DCS--卓越实践30年

作者：ARC咨询公司 Larry O'Brien, Dave Woll

欢迎访问e展厅 展厅 7 工业PC/工控机展厅 DCS卡, 平板电脑, 工控板, 单板机, 监控系统, ... 2005年，标志着DCS系统进入工业应用30周年。过去30年中DCS发展正好反映了过程自动化从专用技术和封闭系统走向商业化组件、标准现场网络和基于Windows的操作系统。今天，DCS的结构体系已经从以系统为中心发展为以业务过程为重点，并帮助过程行业获得卓越的运行效率。 现代过程自动化的历史可以细分成5个界限清晰的阶段： （1）20世纪60年代～70年代初，以计算机集成制造（CIM）为中心的时代； （2）20世纪70年代后期～80年代，以DCS系统为中心的时代，标志着计算机开始广泛应用于过程自动化； （3）20世纪80年代～90年代初，以网络为中心的开放式系统时代，其特点是开放式网络（如以太网）和开放式操作系统（OS）（如Unix）的大量进入。 （4）20世纪90年代后期，以应用为中心的过程自动化系统（PAS）的使用，这种系统涵盖了更多的行业标准开放技术，如互联网、XML和OPC等。 （5）20世纪90年代后期至现在，其特点是以业务为中心、基于模型的方法，强调通用工作流程和协作计算，具体也反映在ARC提出的协作过程自动化系统（CPAS）的新概念中。 以CIM为中心的时代 在20世纪60年代至70年代初的这10年里，自动控制从专用气动和模块化电子控制器发展到以微型计算机控制为主。微型计算机在制造业的使用之初被称为计算机集成制造（CIM）。这个十年见证了软件的快速发展、特别是通过软件对模拟控制器进行模仿，以及对监测层的软件控制、优化和模型建立等，尤其著名的是通过软件实现模型预测性控制（MPC）和统计工艺控制(SPC)。而第一批数字批次控制系统也是在这个阶段引入的。另外，将计算机作为共享的显示工具并取代专用控制面板也是这个时代的标志。 DCS其实是在以CIM为中心的时代开始真正成形的。网络化的模拟控制器第一次开始实现分布控制系统的功能。在此之前，过程控制采用的控制方法可称为直接数字控制（DDC），即控制算法直接运行在与过程I/O点连接的过程计算机上。DDC在过程自动化中首次使用了对象技术，一种DCS系统的使能技术。 以系统为中心的时代 1975年引入的分布控制系统DCS标志着以系统为中心的时代的出现。霍尼韦尔和横河公司几乎在同一时间推出他们独自开发的DCS，分别为TDC 2000和 CENTUM系统。这标志着一个时代的开始，此后，几乎所有流程自动化供应商都推出了他们自己的分布式控制系统版本。 DCS时代的出现很大程度上是由于微型计算机的普及以及微处理器在过程控制流域里的应用扩展。以前，计算机已经通过整定点控制方式应用于过程自动化，计算机可以监控一系列的模拟控制器。微型计算机越来越广泛的应用使得供应商可以将这种模式向前推进一步，让微型计算机作为监控上位机，专门控制一些数字回路控制器，而让基于阴极射线管（CRT）的显示器作为可视化工作站，以文本和原始字符图形方式提供过程显示。全功能图形用户接口在当时还远未达到可用的程度。 DCS模式的核心是一批控制功能模块，最初由Foxboro公司推出。这种控制模块是面向对象技术的最初体现之一，它们本身就包含了软件代码，从而能够模仿模拟控制器硬件以控制零部件并执行过程控制中的基本任务，如实现PID算法。这种控制功能块发展至今，仍然是DCS供应商采用的主要控制手段之一，而且在今天还得到诸如基金会现场总线FF等关键技术的支持。 控制器和上位监控计算机之间的数字通信是DCS的主要优点之一，人们的关注点适时地集中到网络上，网络可提供极其重要的通信线路，同时对于过程应用而言，通信网络还必须包括一些特殊功能，如确定性和冗余功能等。因此，许多供应商采用了IEEE 802.4网络连接标准，为进一步采用标准网络技术奠定了基础。可以看到，到后来当网络信息技术进入过程自动化领域之后，以太网标志IEEE 802.3就很自然地替代了IEEE 802.4而成为控制局域网的主要通信方式。 以网络为中心的时代 DCS将分布式智能带进工厂，使得计算机和微处理器进入过程控制中。但是，DCS仍然未能提供统一工厂资源所需的广度和开放性。在许多情况下，DCS仅仅替代了执行同样功能的模拟控制器和控制面板显示。这一点也反映在为定义制造运行管理关系而开发的普度参考模型(Perdue Reference Model)里，PRM模型后来成为今天ISA95标准的基础。 从20世纪80年代起，用户开始考虑拓展DCS的功能，而不仅将其作为基本的过程控制手段。人们相信，如果能够实现开放性，让更多的数据能够在整个企业内分享，可能会带来许多好处，但是，到底能够有什么好处，只有少数人心中有数。提高DCS开放性的首批尝试促成了当时占主要地位的操作系统——Unix被采用。Unix及其配套的TCP/IP网络标准技术是（美国）国防部为解决国防部门信息开放性问题而开发的，而开放性问题也是过程工业正在设法解决的问题。 最后，供应商也开始纷纷采用基于以太网的网络，同时添加上他们自己的专有协议层。完整的TCP/IP标准还没有执行，但是，以太网的应用使得对象管理与全局数据访问技术的实现第一次成为可能。20世纪80年代还出现了第一个PLC被纳入DCS基础架构中的过程。人们同时也开始强调扩大自动化系统范畴的重要意义。采用Unix和以太网网络技术的第一家供应商是Foxboro公司，他们在1987年就推出了I/A系列的DCS系统。 以应用为中心的时代 20世纪80年代开始的开放性发展势头一直继续到90年代，越来越多的人采用商业化的现成（COTS）零部件和IT标准。应该说，这段时间最大的发展是从Unix操作系统到微软Windows操作系统的过渡。目前，只有在实时操作系统（RTOS）中仍然是Unix系统或专有操作系统占主导地位，而其他的非实时控制应用中，都开始过渡到Windows操作系统。 微软对桌面计算机和服务器层面的渗透，带来了诸如OPC一类技术的发展，这种技术现在已经成为行业的事实上的连接标准。互联网技术也开始在自动化和DCS领域内留下自己的痕迹，多数DCS系统的HMI都支持互联网的连接。类似于以网络为中心的智能传感器时代，HART协议在现场装置连接中占据了主要地位，并为90年代上演的“现场总线大战”铺设了舞台，使得互相竞争的总线组织纷纷为IEC现场总线标准下自己的定义。90年代末，这种技术的发展势头进一步加强，市场逐渐围绕过程自动化应用最多的FF现场总线和Profibus PA总线巩固下来。有些供应商从基础做起，建造新系统，最大限度地利用现场总线的功能，如Emerson公司的DeltaV控制系统等。 不过，COTS的影响在硬件层面上反映得最为清楚。多年以来，DCS供应商的主要业务一直局限于供应大量硬件，特别是I/O和控制器。随着初期DCS的不断应用，这些硬件的安装需求数量相当庞大，多数的硬件又都是由DCS供应商从下至上地制造出来的。由于来自英特尔、摩托罗拉等生产厂家的计算机零部件价格高昂，DCS供应商不得不继续制造他们自己的零部件、工作站和网络硬件等。 当供应商开始生产COTS零部件时，他们还发现硬件市场已经迅速萎缩了。COTS不仅降低了供应商的制造成本，而且还降低了最终用户支付的价格，最终用户也不断地对他们认为高得离谱的硬件价格发表自己的意见。一些原来在PLC领域中业务很强的供应商，如罗克韦尔自动化公司和西门子公司等，能够充分发挥他们在制造控制硬件方面的专有技能，开始以成本效益良好的产品切入DCS市场。 让问题更加复杂化的是供应商同时还认识到硬件市场正在日趋饱和。诸如I/O和布线等硬件产品的寿命周期一般在15～20年的范围内，使备件备品市场极具挑战性。20世纪70年代和80年代安装的老系统今天仍然在使用。ARC认为，市场上，这些系统的装机规模相当庞大，而其中的大量系统已经在接近它们最终的有效寿命。发达工业国家，如美洲、欧洲和日本已经安装了数以千计的DCS，而近来又没有建设太多的新厂，新硬件市场正在迅速转移到规模较小，但是成长迅速的地区，如中国、拉丁美洲和东欧。 因为硬件业务的萎缩，供应商开始颇具挑战性的战略转移，从以硬件为基础的业务模式向以软件和增值服务为基础的业务模式转移。这个战略转移直到今天仍然在继续。90年代，供应商提供的应用套件范围扩展得非常广，包括生产管理、基于模型的控制、实时优化、工厂资产管理（PAM）、实时性能管理（RPM）工具、报警管理和许多其他应用软件。为了从这些应用中获得真实价值，经常需要有大量的服务内容，供应商同时也提供这些服务内容。DCS供应商的服务范围也大大扩展，例如许多供应商可承担主自动化承包商（MAC）的角色，总揽与自动化有关的整个项目的各个方面的工作。 以业务为中心的协作自动化时代 2000年以后，随着信息技术被引入过程自动化领域，DCS市场的博弈场景发生了激烈变化，从以技术为中心转移到以业务为中心。许多用户认识到，他们陈旧的基础设施已经成为障碍，阻碍他们从信息技术中获得好处，也阻碍他们从投资中得到应有的回报。这些用户还认识到，自动化控制技术本身就成本而言已经不再划算。 用户发现，自动化技术可用于消除业务性能障碍，提高总体业务价值等，而诸如资产利用、资产回报、工厂性能提高等工作被提到了相当重要的位置。 为技术而技术早已不再是自动化项目可行性的有效论据。用户有关系统采购决策的依据越来越倾向于资产回报率（ROA）、资产可用性等，并将系统的采用看作自身通向企业卓越化运行的途径。更多地采用标准是迈向卓越化运行的一种驱动力。例如，ISA95标准正在促进工作流程的集成。 技术发展的步伐在不断加快，产品寿命周期越来越短，重大修改周期也日益缩短，所有这些使得管理DCS技术发展方向的问题比以往任何时候都更加复杂。多数用户将版本管理、补丁管理和其他与IT关联的领域看作当今面临的与自动化系统有关的主要挑战。同时，用户还面临应对这些问题所需的工厂内部资源日益萎缩的问题。 技术的快速发展加上众多即将达到生命周期终点的DCS系统，给希望过渡到最新DCS平台的用户提出一个难题。这种转移或演变可以采用一次到位的彻底方式或分步实施的方式完成，困难程度取决于老系统与目标系统之间的差异。 ARC公司相信，过程自动化可给过程制造业者提供非同凡响的竞争优势。在最高制造水平上运行的一家制造公司，其公司的效率直接与其内部运作是否协调统一和得到支持有关。最近DCS技术的许多进展都反映出用户对内部协作的需求。 DCS在向协作过程自动化系统(CPAS)演变的过程中，将继续扩展其应用重点，从基本调节控制发展成工厂过程自动化管理和工作业务流程管理的单一平台。ARC公司对协作过程自动化系统的设想是一个裁剪的、可用性高的平台，这个平台有利于创造一个功能强大、数据丰富和不受约束的过程控制环境。它是一个以工作流程为中心的平台，在这个平台上的工作流程体现了最佳的运行实践方法，各种应用之间可直接完成实时和上下文信息的交换。这种实时信息交换是协作过程自动化系统的重要概念，可称为信息同步化（information synchronization）。 原载MM《现代制造》杂志(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (6/8/2006)