作為工業(yè)界的成員,分布式控制系統(tǒng)(DCS)已經(jīng)到了該總結(jié)過去、展望未來的年齡了。DCS技術(shù)誕生于1975年左右,雖然已經(jīng)發(fā)展的很成熟了,但離退休還有很長(zhǎng)的時(shí)間。讓我們一起回顧一下它的前半生。
霍尼韋爾的通用I/O可配合Experion C系列使用
DCS的歷史
大概在40年前,幾個(gè)自動(dòng)化原始設(shè)備制造商,幾乎在同一時(shí)間,提出了類似的平臺(tái),這就是DCS技術(shù)的誕生。到底是哪個(gè)公司,具體在什么時(shí)間發(fā)布了什么產(chǎn)品,并不是本文討論的關(guān)鍵。只要說平臺(tái)相似度很高、內(nèi)容基本相同就足夠了。最初的使用者包括煉油、化工廠和其它的傳統(tǒng)過程工業(yè),主要用其更換盤臺(tái)、氣動(dòng)和電動(dòng)模擬控制器。早期的這些平臺(tái),很多已經(jīng)成為歷史的記憶,但是也有部分公司一直延續(xù)了同樣的品牌。
這些系統(tǒng),專門針對(duì)專有軟件、硬件設(shè)備而制造,使用硬接線輸入/輸出(I/O)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。運(yùn)行人員使用鍵盤以及專用平板從單色晶體二極管(CRT)顯示器上獲取所需的信息。雖然現(xiàn)在看來,這些產(chǎn)品非常過時(shí),但在那時(shí)卻具有高度的適用性。
像當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)軟件功能一樣原始,DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計(jì)算功能也非常復(fù)雜。控制回路的算法比較可靠,大多數(shù)時(shí)間,這些平臺(tái)工作得很好,可以保持復(fù)雜工藝的平穩(wěn)。早期的這些系統(tǒng)平臺(tái),很多已經(jīng)運(yùn)行了數(shù)十年,只是不時(shí)的需要一些關(guān)鍵的維護(hù),有些目前仍然在工作。
DCS的進(jìn)化
歷經(jīng)多年,DCS在很多方面取得了進(jìn)步,但是某些基本概念仍然沒有改變。這些改進(jìn)包括:
■運(yùn)行人員與人機(jī)界面(HMI)之間的交互變得更復(fù)雜,主要是因?yàn)閳D形處理功能更強(qiáng)大,而且運(yùn)營人員如何獲取信息的意識(shí)也在不斷的發(fā)生變化。
■運(yùn)行人員和人機(jī)界面的交互,引起了對(duì)運(yùn)行人員在異常工況下如何工作的研究,這進(jìn)一步提升了運(yùn)行人員的工作效率。
■配置I/O的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,增加了系統(tǒng)的數(shù)字化,擴(kuò)大了可以提供的信息。
■資產(chǎn)管理平臺(tái)通過更直接的方式與維護(hù)系統(tǒng)連接,從而可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
■利用開放的商用硬件代替專有設(shè)備,盡管對(duì)于很多設(shè)備來講并不一定是最理想的情況。
■報(bào)警管理系統(tǒng)依靠自己的實(shí)力,已經(jīng)成為一個(gè)產(chǎn)業(yè)。
■支持與更大的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的集成,這種更復(fù)雜的集成可以傳遞更多的信息傳遞,但是隨之而來的是網(wǎng)絡(luò)安全的新問題。
■相對(duì)較新的程序自動(dòng)化,仍然在研發(fā)之中,但是在幫助運(yùn)行人員完成啟動(dòng)、停機(jī)和可能發(fā)生安全事件的其它工況中,扮演著越來越重要的角色。
盡管有這么多的改進(jìn),但是有些設(shè)計(jì)和實(shí)施DCS系統(tǒng)的機(jī)制實(shí)際上并沒有變化:
■現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備仍然利用接線盒和接線柜,通過硬接線連接到DCSI/O端子。
■每個(gè)卡件均有自己的端子,這就意味著可以連接15個(gè)點(diǎn),在通訊可能中斷的地方提供輸入信號(hào)。
■現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備只能和它們所連接的控制器通訊。
■為控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備增加新功能,通常會(huì)使其更復(fù)雜,更難于組態(tài)。
■程序編寫完,直到硬件安裝完成后才可以調(diào)試,因?yàn)槌绦虮仨毰c最終的配置一致。
只要工程保持相對(duì)簡(jiǎn)單,傳統(tǒng)方式仍然可以工作,用戶就可容忍它的缺點(diǎn)。有些工廠利用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)解決現(xiàn)場(chǎng)布線問題,但是從更大的層面來講,數(shù)量仍然較少。
缺少標(biāo)準(zhǔn)化
近年來,項(xiàng)目及其所用的DCS系統(tǒng)越來越復(fù)雜,越來越昂貴。大型項(xiàng)目的成本越來越高,公司經(jīng)常會(huì)碰到,因自動(dòng)化平臺(tái)的最終調(diào)整導(dǎo)致項(xiàng)目延后,新工廠推遲啟動(dòng)的情形。不用多長(zhǎng)時(shí)間,公司就會(huì)意識(shí)到每天損失的成本,而這一切都是不可避免的。系統(tǒng)缺乏標(biāo)準(zhǔn)部件,并且需要大量的工程師維護(hù)是其中的重要原因之一。
自動(dòng)化工程師經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn),當(dāng)系統(tǒng)成為啟動(dòng)、實(shí)現(xiàn)盈利的關(guān)鍵路徑上的點(diǎn)時(shí),任何延遲,都會(huì)使自己成為指責(zé)的對(duì)象。在過去很多年,盡管已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步,但從用戶的角度考慮,DCS畢竟已經(jīng)快40歲了,身形已經(jīng)有點(diǎn)臃腫不堪了;但是目前還沒有切實(shí)可行的替代方案。用戶相信“會(huì)有更好的途徑”,但是,供應(yīng)商還必須讓這個(gè)大胖子向前沖。
“大概5年前,我們開始使用電子接線柜,”艾默生過程管理項(xiàng)目管理辦公室的副總裁RogerFreeman說道,“緊跟其后的是整個(gè)DCS系統(tǒng)的虛擬化,并不僅僅是工作站,還包括控制器和I/O控制器,所以整個(gè)工程實(shí)施可以獨(dú)立于硬件平臺(tái)開展,這樣工程實(shí)施就可以更靈活,成本更低?!?/p>
很多自動(dòng)化公司意識(shí)到,DCS的設(shè)計(jì)及實(shí)施流程有些過于線性了。主要步驟必須按照串行順序完成,每一個(gè)步驟都必須等到前一個(gè)步驟的結(jié)束。任何一個(gè)環(huán)節(jié)的延遲,都會(huì)導(dǎo)致工廠最后啟動(dòng)時(shí)間的延遲,造成一定的損失。由于不可預(yù)期,工藝工程師在后期提出的任何變更需求,都會(huì)使情況變得更糟。
“自動(dòng)化項(xiàng)目精益執(zhí)行(LEAP)概念正是將功能設(shè)計(jì)從物理設(shè)計(jì)中分離出來,在最終階段將其結(jié)合在一起,”霍尼韋爾公司的Experion產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)JackGregg如是說,“對(duì)于新建項(xiàng)目來講,這是一個(gè)完美的方案,但是也可以用于現(xiàn)有項(xiàng)目的改造?!?/p>
從I/O硬件開始
現(xiàn)場(chǎng)接線和I/O,是問題的關(guān)鍵,因?yàn)樗鼈儽仨氠槍?duì)每個(gè)現(xiàn)場(chǎng),專門設(shè)計(jì)。如果現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備A必須與控制器3連接,那么電纜必須沿著任何可以將這些點(diǎn)連接起來的線路敷設(shè),如果想要修改任何東西,需要花費(fèi)大量的時(shí)間和費(fèi)用。艾默生、霍尼韋爾和橫河等公司都使用可配置的標(biāo)準(zhǔn)化I/O硬件以及現(xiàn)場(chǎng)安裝的機(jī)柜來組建新系統(tǒng)。
隨著更多的硬件標(biāo)準(zhǔn)化,更多DCS系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)可以同步進(jìn)行。程序編寫也可獨(dú)立于硬件進(jìn)行。串行設(shè)計(jì)和開發(fā)讓位于并行方式。剛性設(shè)計(jì)元素讓路于靈活性。
面臨的新挑戰(zhàn)
工程設(shè)計(jì)、實(shí)施方法的變化,已經(jīng)改變了客戶和供應(yīng)商討論項(xiàng)目的方式。問題不在集中于系統(tǒng)是否可以控制工藝過程。這方面已經(jīng)默認(rèn)沒有問題了。討論的中心轉(zhuǎn)移到更多的新功能以及采購成本、生命周期成本、復(fù)雜性、部署速度、穩(wěn)定性、適用性和壽命長(zhǎng)短等方面。由于維護(hù)帶來的諸多問題,因此用戶希望有預(yù)見性地進(jìn)行項(xiàng)目安裝和升級(jí)改造。
“由于多方面因素的限制,對(duì)現(xiàn)有項(xiàng)目改造進(jìn)度方面的壓力要比新建項(xiàng)目大得多?!卑^程管理公司DeltaV平臺(tái)市場(chǎng)總監(jiān)ClaudioFayad說道,“煉油廠每隔6到7年大修一次,大修時(shí)間為30天。不管是新建項(xiàng)目、升級(jí)改造或者使其現(xiàn)代化,壓力都是使自動(dòng)化工程項(xiàng)目更具有可預(yù)見性?!?/p>
增加人的因素
很多年來,DCS設(shè)計(jì)方面的討論,主要集中在技術(shù)方面。當(dāng)然,運(yùn)行人員也是藍(lán)圖的一部分,但是經(jīng)常處于次要地位。由于勞動(dòng)力方面所發(fā)生的變化,人員逐步成為其中更為重要的組成部分。
供應(yīng)商基于人的因素,正在改變運(yùn)行人員與系統(tǒng)之間交互的方式,這也經(jīng)常會(huì)擴(kuò)展到運(yùn)行人員彼此之間的信息交流的方式。還有一個(gè)意義更深遠(yuǎn)的重點(diǎn)在于人與人之間的合作,這可能是處于同一個(gè)主控室、也可能是位于不同大陸上的人員,彼此相互幫助解決問題。新技術(shù)支持這種類型的交互。
“通過觀察運(yùn)行人員及其行為,獲取新的人機(jī)方案。”Gregg解釋道,“我們的新盤臺(tái)專門為運(yùn)行人員設(shè)計(jì),運(yùn)行人員需要連續(xù)12個(gè)小時(shí)坐在盤臺(tái)處,監(jiān)控隨時(shí)可能變化的過程,并且可能在11.5小時(shí)的時(shí)候,做一個(gè)關(guān)鍵的決定?!彼晕覀儐栕约哼@樣一個(gè)問題,“怎么做才能使運(yùn)行人員保持警覺,快速響應(yīng)呢?”一部分的靈感來自于家具的設(shè)計(jì),同時(shí)也要結(jié)合運(yùn)行人員查看過程的新方式。
為未來保留靈活性
真正普遍關(guān)心的一個(gè)問題就是系統(tǒng)的壽命。盡管大多數(shù)基于計(jì)算機(jī)的設(shè)備的壽命都是幾年,但是控制系統(tǒng)的壽命一般則是用幾十年來衡量的。任何公司安裝一套新系統(tǒng),都必須考慮20年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。不論是供應(yīng)商還是客戶,所做的任何決定都是以此為基礎(chǔ)。適應(yīng)性和靈活性也需要考慮,因?yàn)闆]有任何人真正的知道,未來會(huì)發(fā)生什么事情,會(huì)需要什么樣的改變。
“過去,我們會(huì)為控制系統(tǒng)定義一個(gè)模型,沒有太多的模糊性。”Fayad回憶道?!艾F(xiàn)在,你可以以這么多不同的方式,做如此多的事情。比如連接I/O點(diǎn),你可以使用總線、硬接線、無線或各種方式的組合。過去,工具只用于控制,而現(xiàn)在可將其用于控制、運(yùn)行性能、維護(hù)、項(xiàng)目效率等方面,所以我們必須幫助人們理解這些差異及其對(duì)工作過程的意義。用戶喜歡獲得運(yùn)行方面的效益,但是不喜歡面臨風(fēng)險(xiǎn)?!?/p>
“我們很多客戶,可能每隔數(shù)年才有轉(zhuǎn)型需求,所以控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)他們的業(yè)務(wù)十分關(guān)鍵?!被裟犴f爾公司的高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理Marjorie Ochsner指出,“所以當(dāng)你討論投資或?qū)嵤┬碌挠袃r(jià)值的革新時(shí),我們總是尋求某種合適的方式,既可以實(shí)現(xiàn)客戶的目標(biāo),還不需要停止過程。我們將其稱之為連續(xù)性創(chuàng)新?!?/p>
我們的朋友DCS,仍然是一個(gè)可以信賴的公民,雖已人到中年,但仍然準(zhǔn)備面對(duì)前所未有的挑戰(zhàn),旨在為用戶提供更簡(jiǎn)單和更靈活的系統(tǒng)。