DCS系統在石化工業中的應用及發展趨勢分析

摘 要：近年來，借助于集成電路、計算機、通訊、顯示和控制等技術的發展，DCS系統在石化工業中的應用越來越廣泛，大大提升了石化工業的自動化水平。文章結合DCS系統在國內的發展現狀，分析了DCS系統在石油和化工行業的應用，深入探討了DCS系統的特點和未來的發展趨勢，并對新產品進行了分析，指出DCS系統智能化、數字化、信息化的廣闊應用前景。

關鍵詞：DCS系統；石油化工；應用；趨勢分析

1 引言

DCS（Distributed Control System）是指分散控制系統，也可稱為分布控制系統、集散控制系統，DCS系統基于計算機網絡通訊技術，包括系統的過程控制和過程監控，并可以根據系統功能分為過程控制級、控制管理級、生產管理級、經營管理級等多級結構。DCS系統是伴隨著我國工業信息量的不斷增大而產生和發展的，以多臺計算機為平臺，集合了計算機（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）4C技術，解決了傳統計算機控制系統的危險相對集中、常規模擬儀表功能單一、過于分散和人機聯系不方便等缺點。

2 DCS應用和發展現狀分析

2.1 DCS系統在石油和化工行業的應用

80年代，針對我國傳統產業改造以及新建工程項目對DCS的需求，我國從國外引進了幾百套DCS系統進入裝備石化、冶金、電力等行業。進入90年代，我國陸續有一些新型高科技公司進入DCS領域。目前國內生產的DCS系統不僅具有價格低廉、備品備件方便的優勢，而且在技術先進性、組態便于學習、售后技術支持及時性、維護方便性等方面也都獲得了用戶肯定。國內DCS廠家生產的最新產品具有系統開放、兼容現場總線、管控一體化和帶有先進控制軟件等優點，在技術上可初步與國外產品相抗衡。

20世紀70年代初，DCS系統開發成功，DCS技術隨著時代的發展而不斷成熟，依靠其安全可靠性、通用靈活性以及優良的控制和管理能力，廣泛應用于各個行業，其中石油和化工企業的應用更為普及，并逐漸被應用于新建、擴建和升級改造項目中。利用DCS系統，實現煉油、化工裝置生產過程的自動化控制是石化企業少投多產、提高經濟效益、挖潛增效、提高市場競爭力的主要途徑和措施之一。石油和化工企業DCS系統正逐步全面替代常規儀表控制系統。

2.2 DCS系統發展情況簡介

DCS系統發展基于多個技術層面，是集成了計算機技術、信息技術、自動控制、網絡通訊技術等多重技術的綜合性系統。順應我國工業發展的趨勢，DCS的發展體現了如下特征：

2.2.1 信息化：初期的DCS系統較為單一，隨著功能的不斷豐富，DCS系統逐漸將控制和管理功能集合在一起。以石油化工行業為例，DCS系統的信息通道能夠覆蓋從石油生產、運輸、加工到銷售的整個環節，且能夠實現信息全面、準確、及時。

2.2.2 集成化：順應工業發展的需求，DCS系統也在不斷從單一封閉走向集成化，實現功能的打包和兼容，目前DCS系統已經集成了各類PLC、工業PC、數字化儀表和設備，不僅功能集成，且系統的兼容性得到保證，各類DCS系統之間可以無縫連接、信息共享、提供綜合服務。

2.2.3 智能化：工業DCS技術的智能化集中體現在工業控制領域，將新興的人工智能、故障診斷、神經網絡等技術融入DCS領域，極大的降低了人力成本，提升了系統效率。

2.2.4 開放式：為了支持多地域同時段訪問，DCS系統的開放性也不斷增強，基于開放式網絡，用戶可以通過互聯網，以WEB網頁形式通過IE瀏覽來查閱相關信息，并可以根據不同的權限，實現數據查詢、畫面訪問、信息修改、調度管理等功能。為了保障開放式網絡的安全性，系統還配備軟件和硬件防火墻。

2.2.5 容錯以太網（FTE）：初期的DCS系統正常是單條網絡運行，系統一旦出現故障，兩條冗余網絡之間的切換不僅耗時較長，且切換的可靠性不高，系統冗余性能較差，隨著工業發展領域對系統可靠性要求的不斷提升，DCS系統也朝著容錯以太網（FTE）方向發展，如下圖1所示：

容錯以太網（FTE）的實現改變了初期單條網絡運行的弊端，實現了基于多條網絡運行，如上圖1所示，容錯以太網結構包括上層、下層、設備三級網絡，其中，S1和S2為上層交換機網絡，S3、S4、S5、S6為下層交換機網絡，D1、D2、D3、D4是與通訊網絡連接的設備。上述網絡結構中每兩臺設備之間都有四條通訊路徑，以設備D1和D2之間的通訊為例，有：D1→S3→D2、D1→S4→D2、D1→S3→S1→S2→S4→D2、D1→S4→S2→S1→S3→D2這四條通路，當系統出現故障時，不僅可以切換的網絡通路多，系統可靠性高，且可以選擇最短的路徑切換，耗時短。

2.2.6 發展無線網絡：無線網絡技術的發展為DCS系統的現場調試、監控、故障分析、工程儀表校驗等環節提供了新的發展方向，通過無線網絡實現通訊與控制一體化，并支持手動移動無線操作站，極大的便利了系統的維護。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300產品就采用了無線網絡技術。

2.2.7 數字視頻：通過安裝在現場的攝像頭進行圖形采集，結合先進的圖像處理和信息傳遞技術，實現數字視頻，通過圖像的對比和識別，及時發現異常情況并輸出告警，并可以自動保存異常圖像，支持圖像回放，有利于事故告警和故障分析。

2.2.8 先進控制站：作為DCS系統的基礎，控制站的技術更新對提升DCS系統性能有著重要作用。各類新技術的發展極大的推動了DCS系統控制站技術，例如，目前DCS控制站已經可以采用無底板模塊結構，獨立傾斜式垂直插拔，不僅有良好的散熱效果，且方便控制系統接線以及現場維護。另外，各類先進的預估控制算法的應用，使得控制站具有良好的魯棒性和參數自整定功能。

3 DCS在石油化工中應用中存在的幾個問題

到目前為止，用戶對DCS存在的問題有3個方面的意見是一致的，即：系統開放性問題；與現場傳感器、變送器、執行器的接線問題；價格較貴問題。這些問題在第三代DCS中已開始得到解決。在21世紀，新一代的DCS應滿足用戶更加個性化的需求。DCS在石油化工中的應用，應該注意以下兩個問題：

3.1 系統選型

對于石油化工行業來說，DCS選型問題的重要性日益凸顯。對應用DCS系統的項目來說，無論是新建項目還是改造項目，DCS的選型對項目投運后的效果都有重要的影響，然而，很多石油化工項目在立項之初，由于參與投標的DCS系統運行廠家數量較多，且各個廠家的不同DCS系統基本具有一定的通用性，所以在標書中很少進行DCS型號的選型，而僅僅給出工程所需的I/0點數、控制回路數、裝置間的物理位置、控制或數學模型優化等方面的要求。

考慮到工程項目投運后可能出現的因DCS指標規定不清，而導致的系統不兼容、可擴展性差等問題，應推動系統選型的精細化，對DCS系統的各項指標要求、系統選型、國家標準等給出明確的規定，例如，可以將國標GB/T 18271.1-2000、GB/T 18271.2-2000、GB/T 18271.3-2000等過程測量和控制裝置通用性能評定方法等標準列入標書中，作為通用要求。

此外，業績問題也是DCS系統在石油化工行業應用的一個敏感問題。由于DCS系統在我國很多行業都獲得了廣泛的應用，基于不同行業之間對系統性能、參數、側重點要求不同，即使同一行業的不同工程項目，根據其實際情況，對DCS系統的要求也不盡相同，所以，如果某一DCS系統在相關行業應用較多，在類似工程中應用效果較好，且具有良好的可擴展能力，并掌握核心程序，支持系統功能擴展，表明該DCS系統應用業績較好，具有較小的選型風險，可以在選型過程中多加考慮。

3.2 服務問題

伴隨工業產品的集成化和打包服務趨勢，DCS廠家提供全面解決方案（Solutions）成為較為流行的做法，全面解決方案雖然便利了用戶，提升了效率，但與此同時，由于全面解決方案中包含了多項軟技術，也對DCS廠家和系統集成商的服務提出了更高的要求。

對某一具體工程項目來說，DCS系統的服務貫徹了項目實施前、實施中、實施后等各個環節，基于DCS系統具有較高的技術含量，項目實施前，應做好方案認證、產品報價、技術談判；項目實施中，應做好硬件方案確認、系統軟件組態的編制和鍵入生成，并在合同中給出針對專業技術人員的培訓，在DCS系統到貨后，提供開箱驗收、現場安裝、通電驗收、靜態連調、順序控制、邏輯關系確認等服務；項目投運后，提供無償的延伸至保質期內的維修服務，和日常運行中的有償維修服務、Intermet網絡遠程服務等。目前，國內的DCS廠家在技術服務水平上還存在差距，應該迎頭趕上。

4 DCS系統未來的發展趨勢

近年來，隨著FCS等新型工業級系統的興起，DCS系統應用也面臨更多的挑戰。不可否認的是，DCS系統仍是目前我國工業自動化領域的主流系統，技術相對成熟穩定，不會隨著現場總線技術的出現而立即退出現場過程控制的舞臺。在新的發展形勢下，DCS系統未來的發展趨勢體現在：

4.1 綜合化：通過綜合化的數據通信技術，構建集成了標準化數據、單（多）回路調節器、PLC、工業PC、NC等工控設備的大系統，滿足開放式的工廠自動化系統要求，使得DCS系統在一般情況下具備綜合化功能和更強的普及性。

4.2 智能化：通過數據庫技術、智能通訊技術建立知識庫系統（KBS）和專家系統（ES），實現DCS系統的自學習控制、遠距離診斷、自尋優等人工智能功能。目前，各類智能設備如智能I/O、PID控制器、傳感器、變送器、執行器、人機接口等已經在DCS系統相繼應用。

4.3 工業PC化：目前，很多DCS系統已經廣泛使用PC機作為DCS系統的操作站和節點機，工業PC化已經成為DCS系統的一大發展趨勢，基于IPC硬件平臺的PC-PLC、PC-STD、PC-NC等技術不斷發展，相關產品不斷涌現。

4.4 專業化：為了提升DCS系統在各相應領域的應用廣度和深度，更加貼近相應專業的工藝和應用要求，DCS系統應該充分結合各行業的具體特征，增強自身的專業化，例如，開發石化DCS、電力系統DCS、航空系統DCS等專業化系統。

5 結束語

DCS未來的發展趨勢及其新產品的特點為：系統開放、管控一體化以及帶有先進控制軟件。DCS系統具有高可靠性、開放性、靈活性、易于維護、高協調性、完善的控制功能、豐富的控制算法等優點，使得其在工業控制領域中得到廣泛應用。DCS已廣泛應用于各工業領域并趨于成熟，成為工業控制系統的主流。雖然以現場總線為基礎的FCS系統發展很快，但其發展仍面臨一些問題，如統一標準、儀表智能化等。而傳統控制系統的維護和改造仍需DCS系統，因此FCS完全取代傳統DCS尚需較長過程。

參考文獻

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