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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,與會者展示的數篇文章評論了當時最新水平的分散控制系統(tǒng)（DCS）技術的發(fā)展,就包括將更大量的商用現貨（COTS）技術與傳統(tǒng)上高度專有的供應商特定構架相結合的新興趨勢?？梢栽谂_式計算機行業(yè)找到的這些COTS構件,包括了支持控制器和工作站的個人電腦（PCs）,以及如Ethemet和光纖分布式數據接口（FDDI）這樣的商業(yè)可行聯網技術。
新設計的興起
DCS平臺隨著臺式計算機行業(yè)的發(fā)展,在應用先進完備應用軟件能力方面有了重大發(fā)展。這些應用軟件可利用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)臺式計算機技術元件控制系統(tǒng)技術的興起。從操作員工作站到過程控制器,再到網絡及各種操作系統(tǒng)元件,過程控制行業(yè)已經接受了標準臺式計算機,并使其適應工業(yè)控制應用軟件的個性需求。DCS將通過融合“開放系統(tǒng)”技術,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鍵任務控制應用軟件中應用這些COTS技術有些敏感,但這些應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臺式設備替代專有供應商特定的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),而現在絕大多數用戶選擇更熟悉的支持HMI應用軟件的WindowsPC。
同時,臺式計算機處理能力和速度的快速增長引發(fā)了控制技術的合理發(fā)展。控制系統(tǒng)供應商采用這些新技術的同時,放棄了高度專有的“獨特”控制器和構架,即使這種構架適合冗余,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)控制應用軟件。他們開始引入應用PC構架的控制器。
盡管對控制器沒有嚴格使用COTS板,但是DCS供應商的確在專門設計的板中使用了標準商業(yè)可行構件和構架,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)設計者和用戶提供比以往更多的選擇。
DCS網絡或數據高速公路,是商業(yè)可行技術已經永遠改變過程控制行業(yè)的第三領域。10年前,DCS數據高速公路是特定供應商僅為方便DCS構件間的通信而設計的高度專有構架。那時沒有標準的構架,一些數據高速公路由供應商負責全部設計,而其他則大體根據標準設計,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)自定義數據源文件,這通常需要很多費用。
臺式計算機行業(yè)產生了兩個非官方通信標準:FDDI和快速Ethernet。它們均以100Mbps運行,比當前專有的DCS網絡快了10~50倍。盡管他們都不提供多數DCS網絡所提供的確定功能,但是其速度和總體可靠性使其更適合工業(yè)控制應用軟件（圖2）,同時更容易打開系統(tǒng),并可以與第三方設備和比專有DCS網絡體系更加實用的企業(yè)信息網進行互聯。在過去10年中,快速Ethernet構架已經取得了市場優(yōu)勢,并融合了更大的且在多網絡DCS構架中具有極大適應性的GigabitEthernet標準。
眾多可能性
當前的DCS技術不僅執(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,具有極大的靈活性。
有關靈活性的例子體現在仿真技術上。過去,如果用戶想要一個模擬器作為操作員的訓練工具,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制硬件進行投資。而DCS控制器采用PC構架之后,現在可以制造虛擬模擬器,實際的DCS應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,還大大提高了現有計算機的計算能力?，F有的計算機技術提供了大量改變電廠運行性能和預期的增強功能。如流程趨勢分析、警報、日志以及歷史數據收集這些傳統(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構架的一部分。憑借強大平臺所固有的數據收集、管理和分析增強能力,部門、電廠,甚至機群內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成為現場設備中全集成式組件,如發(fā)送器和執(zhí)行器。在其他特征中,比起使用常規(guī)的現場設備,這些“智能”設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據。另外,這些設備不斷對其健康執(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)現問題提高警惕。
與以往的本壘打概念“一個設備,一次布線”不同,這些智能設備可使用常規(guī)4～20mA雙絞線,或者允許多設備使用單一數字通信總線的Fieldbus網絡。比起傳統(tǒng)的較高設備配線成本,Fieldbus構架大大降低了新電廠或新控制區(qū)的布線成本。
智能設備也可以無線操作。過去多年中,無線現場設備已經在一系列應用中證實了自己,這些設備無需布線就能夠直接從遠端場所采集過程測量數據。
曾經只用于主要資產設備的故障診斷技術也發(fā)生了相同的變革。當前,如熱量或振動監(jiān)控儀之類的診斷和檢測設備,成本已大大降低。安裝這些設備比較劃算,并可密切監(jiān)測關鍵電廠設備的性能和健康,在負面趨勢影響電廠運行前發(fā)現問題。
來自現場傳感器、執(zhí)行器和診斷設備的數據附加價值,引發(fā)了另一個重大發(fā)展:全廠資產管理系統(tǒng)成為DCS構架的有機組成部分。這一全廠資產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,以及對電廠狀況做出積極而非被動回應的操作進行詳細協(xié)調的分析（圖4）。
過去10年出現的智能過程優(yōu)化趨勢的重要性,將因大量數據流的可用性而提高。使用如模糊邏輯這樣的高級數學技術,這些“智能”應用軟件可嘗試不斷跟蹤現實電廠的運行條件。一邊積累經驗,一邊獲取信息,然后在明確目標的指導下,通過調整過程設置點來優(yōu)化生產。如NOx優(yōu)化這樣的高級技術在很多領域已經被成功使用,在這些領域中,該技術幫助公用事業(yè)公司平衡排放與當前限制或信用的關系。如今,更高級的數學模型正在應用當中,這將帶來更進一步的優(yōu)化,其中包括模仿生物反應模型，如免疫系統(tǒng)反應等。
認識到開放系統(tǒng)技術所有的優(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)安全的關注。盡管北美電力可靠性公司的關鍵基礎建設保護標準為系統(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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