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在1998年召開的ISA電力工業(yè)部門專業(yè)研討會上,與會者展示的數(shù)篇文章評論了當(dāng)時最新水平的分散控制系統(tǒng)（DCS）技術(shù)的發(fā)展,就包括將更大量的商用現(xiàn)貨（COTS）技術(shù)與傳統(tǒng)上高度專有的供應(yīng)商特定構(gòu)架相結(jié)合的新興趨勢?？梢栽谂_式計算機行業(yè)找到的這些COTS構(gòu)件,包括了支持控制器和工作站的個人電腦（PCs）,以及如Ethemet和光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）這樣的商業(yè)可行聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。
新設(shè)計的興起
DCS平臺隨著臺式計算機行業(yè)的發(fā)展,在應(yīng)用先進完備應(yīng)用軟件能力方面有了重大發(fā)展。這些應(yīng)用軟件可利用DCS平臺,提供前所未有的速度、功能以及靈活性。
同時,我們也目睹了廣泛融合常規(guī)臺式計算機技術(shù)元件控制系統(tǒng)技術(shù)的興起。從操作員工作站到過程控制器,再到網(wǎng)絡(luò)及各種操作系統(tǒng)元件,過程控制行業(yè)已經(jīng)接受了標準臺式計算機,并使其適應(yīng)工業(yè)控制應(yīng)用軟件的個性需求。DCS將通過融合“開放系統(tǒng)”技術(shù),不斷提高其性能。
這一趨勢最初是從20世紀90年代初期對UNIX工作站,以及更小程度的支持人機界面（HMI）功能的PCs逐漸融合開始的。盡管某些人起初對在關(guān)鍵任務(wù)控制應(yīng)用軟件中應(yīng)用這些COTS技術(shù)有些敏感,但這些應(yīng)用軟件依然逐漸獲得了認可。
20世紀90年代,UNIX及PC的計算速度和可靠性呈幾何速率增長,越來越多的用戶接受了用支持HMI功能的COTS臺式設(shè)備替代專有供應(yīng)商特定的HMIs。而10年前,UNIX工作站是最常見的選擇,主要是認為它擁有更強健的操作系統(tǒng),而現(xiàn)在絕大多數(shù)用戶選擇更熟悉的支持HMI應(yīng)用軟件的WindowsPC。
同時,臺式計算機處理能力和速度的快速增長引發(fā)了控制技術(shù)的合理發(fā)展?？刂葡到y(tǒng)供應(yīng)商采用這些新技術(shù)的同時,放棄了高度專有的“獨特”控制器和構(gòu)架,即使這種構(gòu)架適合冗余,且使用了能滿足故障安全運行和嚴格環(huán)境要求的工業(yè)控制應(yīng)用軟件。他們開始引入應(yīng)用PC構(gòu)架的控制器。
盡管對控制器沒有嚴格使用COTS板,但是DCS供應(yīng)商的確在專門設(shè)計的板中使用了標準商業(yè)可行構(gòu)件和構(gòu)架,來滿足對工業(yè)控制環(huán)境的要求。自20世紀90年代后期發(fā)布后,這些“基于PC”的控制器能夠無縫追蹤速度增長超過10倍的處理器,并為系統(tǒng)設(shè)計者和用戶提供比以往更多的選擇。
DCS網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)高速公路,是商業(yè)可行技術(shù)已經(jīng)永遠改變過程控制行業(yè)的第三領(lǐng)域。10年前,DCS數(shù)據(jù)高速公路是特定供應(yīng)商僅為方便DCS構(gòu)件間的通信而設(shè)計的高度專有構(gòu)架。那時沒有標準的構(gòu)架,一些數(shù)據(jù)高速公路由供應(yīng)商負責(zé)全部設(shè)計,而其他則大體根據(jù)標準設(shè)計,但這些標準是特定系統(tǒng)所獨有的。進行信息高速公路之外的通信很困難,而且需要開發(fā)自定義數(shù)據(jù)源文件,這通常需要很多費用。
臺式計算機行業(yè)產(chǎn)生了兩個非官方通信標準:FDDI和快速Ethernet。它們均以100Mbps運行,比當(dāng)前專有的DCS網(wǎng)絡(luò)快了10~50倍。盡管他們都不提供多數(shù)DCS網(wǎng)絡(luò)所提供的確定功能,但是其速度和總體可靠性使其更適合工業(yè)控制應(yīng)用軟件（圖2）,同時更容易打開系統(tǒng),并可以與第三方設(shè)備和比專有DCS網(wǎng)絡(luò)體系更加實用的企業(yè)信息網(wǎng)進行互聯(lián)。在過去10年中,快速Ethernet構(gòu)架已經(jīng)取得了市場優(yōu)勢,并融合了更大的且在多網(wǎng)絡(luò)DCS構(gòu)架中具有極大適應(yīng)性的GigabitEthernet標準。
眾多可能性
當(dāng)前的DCS技術(shù)不僅執(zhí)行主要的常規(guī)控制功能,比其專有的前身更為可靠,而且通過融合商業(yè)可行技術(shù),具有極大的靈活性。
有關(guān)靈活性的例子體現(xiàn)在仿真技術(shù)上。過去,如果用戶想要一個模擬器作為操作員的訓(xùn)練工具,惟一的做法是使用與該系統(tǒng)相同的控制器和工作站。隨著時間的推移,在硬件升級或系統(tǒng)擴充的情況下,可以保證模擬切實可行的方法是對支持模擬器的復(fù)制硬件進行投資。而DCS控制器采用PC構(gòu)架之后,現(xiàn)在可以制造虛擬模擬器,實際的DCS應(yīng)用軟件可以用在臺式PC中,同時一臺PC可以模擬20多個DCS控制器。這樣,模擬器就可以更容易及以更低的價格進行維護,從而產(chǎn)生更大的靈活性并節(jié)省投資。
新式DCS平臺除了其固有的靈活性外,還大大提高了現(xiàn)有計算機的計算能力。現(xiàn)有的計算機技術(shù)提供了大量改變電廠運行性能和預(yù)期的增強功能。如流程趨勢分析、警報、日志以及歷史數(shù)據(jù)收集這些傳統(tǒng)功能,不僅變得更容易完成,同時也更方便與控制室外進行分享,使DCS成為企業(yè)整體IT構(gòu)架的一部分。憑借強大平臺所固有的數(shù)據(jù)收集、管理和分析增強能力,部門、電廠,甚至機群內(nèi)部的過程改進機會變得更容易鑒定和實施
智能電腦
過去10年,低成本且功能強大的微芯片已經(jīng)成為現(xiàn)場設(shè)備中全集成式組件,如發(fā)送器和執(zhí)行器。在其他特征中,比起使用常規(guī)的現(xiàn)場設(shè)備,這些“智能”設(shè)備可以測量并報告多個來自過程中的變量而同時又可提供更高分辨率的數(shù)據(jù)。另外,這些設(shè)備不斷對其健康執(zhí)行自我診斷和報告,在其影響進程之前,可提醒操作人員對新發(fā)現(xiàn)問題提高警惕。
與以往的本壘打概念“一個設(shè)備,一次布線”不同,這些智能設(shè)備可使用常規(guī)4～20mA雙絞線,或者允許多設(shè)備使用單一數(shù)字通信總線的Fieldbus網(wǎng)絡(luò)。比起傳統(tǒng)的較高設(shè)備配線成本,Fieldbus構(gòu)架大大降低了新電廠或新控制區(qū)的布線成本。
智能設(shè)備也可以無線操作。過去多年中,無線現(xiàn)場設(shè)備已經(jīng)在一系列應(yīng)用中證實了自己,這些設(shè)備無需布線就能夠直接從遠端場所采集過程測量數(shù)據(jù)。
曾經(jīng)只用于主要資產(chǎn)設(shè)備的故障診斷技術(shù)也發(fā)生了相同的變革。當(dāng)前,如熱量或振動監(jiān)控儀之類的診斷和檢測設(shè)備,成本已大大降低。安裝這些設(shè)備比較劃算,并可密切監(jiān)測關(guān)鍵電廠設(shè)備的性能和健康,在負面趨勢影響電廠運行前發(fā)現(xiàn)問題。
來自現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器和診斷設(shè)備的數(shù)據(jù)附加價值,引發(fā)了另一個重大發(fā)展:全廠資產(chǎn)管理系統(tǒng)成為DCS構(gòu)架的有機組成部分。這一全廠資產(chǎn)管理概念超越了傳統(tǒng)DCS工況報警概念,并允許對電廠資產(chǎn),以及對電廠狀況做出積極而非被動回應(yīng)的操作進行詳細協(xié)調(diào)的分析（圖4）。
過去10年出現(xiàn)的智能過程優(yōu)化趨勢的重要性,將因大量數(shù)據(jù)流的可用性而提高。使用如模糊邏輯這樣的高級數(shù)學(xué)技術(shù),這些“智能”應(yīng)用軟件可嘗試不斷跟蹤現(xiàn)實電廠的運行條件。一邊積累經(jīng)驗,一邊獲取信息,然后在明確目標的指導(dǎo)下,通過調(diào)整過程設(shè)置點來優(yōu)化生產(chǎn)。如NOx優(yōu)化這樣的高級技術(shù)在很多領(lǐng)域已經(jīng)被成功使用,在這些領(lǐng)域中,該技術(shù)幫助公用事業(yè)公司平衡排放與當(dāng)前限制或信用的關(guān)系。如今,更高級的數(shù)學(xué)模型正在應(yīng)用當(dāng)中,這將帶來更進一步的優(yōu)化,其中包括模仿生物反應(yīng)模型，如免疫系統(tǒng)反應(yīng)等。
認識到開放系統(tǒng)技術(shù)所有的優(yōu)點及其性能不斷增強的同時,也需要對這些系統(tǒng)進行管理。其中,最重要的要求是提高對系統(tǒng)安全的關(guān)注。盡管北美電力可靠性公司的關(guān)鍵基礎(chǔ)建設(shè)保護標準為系統(tǒng)安全工作提供了一個框架,但用戶和供應(yīng)商共同貫徹安全方案,使系統(tǒng)完整性免于有意識和無意識的威脅依然非常重要。
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