力系統(tǒng)DCS、航空系統(tǒng)DCS等專業(yè)化系統(tǒng)。

5 結束語

DCS未來的發(fā)展趨勢及其新產品的特點為：系統(tǒng)開放、管控一體化以及帶有先進控制軟件。DCS系統(tǒng)具有高可靠性、開放性、靈活性、易于維護、高協(xié)調性、完善的控制功能、豐富的控制算法等優(yōu)點，使得其在工業(yè)控制領域中得到廣泛應用。DCS已廣泛應用于各工業(yè)領域并趨于成熟，成為工業(yè)控制系統(tǒng)的主流。雖然以現(xiàn)場總線為基礎的FCS系統(tǒng)發(fā)展很快，但其發(fā)展仍面臨一些問題，如統(tǒng)一標準、儀表智能化等。而傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的維護和改造仍需DCS系統(tǒng)，因此FCS完全取代傳統(tǒng)DCS尚需較長過程。

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