人工受孕双胞胎条件:世界DCS发展现状与趋势

世界DCS发展现状与趋势2009-10-19 14:51在工业企业中，应用效益最直接明显的系统应当是工业控制系统，特别是DCS（分布式控制系统）。尽管若干年以前，就有人判定DCS即将被FCS（现场总线控制系统）所取代，然而，直至今日，DCS仍然具有相当的生命力。ARC咨询机构2003年发布了他们对世界DCS市场的预测报告。该报告预测世界DCS市场从2002年至2007年将保持2.5％的增长速度，从2003年的91亿美元增长到103亿美元。DCS的发展速度之所以不高主要原因是美国等发达国家的经济增长速度减慢所造成的。而中国近几年的DCS的增长速度应该在10％以上。当今的DCS与十年前的DCS相比，发生了根本性的变化。
1.1 DCS已经进入第四代
受信息技术（网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线技术、各种组态软件技术、数据库技术等）发展的影响，以及用户对先进的控制功能与管理功能需求的增加，各DCS厂商（以Honeywell、Emerson、Foxboro、横河、ABB为代表）纷纷提升其DCS系统的技术水平，并不断丰富其内容。可以说以Honeywell 公司最新推出的Experion PKS（过程知识系统），Emerson公司的PlantWeb（Emerson Process Management），Foxboro公司的A2，横河公司的R3（PRM－工厂资源管理系统），ABB公司的Industrial IT系统为标志的新一代DCS已经形成。如果我们把当年Foxboro公司的I/A Series看作第三代DCS系统的里程碑，以上几家的最新DCS可以划为第四代。第四代DCS的最主要标志是两个“I”开头的单词：Information（信息）和Integration（集成）。
1.2 第四代DCS的体系结构
第四代DCS的体系结构如图1所示。主要分为四层结构：现场仪表层、控制装置单元层、工厂（车间）层和企业管理层。一般DCS厂商主要提供下面的三层功能，而企业管理层则通过提供开放的数据库接口连接第三方的管理软件平台（ERP、CRM、SCM等）。所以说当今DCS主要提供工厂（车间）级的所有控制和管理功能，并集成全企业的信息管理功能。


图1 第四代DCS体系结构图

2.3 第四代DCS的技术特点
(1) DCS充分体现信息化和集成化（Information & Integration）
信息和集成（Information and Integration）这两个“I”开头的单词基本描述了当今DCS系统正在发生的变化。我们已经可以采集整个工厂车间和过程的信息数据，但是用户希望这些大量的数据能够以合适的方式体现，并帮助决策过程，让用户以他明白的方式，在他方便的地方得到他真正需要的数据。
信息化体现在各DCS系统已经不是一个以控制功能为主的控制系统，而是一个充分发挥信息管理功能的综合平台系统。DCS提供了从现场到设备，从设备到车间，从车间到工厂，从工厂到企业集团整个信息通道。这些信息充分体现了全面性、准确性、实时性和系统性。基本上大部分DCS提供了过去常规DCS功能、SCADA功能以及MES（制造执行系统）的大部分功能。与ERP不同，MES汇集了车间中用以管理和优化从下定单到产成品的生产活动全过程的相关硬件或软件组件，它控制和利用实时准确的制造信息来指导、传授、响应并报告车间发生的各项活动,同时向企业决策支持过程提供有关生产活动的任务评价信息。MES的功能包括车间的资源分配、过程管理、质量控制、维护管理、数据采集、性能分析及物料管理，与DCS相关的各功能模块如图2所示，其作用简述如下。
① 资源配置与状态（Resource Allocation and Status）：管理机器、工具、劳工技能、材料、设备和其它实体，使其在*作前按顺序可得，同时提供资源的具体历史信息，保证设备正确安装并提供实时状态。上面提到的所有DCS都以不同的软件名称提供了类似的功能如设备管理、知识管理、能源管理等。
② 派遣生产单元（Dispatching Production Units）：管理以工件、订单、批量、时序等为形式的生产单元流程，提供派遣信息，并可改变预先的调度方案和通过缓冲区管理来控制加工数量。过去的连续过程生产装置是按某种产品的生产能力进行设计，物料平衡公式和设备的选型也是按该生产能力进行（也许加上10％的富裕量），因此，我们经常会听到车间主任或班组长如何努力，而生产出超过装置设计能力20％或25％时，如何兴高采烈，并可能领取超额奖金。极少有装置生产能力小于设计生产能力的情形。然而，如果该产品由于市场需求降低，从而要求生产量降低时，则该装置的各种物理参数和控制参数很难适应，不能保证产品的质量。当由于市场竞争、管制、或其它任何原因要停止该产品，而转生产另一种产品时，通常我们不得不停止该装置，或进行大投资改装。当今，灵活满足市场需求，快速响应市场已经变成主要的经营驱动力，我们的过程控制或生产控制必须适应这种需求。仪器仪表协会也制定了批量控制的标准ANSI/ISA S88.01 Batch Models and Terminology，为我们开发和应用批量控制提供了很好的指导。第四代的DCS基本都提供了自主的或集成的批处理功能软件。他们把批量控制（BATCH-CONTROL）加入DCS系统，变成一种类似先进控制算法模块的组件。


图2 MES的一般功能模块示意图

③ 文档控制（Document Control）：控制与生产单元相关的记录，具有编辑和指令下达等功能。第四代DCS基本都能自动生成各种*作记录、日志以及各种档案文件。
④ 数据收集/获取（Data Collection/Acquisition）：提供获取内部数据的接口，构成相应的表格和记录，数据的收集可以是自动或手动方式。
⑤ 劳工管理（Labor Management）：提供职员有关状态，并与资源配置关联来决定最优分配，值得一提的是，在现代生产过程中，人和设备越来越变成有机配合的整体。
⑥ 质量管理（Quality Management）：提供度量的实时分析来保证产品质量控制并鉴定需注意的问题，建议更正的建议，也包括SPC/SQC的跟踪和离线检查*作的管理以及LIMS的分析等。
⑦ 维护管理（Maintenance Management）：跟踪和指导设备和工具维护的活动来保证生产和调度的进程，也提供紧急问题的反应，如报警，并维护历史信息来支持问题的诊断。例如，Emerson声称通过其设备管理功能，用户可以在正确的时间、以正确的方式维护正确的设备，节省掉大部分的例行大修时间并排除非计划停车时间。
⑧ 产品跟踪和系谱（Product Tracking）：提供工作的可见度和相关的状态信息，在线跟踪功能可产生历史记录。
⑨ 性能分析（Performance Analysis）：通过分析不同功能的汇总信息，提供实际生产*作与历史记录和期望结果的报告。
DCS的集成性则体现在两个方面：功能的集成（如上面所述）和产品的集成。过去的DCS厂商基本上是以自主开发为主，提供的系统也是自己的系统。当今的DCS 厂商更强调系统的集成性和解决方案能力，DCS中除保留传统DCS所实现的过程控制功能之外，还集成了PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器），RTU（Remote Terminal Unit，远程终端设备），FCS（Fieldbus Control System，现场总线），各种多回路调节器，各种智能采集或控制单元等。此外各DCS厂商不再把开发组态软件或制造各种硬件单元视为核心技术，而是纷纷把DCS的各个组成部分采用第三方集成方式或OEM方式。例如，多数DCS厂商自己不再开发组态软件平台，而转入采用兄弟公司（如Foxboro 用Wonderware软件为基础）的通用组态软件平台, 或其它公司提供的软件平台（Emerson 用Intellution的软件平台做基础）。此外，许多DCS厂家甚至I/O组件也采用OEM方式（Foxboro采用Eurothem的I/O模块，横河的R3采用富士电机的Processio作为I/O单元基础, Honeywell公司的PKS系统则采用Rockwell公司的PLC单元）作为现场控制站。
(2) DCS变成真正的混合控制系统
过去我们区分DCS和PLC 主要通过被控对象的特点（过程控制和逻辑控制）来进行划分。但是，第四代的DCS已经将这种划分模糊化了。几乎所有的第四代DCS都包容了过程控制、逻辑控制和批处理控制，实现了混合控制。这也是为了适应用户的真正控制需求。因为，多数的工业企业绝不能简单地划分为单一的过程控制和逻辑控制需求，而是由过程控制为主或逻辑控制为主的分过程组成的。我们要实现整个生产过程的优化，提高整个工厂的效率，就必须把整个生产过程纳入统一的分布式集成信息系统。例如，典型的冶金系统、造纸过程、水泥生产过程、制药生产过程和食品加工过程、发电过程，大部分的化工生产过程都是由部分的连续调节控制和部分的逻辑联锁控制构成。第四代的各DCS系统几乎全部采用IEC61131-3标准进行组态软件设计。而该标准原为PLC语言设计提供的标准。同时一些DCS（如Honeywell公司的PKS）还直接采用成熟的PLC作为控制站。多数的第四代DCS都可以集成中小型PLC作为底层控制单元。今天的小型和微型PLC不仅具备了过去大型PLC的所有基本逻辑运算功能，而且高级运算、通信以及运动控制也能实现。
(3) DCS包含FCS功能并进一步分散化
过去一段时间，一些学者和厂商把DCS和FCS（现场总线控制系统）对立起来。其实，真正推动FCS进步的仍然是世界主要几家DCS厂商。所以，笔者以前也曾说过DCS不会被FCS所代替，而是DCS会包容FCS，实现真正的DCS。如今，这一预测正在被现实所验证。所有的第四代DCS都包含了各种形式的现场总线接口，可以支持多种标准的现场总线仪表、执行机构等。此外，各DCS还改变了原来机柜架式安装I/O模件、相对集中的控制站结构，取而代之的是进一步分散的I/O模块（导轨安装），或小型化的I/O组件（可以现场安装）或中小型的PLC。分布式控制的一个重要优点是逻辑分割，工程师可以方便地把不同设备的控制功能按设备分配到不同的合适控制单元上，这样，*作工可以根据需要对单个控制单元进行模块化的功能修改，下装和调试。另外的优点是各个控制单元分布安装在被控设备附近，既节省电缆，又可以提高该设备的控制速度。一些DCS还包括分布式HMI就地*作站，人和机器将有机地融合在一起，共同完成一个智能化工厂的各种*作。
例如，Emerson的DeltaV，Foxboro的A2中的小模块结构，Ovation的分散模块结构等。可以说现在的DCS厂商已经越过炒作概念的误区，而是突出实用性。一套DCS可以适应多种现场安装模式：或用现场总线智能仪表、或采用现场I/O智能模块就地安装（既节省信号电缆，又不用昂贵的智能仪表）或采用柜式集中安装（特别适合改造现场）。一切由用户的现场条件决定，充分体现为用户设想的理念。
(4) DCS已经走过高技术产品时代，进入低成本时代。配置灵活，适应各种系统应用
DCS在八十年代，甚至九十年代还是技术含量高、应用相对复杂、价格也相当昂贵的工业控制系统。随着应用的普及，大家对信息技术的理解，DCS已经走出高贵的神秘塔，变成大家熟悉的，价格合理的常规控制产品。第四代DCS的另一个显著特征就是各系统纷纷采用现成的软件技术和硬件（I/O处理）技术，采用灵活的规模配置，大大降低系统的成本与价格。可以说现在采用先进的DCS实现工业自动化控制比原来采用常规的仪器仪表进行简单控制，用户投资增加不多，但是实现的功能确大大加强。就控制站而言，原来一个物理信号处理平均1 500元（人民币），而现在已经降到800元左右。过去国外DCS一般只适合于大中型的系统应用，在小型应用中成本很高，但第四代DCS都采用灵活的配置，不仅经济地应用于大中型系统，而且应用于小系统也很合适。
(5) DCS平台开放性与应用服务专业化
二十年来，工业自动化界讨论非常多的一个概念就是开放性。过去，由于通信技术的相对落后，开放性是困扰用户的一个重要问题。为了解决该问题，人们设想了多种方案，其中包括CIMS（Computer Integrated Manufacturing System，计算机集成制造系统）系统概念中的开放网络（MAP 7层网络协议平台）。然而，有心栽树树不活，MAP网络协议并没有得到真正的推广应用。而当代网络技术、数据库技术、软件技术、现场总线技术的发展为开放系统提供了可能。各DCS厂家竞争的加剧，促进了细化分工与合作，各厂家放弃了原来自己独立开发的工作模式，变成集成与合作的开发模式，所以开放性自动实现了。第四代DCS全部支持某种程度的开放性。开放性体现在DCS可以从三个不同层面与第三方产品相互连接：在企业管理层支持各种管理软件平台连接；在工厂车间层支持第三方先进控制产品、SCADA平台、MES产品、BATCH处理软件、同时支持多种网络协议（以以太网为主）；在装置控制层可以支持多种DCS单元（系统）、PLC、RTU、各种智能控制单元等以及各种标准的现场总线仪表与执行机构。
值得注意的是开放性的确有很多好处，但是在考虑开放性的同时，首先要充分考虑系统的安全性和可靠性，因为，生产过程的故障停车或事故造成的损失可能比开放性选择产品所节省的成本要高得多。同时需注意，在选择系统设备时，先要确定系统的需求，然后根据需求选择必要的设备。尽量不要装备一些不必要的功能，特别是网络功能和外设的选择一定要慎重。例如，我们在选择开放网络的同时，遭到病毒或黑客袭击的可能就会加大；我们选择丰富的外设如光驱或软驱，就给*作人员提供了装载无关软件（如游戏等）的机会等等。这些都会导致系统瘫痪或其它致命故障。
随着开放系统和平台技术的发展，产品的选择更加灵活，软件组态功能越来越强大并灵活，但是，每一个特定的应用都需要一个独特的解决方案，所以专业化的应用知识和经验是当今工业自动化厂商或系统集成商成功的关键因素。各DCS厂家在努力宣传各自DCS技术优势的同时，更是努力宣传自己的行业方案设计与实施能力。为不同的用户提供专业化的解决方案并实施专业化的服务将是今后各DCS厂家和系统集成商竞争的焦点，同时也是各厂家盈利的主要来源。

3 工作实践
3.1 国产DCS简介
中国自动化界的仁人志士经历了不懈的努力致力于发展自己的DCS产业。目前以和利时、浙大中控、上海新华为代表的国内DCS厂家经过十年的努力，各自推出自己的DCS系统：和利时推出MACS－Smartpro第四代DCS系统，浙大中控推出Webfield（ECS）系统，新华推出XDPF－400系统。三家积极努力，通过竞争成功地将自主系统应用于各种工业现场，正在逐步取得用户的认可。例如新华公司在火力发电方面取得显著成绩，浙大中控在化工控制等方面业绩突出，和利时公司在核电、热电、化工、水泥、制药以及造纸等方面取得了一定的业绩。和利时公司仅2002年就在各行业取得500多个合同。此外，和利时公司把DCS结构进行拓展，应用到大型轨道交通自动化系统和管网SCADA系统。通过激烈竞争，和利时公司成功地实现了秦山核电站60万千瓦核电站综合计算机监控系统和常规岛控制系统，并与国内外公司竞争获得了秦山一期30万千瓦核电站计算机系统改造，大亚湾核电站等各个核电站部分计算机系统合同。公司承担的北京轻轨和深圳地铁综合监控系统采用分布式数据库结构，实现了远距离（十几个车站，几十公里）、大数据量（物理点几万个）、通信信息复杂（城域网、局域网、现场总线网、无限通信网等）、多样化（电力电器控制、环境控制、RTU、部分机车运行信号、车站信息等）综合功能。该系统的成功应用为我国城铁和地铁发展提高了综合监控能力，并降低了成本，该方案已经成为事实上的综合监控标准。
在中国的DCS市场上，三家国内厂商已经具备了相当的竞争能力。例如通过新华公司与和利时公司在火电站控制领域的竞争以及和利时公司与浙大中控在化工等领域的竞争，使得国外的DCS纷纷降价。可以说三家公司最大的贡献是把国外的DCS价格降到了原来40％以下，为DCS在国内工业企业的普及应用，特别是在中小型企业中的应用做出了贡献。
3.2 和利时公司第四代DCS简介
和利时公司的前身是电子部六所自动化工程事业部， 1992年开发出第一代DCS系统HS-DCS-1000系统，95年推出HS2000系统（采用智能I/O结构、部分实现IEC1131-3标准功能），1999年推出MACS系统，应用于秦山核电站控制系统和数百套电站、化工、水泥等控制。和利时公司在总结多年用户需求的基础上，综合了国际技术成果，集中其核心技术与国际先进技术，2002年初推出第四代DCS——MACS-Smartpro（智能过程系统）。该系统结构如图3所示。


图3 Smartpro系统结构图

与上述五家国际知名企业推出的第四代DCS相比，Smartpro仍有些地方还存在差距，例如，管理软件功能不够强大，有些国外产品集成SAP的ERP系统，但是Smartpro的管理功能可能更适合中国大部分企业的现状。Smartpro的现场总线功能也还不完全，提供的先进控制算法不丰富，但目前国内大部分装置很难应用先进控制。今后，随着国内用户水平的提高，和利时正在不断丰富Smartpro的先进控制功能。Smartpro与国外系统相比差距最大的是外观结构，和利时公司将投资彻底改变此状况。但是Smartpro在本质特征上已具备第四代DCS特点，同时，Smartpro的软件平台和I/O模块已经经过几百个各类工业现场的考验，正在走向成熟。
Smartpro还在进一步丰富和完善中，但是已经具备了第四代DCS的基本框架结构和特征。
(1) 充分体现信息管理功能和集成化
Smartpro系统采用三层网络结构（在地铁应用中采用四层网络：包括一个连接车站的城域网）。其中，高层网络以服务器为中心，可以支持各种管理功能，并且，和利时自己也开发了一些适合中小型企业的管理软件平台。HS2000ERP、进销存平台、RealMIS平台、Web服务能源管理（应用于冶金企业）等。其中RealMIS已取得广泛应用。此