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　　【導(dǎo)讀：過(guò)去10年是經(jīng)歷技術(shù)爆炸的10年，技術(shù)的進(jìn)步大大改變了過(guò)程控制行業(yè)。由臺(tái)式計(jì)算機(jī)推動(dòng)的商業(yè)可行技術(shù)的采用，使供應(yīng)商可以致力于應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)，以此加快進(jìn)程并為用戶傳遞越來(lái)越多的價(jià)值。】

　　在1998年召開(kāi)的ISA電力工業(yè)部門(mén)專(zhuān)業(yè)研討會(huì)上，與會(huì)者展示的數(shù)篇文章評(píng)論了當(dāng)時(shí)最新水平的分散控制系統(tǒng)（DCS）技術(shù)的發(fā)展，就包括將更大量的商用現(xiàn)貨（COTS）技術(shù)與傳統(tǒng)上高度專(zhuān)有的供應(yīng)商特定構(gòu)架相結(jié)合的新興趨勢(shì)?？梢栽谂_(tái)式計(jì)算機(jī)行業(yè)找到的這些COTS構(gòu)件，包括了支持控制器和工作站的個(gè)人電腦（PCs），以及如Ethemet和光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）這樣的商業(yè)可行聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

　　新設(shè)計(jì)的興起

　　DCS平臺(tái)隨著臺(tái)式計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，在應(yīng)用先進(jìn)完備應(yīng)用軟件能力方面有了重大發(fā)展。這些應(yīng)用軟件可利用DCS平臺(tái)，提供前所未有的速度、功能以及靈活性。

　　同時(shí)，我們也目睹了廣泛融合常規(guī)臺(tái)式計(jì)算機(jī)技術(shù)元件控制系統(tǒng)技術(shù)的興起。從操作員工作站到過(guò)程控制器，再到網(wǎng)絡(luò)及各種操作系統(tǒng)元件，過(guò)程控制行業(yè)已經(jīng)接受了標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)式計(jì)算機(jī)，并使其適應(yīng)工業(yè)控制應(yīng)用軟件的個(gè)性需求。DCS將通過(guò)融合“開(kāi)放系統(tǒng)”技術(shù)，不斷提高其性能。

　　這一趨勢(shì)最初是從20世紀(jì)90年代初期對(duì)UNIX工作站，以及更小程度的支持人機(jī)界面（HMI）功能的PCs逐漸融合開(kāi)始的。盡管某些人起初對(duì)在關(guān)鍵任務(wù)控制應(yīng)用軟件中應(yīng)用這些COTS技術(shù)有些敏感，但這些應(yīng)用軟件依然逐漸獲得了認(rèn)可（圖l）。

圖1 在過(guò)去20年里，人機(jī)界面處理速度增加了425倍，內(nèi)存增加了l000多倍

　　20世紀(jì)90年代，UNIX及PC的計(jì)算速度和可靠性呈幾何速率增長(zhǎng)，越來(lái)越多的用戶接受了用支持HMI功能的COTS臺(tái)式設(shè)備替代專(zhuān)有供應(yīng)商特定的HMIs。而10年前，UNIX工作站是最常見(jiàn)的選擇，主要是認(rèn)為它擁有更強(qiáng)健的操作系統(tǒng)，而現(xiàn)在絕大多數(shù)用戶選擇更熟悉的支持HMI應(yīng)用軟件的Windows PC。

　　同時(shí)，臺(tái)式計(jì)算機(jī)處理能力和速度的快速增長(zhǎng)引發(fā)了控制技術(shù)的合理發(fā)展?？刂葡到y(tǒng)供應(yīng)商采用這些新技術(shù)的同時(shí)，放棄了高度專(zhuān)有的“獨(dú)特”控制器和構(gòu)架，即使這種構(gòu)架適合冗余，且使用了能滿足故障安全運(yùn)行和嚴(yán)格環(huán)境要求的工業(yè)控制應(yīng)用軟件。他們開(kāi)始引入應(yīng)用PC構(gòu)架的控制器。

　　盡管對(duì)控制器沒(méi)有嚴(yán)格使用COTS板，但是DCS供應(yīng)商的確在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的板中使用了標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)可行構(gòu)件和構(gòu)架，來(lái)滿足對(duì)工業(yè)控制環(huán)境的要求。自20世紀(jì)90年代后期發(fā)布后，這些“基于PC”的控制器能夠無(wú)縫追蹤速度增長(zhǎng)超過(guò)10倍的處理器，并為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和用戶提供比以往更多的選擇。

　　DCS網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)高速公路，是商業(yè)可行技術(shù)已經(jīng)永遠(yuǎn)改變過(guò)程控制行業(yè)的第三領(lǐng)域。10年前，DCS數(shù)據(jù)高速公路是特定供應(yīng)商僅為方便DCS構(gòu)件間的通信而設(shè)計(jì)的高度專(zhuān)有構(gòu)架。那時(shí)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)架，一些數(shù)據(jù)高速公路由供應(yīng)商負(fù)責(zé)全部設(shè)計(jì)，而其他則大體根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，但這些標(biāo)準(zhǔn)是特定系統(tǒng)所獨(dú)有的。進(jìn)行信息高速公路之外的通信很困難，而且需要開(kāi)發(fā)自定義數(shù)據(jù)源文件，這通常需要很多費(fèi)用。

圖2 自1988年以來(lái)，邏輯控制器的處理速度已經(jīng)增加了50倍

　　臺(tái)式計(jì)算機(jī)行業(yè)產(chǎn)生了兩個(gè)非官方通信標(biāo)準(zhǔn)：FDDI和快速Ethernet。它們均以100Mbps運(yùn)行，比當(dāng)前專(zhuān)有的DCS網(wǎng)絡(luò)快了10~50倍。盡管他們都不提供多數(shù)DCS網(wǎng)絡(luò)所提供的確定功能，但是其速度和總體可靠性使其更適合工業(yè)控制應(yīng)用軟件（圖2），同時(shí)更容易打開(kāi)系統(tǒng)，并可以與第三方設(shè)備和比專(zhuān)有DCS網(wǎng)絡(luò)體系更加實(shí)用的企業(yè)信息網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)。在過(guò)去10年中，快速Ethernet構(gòu)架已經(jīng)取得了市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，并融合了更大的且在多網(wǎng)絡(luò)DCS構(gòu)架中具有極大適應(yīng)性的Gigabit Ethernet標(biāo)準(zhǔn)。

　　眾多可能性

　　當(dāng)前的DCS技術(shù)不僅執(zhí)行主要的常規(guī)控制功能，比其專(zhuān)有的前身更為可靠，而且通過(guò)融合商業(yè)可行技術(shù)，具有極大的靈活性。

　　有關(guān)靈活性的例子體現(xiàn)在仿真技術(shù)上。過(guò)去，如果用戶想要一個(gè)模擬器作為操作員的訓(xùn)練工具，惟一的做法是使用與該系統(tǒng)相同的控制器和工作站。隨著時(shí)間的推移，在硬件升級(jí)或系統(tǒng)擴(kuò)充的情況下，可以保證模擬切實(shí)可行的方法是對(duì)支持模擬器的復(fù)制硬件進(jìn)行投資。而DCS控制器采用PC構(gòu)架之后，現(xiàn)在可以制造虛擬模擬器，實(shí)際的DCS應(yīng)用軟件可以用在臺(tái)式PC中，同時(shí)一臺(tái)PC可以模擬20多個(gè)DCS控制器。這樣，模擬器就可以更容易及以更低的價(jià)格進(jìn)行維護(hù)，從而產(chǎn)生更大的靈活性并節(jié)省投資。

　　新式DCS平臺(tái)除了其固有的靈活性外，還大大提高了現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力?，F(xiàn)有的計(jì)算機(jī)技術(shù)提供了大量改變電廠運(yùn)行性能和預(yù)期的增強(qiáng)功能。如流程趨勢(shì)分析、警報(bào)、日志以及歷史數(shù)據(jù)收集這些傳統(tǒng)功能，不僅變得更容易完成，同時(shí)也更方便與控制室外進(jìn)行分享，使DCS成為企業(yè)整體IT構(gòu)架的一部分。憑借強(qiáng)大平臺(tái)所固有的數(shù)據(jù)收集、管理和分析增強(qiáng)能力，部門(mén)、電廠，甚至機(jī)群內(nèi)部的過(guò)程改進(jìn)機(jī)會(huì)變得更容易鑒定和實(shí)施（圖3）。

圖3 DCS的發(fā)展

　　智能電腦

　　過(guò)去10年，低成本且功能強(qiáng)大的微芯片已經(jīng)成為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中全集成式組件，如發(fā)送器和執(zhí)行器。在其他特征中，比起使用常規(guī)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，這些“智能”設(shè)備可以測(cè)量并報(bào)告多個(gè)來(lái)自過(guò)程中的變量而同時(shí)又可提供更高分辨率的數(shù)據(jù)。另外，這些設(shè)備不斷對(duì)其健康執(zhí)行自我診斷和報(bào)告，在其影響進(jìn)程之前，可提醒操作人員對(duì)新發(fā)現(xiàn)問(wèn)題提高警惕。

　　與以往的本壘打概念“一個(gè)設(shè)備，一次布線”不同，這些智能設(shè)備可使用常規(guī)4～20mA雙絞線，或者允許多設(shè)備使用單一數(shù)字通信總線的Fieldbus網(wǎng)絡(luò)。比起傳統(tǒng)的較高設(shè)備配線成本，F(xiàn)ieldbus構(gòu)架大大降低了新電廠或新控制區(qū)的布線成本。

　　智能設(shè)備也可以無(wú)線操作。過(guò)去多年中，無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備已經(jīng)在一系列應(yīng)用中證實(shí)了自己，這些設(shè)備無(wú)需布線就能夠直接從遠(yuǎn)端場(chǎng)所采集過(guò)程測(cè)量數(shù)據(jù)。

　　曾經(jīng)只用于主要資產(chǎn)設(shè)備的故障診斷技術(shù)也發(fā)生了相同的變革。當(dāng)前，如熱量或振動(dòng)監(jiān)控儀之類(lèi)的診斷和檢測(cè)設(shè)備，成本已大大降低。安裝這些設(shè)備比較劃算，并可密切監(jiān)測(cè)關(guān)鍵電廠設(shè)備的性能和健康，在負(fù)面趨勢(shì)影響電廠運(yùn)行前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

　　圖4 為回應(yīng)技術(shù)革新，DCS技術(shù)將不斷發(fā)展，如一體化仿真、高性能數(shù)字總線構(gòu)架、無(wú)線應(yīng)用軟件、網(wǎng)絡(luò)安全關(guān)注及多功能軟件應(yīng)用程序

　　來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)傳感器、執(zhí)行器和診斷設(shè)備的數(shù)據(jù)附加價(jià)值，引發(fā)了另一個(gè)重大發(fā)展：全廠資產(chǎn)管理系統(tǒng)成為DCS構(gòu)架的有機(jī)組成部分。這一全廠資產(chǎn)管理概念超越了傳統(tǒng)DCS工況報(bào)警概念，并允許對(duì)電廠資產(chǎn)，以及對(duì)電廠狀況做出積極而非被動(dòng)回應(yīng)的操作進(jìn)行詳細(xì)協(xié)調(diào)的分析（圖4）。

　　過(guò)去10年出現(xiàn)的智能過(guò)程優(yōu)化趨勢(shì)的重要性，將因大量數(shù)據(jù)流的可用性而提高。使用如模糊邏輯這樣的高級(jí)數(shù)學(xué)技術(shù)，這些“智能”應(yīng)用軟件可嘗試不斷跟蹤現(xiàn)實(shí)電廠的運(yùn)行條件。一邊積累經(jīng)驗(yàn)，一邊獲取信息，然后在明確目標(biāo)的指導(dǎo)下，通過(guò)調(diào)整過(guò)程設(shè)置點(diǎn)來(lái)優(yōu)化生產(chǎn)。如NOx優(yōu)化這樣的高級(jí)技術(shù)在很多領(lǐng)域已經(jīng)被成功使用，在這些領(lǐng)域中，該技術(shù)幫助公用事業(yè)公司平衡排放與當(dāng)前限制或信用的關(guān)系。如今，更高級(jí)的數(shù)學(xué)模型正在應(yīng)用當(dāng)中，這將帶來(lái)更進(jìn)一步的優(yōu)化，其中包括模仿生物反應(yīng)模型，如免疫系統(tǒng)反應(yīng)等。

　　認(rèn)識(shí)到開(kāi)放系統(tǒng)技術(shù)所有的優(yōu)點(diǎn)及其性能不斷增強(qiáng)的同時(shí)，也需要對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行管理。其中，最重要的要求是提高對(duì)系統(tǒng)安全的關(guān)注。盡管北美電力可靠性公司的關(guān)鍵基礎(chǔ)建設(shè)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為系統(tǒng)安全工作提供了一個(gè)框架，但用戶和供應(yīng)商共同貫徹安全方案，使系統(tǒng)完整性免于有意識(shí)和無(wú)意識(shí)的威脅依然非常重要。