分散控制系統(tǒng)（DCS）應用技術有待完善

摘要： 文章分析了DCS系統(tǒng)在現(xiàn)階段火力發(fā)電廠過程控制領域扮演重要角色的原因，闡述了DCS系統(tǒng)在過程控制實際應用中存在的一些主要問題。并對在浙江省內發(fā)電廠中應用的幾種DCS系統(tǒng)在一些方面作了比較。
關鍵字： 分散控制系統(tǒng) DCS 應用技術 故障分散
1 引言
　　DCS（Distributed ControlSystem）系統(tǒng)在火電廠發(fā)電機組過程控制中的應用已有十多年的歷史了，而且正在越來越多地得到應用。當今流行的DCS系統(tǒng)有C＆E的MOD－300，HONEYWELL的TDC－3000，F(xiàn)OXBORO的I／AS，日本橫河的CENTUMXL，WESTINGHOUSE的WDPF，BAILEY的INFI－90，SIEMANS的TELEPERM ME／XP。就目前這幾家主要DCS廠商所提供的系統(tǒng)來看，在應用上均不同程度地存在一些問題，例如系統(tǒng)可靠性，實時性，系統(tǒng)組態(tài)的靈活便捷性等都有待進一步突破。本文對DCS系統(tǒng)在實際應用中存在的一些問題加以分析探討。
2 DCS系統(tǒng)推出的初衷
　　DCS系統(tǒng)的推出并逐步發(fā)展成為過程控制領域的主角是由于以下一些原因：
　　（1）現(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)日趨大型化，復雜化，需要檢測和控制的參數(shù)大量增加，使得傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)顯得難以勝任，勢必得另辟蹊徑。
　　（2）傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)通常使用多個生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品，使得工藝生產(chǎn)所需的備品備件品種繁多，為此而化費大量人力物力，并且工藝生產(chǎn)在相當程度上依賴這些儀表生產(chǎn)廠商。這一狀況也希望有所改變。 　
　　（3）數(shù)字電路技術的迅猛發(fā)展，尤其是大規(guī)模集成電路技術的應用，集成度以及成品率大幅度提高，使得在過程控制中大量使用微處理器在成本上成為可能。
　　（4自動化控制理論的發(fā)展，特別是連續(xù)系統(tǒng)離散化理論，采樣理論，這些理論大大地推進了過程控制從傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)向DCS系統(tǒng)變革的進程。
　　（5）通訊理論和技術的發(fā)展，在對局域網(wǎng)（LAN）的大量研究過程中，通訊理論和技術得到了極大的發(fā)展和完善，這方面對DCS系統(tǒng)發(fā)展的影響是舉足輕重的。
　　（6）計算機應用技術的發(fā)展，尤其是微軟公司的WINDOWS－95這樣的操作系統(tǒng)軟件的推出，為計算機在過程控制系統(tǒng)中的應用奠定了基礎，計算機和操作人員之間有了良好的界面，使不具備計算機專門知識的操作人員樂于接受。
　　（7）計算機集中控制系統(tǒng)存在固有的一些缺陷如故障集中，因此為了提高可靠性而需要巨大的費用，集中控制系統(tǒng)需要較大規(guī)模的計算機，價錢昂貴。相對來說DCS系統(tǒng)所用的微處理器和微機要便宜得多，故障相對分散，并且DCS系統(tǒng)中的微機或微處理器是并行運行的，相對于集中控制系統(tǒng)計算機的串行運行來說處理速度也大大提高，因此具有更高的實時性指標，這些是DCS系統(tǒng)優(yōu)于集中控制系統(tǒng)而得到迅速發(fā)展的關鍵所在。
　　以上列舉了足以說明為什么DCS系統(tǒng)會在過程控制領域一顯身手的主要原因。現(xiàn)在來看看最初推出DCS系統(tǒng)的一些初衷。
　　DCS系統(tǒng)是相對于計算機集中控制系統(tǒng)而言的計算機（或微機）控制系統(tǒng)，它是在對計算機局域網(wǎng)的研究基礎上發(fā)展起來的，是過程控制專家們借用計算機局域網(wǎng)的研究成果，把局域網(wǎng)變成一個實時性、可靠性要求很高的網(wǎng)絡型控制系統(tǒng)，運用于過程控制領域。專家們把這樣的一個網(wǎng)絡型控制系統(tǒng)稱之為DCS。專家們的初衷應該是，這樣的控制系統(tǒng)至少帶來以下一些好處：
　　（1）故障分散。這是推出DCS系統(tǒng)的最大理由，DCS系統(tǒng)就是要解決集中控制系統(tǒng)致命的弱點，“故障集中”。故障分散的理由是DCS系統(tǒng)采用了大量的微處理器，各個微處理器承擔一個范圍較小的（地域上）控制任務，某個微處理器故障不會影響整個系統(tǒng)的正常工作。
（2）縮小控制室尺寸或控制表盤的長度。
（3）大量縮減控制系統(tǒng)所需的電纜。
（4）大量減少控制系統(tǒng)所需的備品備件種類及數(shù)量。
　　（5）減少工藝生產(chǎn)的運行對儀表控制設備廠商的依賴，減少儀控人員培訓所需的費用。
　　（6）提供了控制系統(tǒng)構成的靈活性，具有組態(tài)便利和可擴展性。
　　（7）實現(xiàn)過程實時參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)的管理，提供性能計算，設備壽命計算功能。這一點是傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)所望塵莫及的。
3 目前階段市場能提供的DCS系統(tǒng)的實際能力
　　從在浙江省電力系統(tǒng)發(fā)電廠中應用的BAILEY的INFI－90，C＆E的MOD－300以及SIEMENSR的TELEPERM－ME／XP等DCS系統(tǒng)來考察，筆者的見解如下：
　 （1）關于故障分散。相信大多數(shù)DCS系統(tǒng)生產(chǎn)廠商現(xiàn)階段所提供的系統(tǒng)在實際應用中并非想象的那么“故障分散”。事實上，由于DCS系統(tǒng)在應用技術方面尚存在一些問題，1臺由DCS系統(tǒng)控制的火電廠單元發(fā)電機組，因DCS系統(tǒng)的某些故障而被迫停運的情況時有發(fā)生。這一點與傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)相比后者似乎要優(yōu)于前者。正因為這樣，DCS系統(tǒng)的構成越接近傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)，即微處理器或多功能控制器所承擔的控制任務從地域上越分散，越能做到故障分散。從這一點上看，SIEMAMS的系統(tǒng)做得較好，它的一塊控制卡件（帶有微處理器，可與其他卡件或通過通訊總線與其他子系統(tǒng)如操作員站工程師工作站等通訊）只承擔2～4個電動機或電動門的開環(huán)控制回路，或1～2個閉環(huán)控制回路，并且這塊卡件既承擔邏輯控制功能，又承擔與這些邏輯控制有關的I／O功能。這樣做對故障分散是十分有利的。然而，其它的系統(tǒng)通常把許多過程控制任務集中在少數(shù)多功能控制卡件或微處理器身上，把過程控制的輸入輸出即I／O功能集中在I／O卡件上。這些系統(tǒng)客觀上是把過程控制的故障集中起來而不是把它們分散，似乎有悖于“DCS”這個名稱。不過SIE－MANS的系統(tǒng)也有問題，它的ETHERNET與ME系統(tǒng)的通訊還有些問題需要解決。SIEMANS的TELEPERM－ME系統(tǒng)是一個非常成熟的系統(tǒng)，ME系統(tǒng)加上ETHERNET網(wǎng)絡就是最新推出的TELEPERM－EM／XP系統(tǒng)（浙江臺州發(fā)電廠四期兩臺330 MW機組中應用），因為是新的系統(tǒng)，相信許多應用軟件（尤其是那些有關通訊的軟件）還得經(jīng)歷時間的考驗。如果這些問題得到了解決，則無論從故障分散這個角度還是其它方面例如制造工藝來看，它都占有一定程度的優(yōu)勢。DCS，故障分散，似乎SIEMANS的路子是走對了，因為他們的系統(tǒng)最接近傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)，控制功能比較分散，要做到故障分散，一定得把控制功能分散。
　 （2）關于控制室的尺寸和表盤長度。這一點所有的DCS系統(tǒng)都做得到。不過與傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)相比，電子室的尺寸和設備相對增加，這一點DCS系統(tǒng)給我們帶來的實際利益并不顯著。
　 （3）關于節(jié)約電纜。由于DCS系統(tǒng)所采用的設備器件在現(xiàn)階段來說仍然是比較嬌貴，對現(xiàn)場環(huán)境的要求比較高，例如需要防塵和空調，REMOTEI／O還不能大量使用，因此，DCS系統(tǒng)的主要設備都需要安置在條件比較好的電子室，大量的現(xiàn)場信號仍然需用電纜接到電子室。所以說，與傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)相比，電纜有所縮減，但效益有限。
　 （4）關于減少備品備件的種類和數(shù)量。備品備件的種類和數(shù)量有所減少，并且需要與之打交道的儀表控制設備制造廠商也有所減少。
　 （5）關于減少機組運行對儀表控制設備制造廠商的依賴，減少儀控人員技術培訓所需的費用。由于DCS系統(tǒng)在應用技術方面還不能盡如人意，因此，機組運行對DCS系統(tǒng)生產(chǎn)廠商的依賴不但沒減少反而有所增加，尤其在機組新建成投產(chǎn)期間，DCS生產(chǎn)廠家派往工地的專家服務似乎成了機組投產(chǎn)調試期間必不可少的了。為了用好DCS系統(tǒng)需要培訓的工程技術人員也有所增加，因此培訓所需費用也有所增加。
　　（6）關于控制系統(tǒng)構成的靈活性，組態(tài)的便捷性和系統(tǒng)的可擴展性。系統(tǒng)構成的靈活性以及系統(tǒng)的可擴展性，這一點確實是傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)無法與之相比的。大多數(shù)DCS系統(tǒng)的組態(tài)也是比較方便的。不過多數(shù)系統(tǒng)在在線組態(tài)功能方面尚有許多工作可做，好多系統(tǒng)為離線組態(tài)，在工程師站編程，然后編譯，再下載。并且有些系統(tǒng)這一過程比較費時，在調試期間這一問題尤其突出。關于這個問題，SIEMANS的系統(tǒng)較有特色，它不但在線組態(tài)，而且設計有仿真功能，這給調試工作帶來極大的方便。
　 （7）關于DCS系統(tǒng)提供了一些獨特的控制功能，如歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的管理，性能計算等等。這一點是傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)所無可比擬的，正是由于DCS的這些優(yōu)勢，把過程控制推向一個新的更高層次的領域。
　　綜上所述，現(xiàn)階段市場所能提供的DCS系統(tǒng)在應用中帶來的益處遠沒有象我們想象的那么多。當然，DCS系統(tǒng)解決了現(xiàn)代化大生產(chǎn)中過程控制傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)難以勝任這一問題，而相對于計算機集中控制來說故障還是分散的，在許多方面有其獨特的優(yōu)點，是傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)和計算機集中控制系統(tǒng)所無法比擬的。
4 應用中存在的一些問題
　　 現(xiàn)在的DCS系統(tǒng)在應用技術方面尚有以下一些問題：
　　（1）故障分散。目前的DCS系統(tǒng)還沒有做到真正意義上的故障分散，這一方面是由于目前的器件仍然比較嬌貴，因此控制系統(tǒng)在地域上做到分散還不能實現(xiàn)（盡量接近傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)）。工業(yè)控制的現(xiàn)場條件一般是比較惡劣的，粉塵，溫度，濕度對現(xiàn)階段廠商所能提供的遠程I／O卡來說仍然難以適應。如北侖電廠1號機有些I／O卡只能相對集中放置在現(xiàn)場，在調試期間也曾經(jīng)發(fā)生過因為這些I／O柜進水而影響整個系統(tǒng)的正常運行。再如北侖電廠3號機在循泵房設置了遠方I／O柜，電纜當然是節(jié)約一些，但I／O柜上設置了小空調，費用仍然省不了多少。另一方面，設計上控制功能還不夠分散，包括DCS系統(tǒng)本身的設計和工程設計兩方面。如MOD－300系統(tǒng)，它的I／O太集中，I／O卡的故障會影響系統(tǒng)的正常工作。另外，機組的輔機控制是由可編程邏輯控制器即PLC系統(tǒng)完成的，它與MOD－300系統(tǒng)之間通訊用了一個GATEWAY，這個GATEWAY成了整個控制系統(tǒng)的一個瓶頸，一旦它發(fā)生故障，就會影響機組的正常運行。再如北侖電廠3號機的系統(tǒng)，機組的輔機控制由它的SCS子系