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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(shí)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。可以在臺式計(jì)算機(jī)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(gè)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(jì)的興起
DCS平臺隨著臺式計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展,在應(yīng)用先進(jìn)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(shí),我們也目睹了廣泛融合常規(guī)臺式計(jì)算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)臺式計(jì)算機(jī),并使其適應(yīng)工業(yè)控制應(yīng)用軟件的個(gè)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(jì)90年代初期對UNIX工作站,以及更小程度的支持人機(jī)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(rèn)可。
20世紀(jì)90年代,UNIX及PC的計(jì)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(rèn)為它擁有更強(qiáng)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(shí),臺式計(jì)算機(jī)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。控制系統(tǒng)供應(yīng)商采用這些新技術(shù)的同時(shí),放棄了高度專有的“獨(dú)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(yùn)行和嚴(yán)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(yán)格使用COTS板,但是DCS供應(yīng)商的確在專門設(shè)計(jì)的板中使用了標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(jì)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(yuǎn)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(jì)的高度專有構(gòu)架。那時(shí)沒有標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)架,一些數(shù)據(jù)高速公路由供應(yīng)商負(fù)責(zé)全部設(shè)計(jì),而其他則大體根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),但這些標(biāo)準(zhǔn)是特定系統(tǒng)所獨(dú)有的。進(jìn)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(fèi)用。
臺式計(jì)算機(jī)行業(yè)產(chǎn)生了兩個(gè)非官方通信標(biāo)準(zhǔn):FDDI和快速Ethernet。它們均以100Mbps運(yùn)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(shí)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(shí)用的企業(yè)信息網(wǎng)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。
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(gè)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(shí)間的推移,在硬件升級或系統(tǒng)擴(kuò)充的情況下,可以保證模擬切實(shí)可行的方法是對支持模擬器的復(fù)制硬件進(jìn)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(shí)際的DCS應(yīng)用軟件可以用在臺式PC中,同時(shí)一臺PC可以模擬20多個(gè)DCS控制器。這樣,模擬器就可以更容易及以更低的價(jià)格進(jìn)行維護(hù),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(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)技術(shù)提供了大量改變電廠運(yùn)行性能和預(yù)期的增強(qiáng)功能。如流程趨勢分析、警報(bào)、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(shí)也更方便與控制室外進(jìn)行分享,使DCS成為企業(yè)整體IT構(gòu)架的一部分。憑借強(qiáng)大平臺所固有的數(shù)據(jù)收集、管理和分析增強(qiáng)能力,部門、電廠,甚至機(jī)群內(nèi)部的過程改進(jìn)機(jī)會變得更容易鑒定和實(shí)施
智能電腦
過去10年,低成本且功能強(qiáng)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(bào)告多個(gè)來自過程中的變量而同時(shí)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(bào)告,在其影響進(jìn)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(gè)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(shí)了自己,這些設(shè)備無需布線就能夠直接從遠(yuǎn)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(dòng)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(fù)面趨勢影響電廠運(yùn)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(jià)值,引發(fā)了另一個(gè)重大發(fā)展:全廠資產(chǎn)管理系統(tǒng)成為DCS構(gòu)架的有機(jī)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(bào)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(dòng)回應(yīng)的操作進(jìn)行詳細(xì)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(shí)電廠的運(yùn)行條件。一邊積累經(jīng)驗(yàn),一邊獲取信息,然后在明確目標(biāo)的指導(dǎo)下,通過調(diào)整過程設(shè)置點(diǎn)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(jìn)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(rèn)識到開放系統(tǒng)技術(shù)所有的優(yōu)點(diǎn)及其性能不斷增強(qiáng)的同時(shí),也需要對這些系統(tǒng)進(jìn)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(hù)標(biāo)準(zhǔn)為系統(tǒng)安全工作提供了一個(gè)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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