1、DCS技術發展歷史及現狀
DCS自1975年問世以來，經過四十多年的發展，雖然在系統體系結構上沒有發生重大改變，但是經過不斷地發展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。總的來說，DCS正在向著更加開放和高度集成、更加標準化和智能化的方向發展。
1.1 DCS的發展歷史
1975年至20世紀80年代前期為第一代產品。1975年美國Honeywell首次推出了其綜合分散控制系統TDC-2000(total distributed control-2000)，從此，過程控制進入了集散系統的新時期。其特點是：注重控制功能的實現，可實現分散控制和集中監視；但人機界面功能弱、控制簡單、通信能力差、互換性差且成本高。
20世紀80年代中期至90年代前期為第二代產品。隨著計算機的發展與網絡開發使各控制廠商更多地采用商業計算機的技術，20世紀80年代末許多DCS廠商推出新一代的分散控制系統，其主要特征是新系統的局部網絡采用MAP協議，引用了智能變送器與現場總線結構，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90年代中期至21世紀初，各家DCS廠商以信息技術、先進控制技術和現場總線技術的發展為依托，先后推出了集成高速工業以太網、現場總線和先進控制器的第三代開放型DCS。其典型代表是日本橫河的Centum3000，Honeywell的C300 PKS系統，Emerson的Delta V系統等；國內浙江中控的DCS也得到了長足的發展，在2010年以來其常規DCS和DCS/FFCS在石化行業得到了越來越多的應用，并取得了良好的業績。
21世紀初以來，DCS在總體網絡結構基本穩定的基礎上，其控制層繼前期應用FF現場總線技術之后，涉及I/O模塊變革的電子布線技術也已問世，并在近年得到了推廣和應用。
1.2 DCS現狀
第三代常規DCS網絡結構如圖1所示，其結構主要分為3層：信息層、控制層和設備層(傳感/執行層)，控制層和設備層的儀表在接線方式上不斷創新：由模擬量進化為HART智能儀表、由點對點連接改變為1根電纜連接多臺儀表的總線方式、再發展到當前較新的云I/O拓撲的電子布線結構方式。
圖1 第三代常規DCS網絡結構示意
1.2.1 常規DCS結構模式
①信息層。采集控制層的所有數據進行處理并上傳至工廠信息管理網。
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。經過Modbus RS-422/485/232或Modbus TCP/IP與其他PLC控制器的通信卡件連接。
b)與設備層的連接。經常規的I/O卡件初步處理接入的檢測儀表測量信號數據后，由控制器模塊運算后發出控制指令給現場調節儀表實施生產控制。
③設備層。主要是溫度、壓力、流量、液位等4種檢測儀表，氣動和電動調節器執行機構，閥門及在線分析儀表等設備。另外，無線通信儀表目前也已在投入試用中。
1.2.2 常規DCS和FF現場總線系統混用模式
該模式總體框架及上層結構與常規DCS相同，只是在控制層上根據現場實際情況采用冗余H1現場總線通行卡件，目前的成功應用實例是每對冗余的H1通行卡件(或每個Segment)最多可連接12個現場總線儀表。但復雜控制、涉及裝置安全的關鍵控制回路和用于順序控制的邏輯功能塊的相關儀表設備仍采用常規I/O卡件的信號輸入模式。
另外，FF總線控制器和先進控制器采用TCP/IP的通信模式直接掛到工業以太網上作為控制層的獨立設備實施控制功能。
1.2.3 采用電子布線技術的常規DCS模式
該模式仍采用常規DCS的結構，只是采用電子布線技術，將現場信號直接接入I/O通道；或直接將I/O卡件機柜(箱)放置于現場，采用光纖通信至現場機柜間的控制器。
2、DCS的發展趨勢
在第三代DCS成型后二十余年以來，其技術的發展均是在基本網絡架構的基礎上實施創新：
①在軟件功能上進一步提升管理水平和先進控制模塊的性能，以契合工業4.0技術的發展潮流。
②在控制層向下至設備層，在儀表信號接線方式上取得了突破，相繼推出了各種智能儀表(含無線智能儀表)、FF現場總線儀表和電子布線技術。
總體來說，其信息層的軟件平臺和控制層還不能打破供貨商之間的品牌壁壘，無法做到相互兼容。這就導致了一方面市場上各種品牌相互之間競爭激烈；另一方面在系統投用后用戶的管理難度大、檢維修成本高，且技術轉向難。
為打破這一壁壘，美國開放集團(The Open Group)組織一個新的面向流程工業控制技術的標準化活動，即開放流程自動化論壇OPAF(open process automation forum)。在選擇現有的、卓有成效的適用工業標準的基礎上，綜合開發新的系列標準。在2019年2月該組織正式推出了開放流程自動化標準(O-PASTM)1.0版，提出了一個與供應商無關的新一代控制系統的概念驗證系統參考架構。
OPAF概念驗證系統基本實現了可互操作性、可交換或可替代性、組態和應用的可移植性，以及應用開發的靈活性。供應商提供的硬件、軟件產品構成的系統，產品之間的互操作性都按照標準實現，無需通過網關或通過軟件轉換；參與構成系統的同類型部件都可以個別的和自由地在供應商間替代。
該系統的主要原理是：利用軟件容器化技術，構成一個分布式控制節點(DCN)，其中可容納所需的各種APP功能軟件，如監控和管理DCN的APP、現場總線和工業以太網的APP、現有的過程控制算法APP、新開發的過程控制算法APP等。
DCS演變為新一代的分布式控制系統示意如圖2所示，新一代分布式控制系統的架構是：與現有第三代DCS的L1/L2相對應的系統架構是建立在分布式控制節點和單通道I/O模塊，支持現場數據采集并實時進行數據運算處理、連接其他網絡協議的實時通信接口；系統由許多個有I/O的DCN和無I/O的DCN，以及一個與云端連接、執行集中應用的DCN構成，DCN的數量可達數千個。屬于L3的則是DCS的HMI功能、服務器、先進控制算法的運算功能以及MES的功能，可以運用由服務器構成的虛擬系統，在一種開放型的軟件環境下實現。
圖2 DCS演變為新一代的分布式控制系統示意
因此，如果OPAF的驗證系統測試成功且進一步完善，由此而面世的新一代DCS將是真正意義上的開放型分布式控制系統：可以在通用軟件平臺上開發系統軟件，市場上所有DCS軟件功能模塊和硬件產品均可兼容及互換。筆者認為，這也將是DCS技術近期可以預見的發展方向和趨勢：向開放性、綜合性、智能化、PC化和專業化方向發展。
3、電子布線技術簡介
3.1 電子布線技術的概念及其工作原理
①電子布線技術的概念
電子布線技術是一種利用“電子線路”消除或取代物理布線的技術，即消除現場儀表信號從現場接線箱至中間接線柜再連接至I/O卡件的物理布線，并在電子特性化的端子上實現一次轉換以減少相應的線纜連接。
②工作原理
電子布線技術利用微電子技術發展的小型化、功能特定化等特征來促進DCS硬件及網絡拓撲結構的變革；將常規接線端子數字化、特性化以取代傳統I/O卡件，以成熟的光纖通信技術代替電流信號傳輸。傳統I/O現場信號連接和電子布線技術現場信號連接分別如圖3和圖4所示。
圖3 傳統I/O現場信號連接示意
圖4 電子布線技術現場信號連接示意
3.2 電子布線技術介紹
CHARM電子布線技術產品結構示意如圖5所示。
圖5 CHARM技術產品結構示意
從圖5中可以看出，該電子布線技術由與控制器通信的冗余以太網接口、冗余直流24 V電源、通信模塊(CIOC)、CHARM及含接線端子的CHARM安裝底板組成。
每對冗余控制器可以支持16個CIOC模塊，每塊CIOC模塊可以支持8個CHARM底板即96個信號通道，并可與4個獨立的控制器通信。每塊CIOC模塊下有96個I/O通道獨立的接線端子和特性化模塊，將通道特性和卡件特性解綁以實現更靈活的系統配置；每個I/O通道可根據實際需要，選取特性化模塊來處理不同類型的信號，比如：最常見的4～20 mA AI/AO，24 V(DC)DI/DO信號等；而CIOC卡件則負責I/O數據二次定標和智能設備信息解讀并與控制器進行通信。
Emerson的DeltaV系統支持40多種CHARM模塊，可以處理從RTD到230 V(AC)DI信號，從安全區信號到本質安全信號，從普通信號到安全聯鎖信號等各種類型的信號。
所有電子布線技術相關組件都適用于防爆2區安裝、-40～70 ℃寬溫工作和G3防腐處理。
3.3 電子布線與常規DCS的技術比較
電子布線的特點及與常規DCS的技術比較見表1所列。
表1 電子布線與常規DCS的技術比較
續表1
4、電子布線應用實例
電子布線技術自2011年問世以來，先后在國內外得到了成功的應用。下面介紹國內石化行業和煤化工行業的兩種不同形式的應用實例。
4.1 石化行業的應用實例
某項目是對老廠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點數約3×103點。
由于是老廠改造，其機柜間、工程師室和操作室空間緊張，且現場儀表設備和電纜敷設已經定型，現場儀表和DCS的維護管理存在明確的覆蓋面，以DCS接線柜的儀表信號接線端子為界，所以，根據實際情況，該項目雖然選用了Emerson的電子布線技術，但也僅限于在機柜間，沒有改變現場儀表設備的接線和電纜敷設方式。該項目的電子布線技術應用如圖6所示。
圖6 某石化企業DCS改造項目的電子布線技術應用示意
從項目實施情況看，效果很好，其優點有以下幾個方面：
①該項目2015年1月啟動設計，2015年12月投入使用。從老系統拆除和新系統安裝、調試及投用僅歷時45d。
②減少接線柜、合理利用有限的機柜間空間，從另一個方面來說就是可以減少機柜間空間的需求。
③故障率低，從2015年12月底投用至今，約3×103個電子布線卡件在正常工況下僅損壞2個。
④故障狀態下影響面小、成本低，只涉及1個I/O通道，DCS常規I/O卡件一般是8，16，32個通道，壞1個通道就需更換整塊卡件。
⑤新增設備接入方便，無需選擇不同類型的I/O卡件，只需就近選用電子布線卡件接入即可；不受不同類型卡件備品備件和機柜空間的影響。
⑥組態下載方便，可以單個通道下載，不影響其他通道。
4.2 煤化工項目應用實例
某項目為新建的煤化工項目，主要包括：乙烯裂解(含丁二烯)、聚烯烴、聚氯乙烯(PVC)、環氧乙烷(EO)、環氧丙烷/苯乙烯單體(PO/SM)和儲運等裝置和設施，總I/O點數約6.5×104點。
由于是新建項目，沒有各種約束條件，所以該項目采用了完整的電子布線技術：從裝置到機柜間，除SIS、氣體檢測器、氧分析儀和四線制儀表的電源使用主電纜外(20根左右)，其余都是從現場CHARM柜的CIOC通過光纜傳輸至控制器。即機柜間只安裝了控制器、通信卡件及相關設施，CHARM柜及相關的配電設施均安裝在裝置現場。該項目DCS電子布線技術應用如圖7所示。
圖7 某煤化工項目DCS電子布線技術應用示意
從該項目的實際經驗可以發現，該電子布線技術優點有以下幾個方面：
①由于CHARM機柜移至現場，且省去了I/O信號中間接線柜，從而在大幅降低綜合系統成本的基礎上，也大幅縮小對于現場機柜間空間的要求。
②大幅節省從現場接線箱到現場機柜間(或控制室)的多芯電纜及橋架，大幅降低了項目儀表線纜、材料成本和施工量及相應的工程費用。如以現場CHARM機柜與現場機柜間的平均距離為200 m，現場主干電纜采用16芯阻燃鎧裝電纜(4.0元/m)考慮，6.5×104個I/O點所需電纜成本約650萬元人民幣，施工費用(按2元/m計費)約325萬元人民幣。光節約電纜一項就可降低項目成本975萬元人民幣，另外還有因機柜和電纜槽盒的減少其相應的施工費用也節省了很多。
③標準化接線箱設計提高供貨速度，減少集成環節，加快工程進度。每個CHARM柜80-96點，現場CHARM柜容許多個接線小組同時施工，只接CHARM柜側和現場儀表處。穿電纜、做電纜頭用時約2人×1.5d，完成1個CHARM柜的接線工作,用時約1人×1天。
④回路調試時，1個小組用時1d完成約100臺儀表。接線錯誤減少，問題處理更快。
然而，由于DCS的CHARM柜(或箱)安裝在現場，且需現場配置供電設施，所以導致：一方面對現場安裝區域的選擇需慎重，另一方面不利于現場維護。特別是打破了DCS和現場儀表已經成型的運行維護界面，需重新界定其工作界面并培訓。
4.3 應用效果
由上述兩個應用實例證明，DCS電子布線技術的應用是成功的，其優點如下：
①高可靠性。單通道I/O卡件的故障率低，故障后影響面小，便于更換和組態下裝。
②項目成本低。大幅減少項目的儀表信號電纜、電纜槽盒和機柜間卡件的需求，從而大幅減少項目工程量。
③縮短項目工期需求。DCS集成量和集成時間減少，現場調試時間減少。
當然，從應用情況看，DCS電子布線技術也存在以下不足：
①需現場配電，對現場配電設施的安裝位置和防爆等級有嚴格的要求。
②由于I/O及通信設施移至現場，打破了傳統的DCS與現場儀表之間的運行維護界面，需用戶根據自身實際情況合理安排。
5、結束語
綜上所述，電子布線技術的應用取得了成功。受應用環境和現場條件的影響，仍無法完全取代FF現場總線和常規智能儀表的接線方式，在近期也只能是幾種技術應用共存，無法相互代替。隨著相關技術的成熟，電子布線技術在自身技術不斷完善的情況下將可能是一種過渡技術或作為下層子模塊與下一代流程自動化控制系統集成。
作者：劉齊忠、郭金鳳
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