遭遇“中年危机”——未来的DCS系统将驶向何处？
作为工业界的成员，分布式控制系统（DCS）已经到了该总结过去、展望未来的年龄了。DCS技术诞生于1975年左右，虽然已经发展的很成熟了，但离退休还有很长的时间。让我们一起回顾一下它的前半生。
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DCS的历史
大概在40年前，几个自动化原始设备制造商，几乎在同一时间，提出了类似的平台，这就是DCS技术的诞生。到底是哪个公司，具体在什么时间发布了什么产品，并不是本文讨论的关键。只要说平台相似度很高、内容基本相同就足够了。最初的使用者包括炼油、化工厂和其它的传统过程工业，主要用其更换盘台、气动和电动模拟控制器。早期的这些平台，很多已经成为历史的记忆，但是也有部分公司一直延续了同样的品牌。
这些系统，专门针对专有软件、硬件设备而制造，使用硬接线输入/输出(I/O)的现场设备。运行人员使用键盘以及专用平板从单色晶体二极管(CRT)显示器上获取所需的信息。虽然现在看来，这些产品非常过时，但在那时却具有高度的适用性。
像当时的计算机软件功能一样原始，DCS系统的数据计算功能也非常复杂。控制回路的算法比较可靠，大多数时间，这些平台工作得很好，可以保持复杂工艺的平稳。早期的这些系统平台，很多已经运行了数十年，只是不时的需要一些关键的维护，有些目前仍然在工作。
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DCS的进化
历经多年， DCS在很多方面取得了进步，但是某些基本概念仍然没有改变。这些改进包括：
■ 运行人员与人机界面（HMI）之间的交互变得更复杂，主要是因为图形处理功能更强大，而且运营人员如何获取信息的意识也在不断的发生变化。
■ 运行人员和人机界面的交互，引起了对运行人员在异常工况下如何工作的研究，这进一步提升了运行人员的工作效率。
■ 配置I/O的现场设备，增加了系统的数字化，扩大了可以提供的信息。
■ 资产管理平台通过更直接的方式与维护系统连接，从而可以提高系统的稳定性。
■ 利用开放的商用硬件代替专有设备，尽管对于很多设备来讲并不一定是最理想的情况。
■ 报警管理系统依靠自己的实力，已经成为一个产业。
■ 支持与更大的企业网络的集成，这种更复杂的集成可以传递更多的信息传递，但是随之而来的是网络安全的新问题。
■ 相对较新的程序自动化，仍然在研发之中，但是在帮助运行人员完成启动、停机和可能发生安全事件的其它工况中，扮演着越来越重要的角色。
尽管有这么多的改进，但是有些设计和实施DCS系统的机制实际上并没有变化：
■ 现场设备仍然利用接线盒和接线柜，通过硬接线连接到DCS I/O端子。
■ 每个卡件均有自己的端子，这就意味着可以连接15个点，在通讯可能中断的地方提供输入信号。
■ 现场设备只能和它们所连接的控制器通讯。
■ 为控制器和现场设备增加新功能，通常会使其更复杂，更难于组态。
■ 程序编写完，直到硬件安装完成后才可以调试，因为程序必须与最终的配置一致。
只要工程保持相对简单，传统方式仍然可以工作，用户就可容忍它的缺点。有些工厂利用现场总线网络解决现场布线问题，但是从更大的层面来讲，数量仍然较少。
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缺少标准化
近年来，项目及其所用的DCS系统越来越复杂，越来越昂贵。大型项目的成本越来越高，公司经常会碰到，因自动化平台的最终调整导致项目延后，新工厂推迟启动的情形。不用多长时间，公司就会意识到每天损失的成本，而这一切都是不可避免的。系统缺乏标准部件，并且需要大量的工程师维护是其中的重要原因之一。
自动化工程师经常会发现，当系统成为启动、实现盈利的关键路径上的点时，任何延迟，都会使自己成为指责的对象。在过去很多年，尽管已经取得了很大的进步，但从用户的角度考虑，DCS毕竟已经快40岁了，身形已经有点臃肿不堪了；但是目前还没有切实可行的替代方案。用户相信“会有更好的途径” ，但是，供应商还必须让这个大胖子向前冲。
“大概5年前，我们开始使用电子接线柜，”艾默生过程管理项目管理办公室的副总裁Roger Freeman说道，“紧跟其后的是整个DCS系统的虚拟化，并不仅仅是工作站，还包括控制器和I/O控制器，所以整个工程实施可以独立于硬件平台开展，这样工程实施就可以更灵活，成本更低。”
很多自动化公司意识到， DCS的设计及实施流程有些过于线性了。主要步骤必须按照串行顺序完成，每一个步骤都必须等到前一个步骤的结束。任何一个环节的延迟，都会导致工厂最后启动时间的延迟，造成一定的损失。由于不可预期，工艺工程师在后期提出的任何变更需求，都会使情况变得更糟。
“自动化项目精益执行（LEAP）概念正是将功能设计从物理设计中分离出来，在最终阶段将其结合在一起，”霍尼韦尔公司的Experion产品市场总监Jack Gregg 如是说，“对于新建项目来讲，这是一个完美的方案，但是也可以用于现有项目的改造。”
■ 位于法国Tavaux的Solvay PVC聚合工厂，采用艾默生的CHARMs和DeltaV 系统实现了效率的提升。 图片来源：艾默生过程控制
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从I/O硬件开始
现场接线和I/O，是问题的关键，因为它们必须针对每个现场，专门设计。如果现场设备A必须与控制器3连接，那么电缆必须沿着任何可以将这些点连接起来的线路敷设，如果想要修改任何东西，需要花费大量的时间和费用。艾默生、霍尼韦尔和横河等公司都使用可配置的标准化I/O硬件以及现场安装的机柜来组建新系统。
随着更多的硬件标准化，更多DCS系统部件的设计可以同步进行。程序编写也可独立于硬件进行。串行设计和开发让位于并行方式。刚性设计元素让路于灵活性。
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面临新的挑战
工程设计、实施方法的变化，已经改变了客户和供应商讨论项目的方式。问题不在集中于系统是否可以控制工艺过程。这方面已经默认没有问题了。讨论的中心转移到更多的新功能以及采购成本、生命周期成本、复杂性、部署速度、稳定性、适用性和寿命长短等方面。由于维护带来的诸多问题，因此用户希望有预见性地进行项目安装和升级改造。
“由于多方面因素的限制，对现有项目改造进度方面的压力要比新建项目大得多。”艾默生过程管理公司DeltaV平台市场总监Claudio Fayad说道，“炼油厂每隔6到7年大修一次，大修时间为30天。不管是新建项目、升级改造或者使其现代化，压力都是使自动化工程项目更具有可预见性。”
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增加人的因素
很多年来，DCS设计方面的讨论，主要集中在技术方面。当然，运行人员也是蓝图的一部分，但是经常处于次要地位。由于劳动力方面所发生的变化，人员逐步成为其中更为重要的组成部分。
供应商基于人的因素，正在改变运行人员与系统之间交互的方式，这也经常会扩展到运行人员彼此之间的信息交流的方式。还有一个意义更深远的重点在于人与人之间的合作，这可能是处于同一个主控室、也可能是位于不同大陆上的人员，彼此相互帮助解决问题。新技术支持这种类型的交互。
“通过观察运行人员及其行为，获取新的人机方案。”Gregg解释道，“我们的新盘台专门为运行人员设计，运行人员需要连续12个小时坐在盘台处，监控随时可能变化的过程，并且可能在11.5小时的时候，做一个关键的决定。”所以我们问自己这样一个问题，“怎么做才能使运行人员保持警觉，快速响应呢？”一部分的灵感来自于家具的设计，同时也要结合运行人员查看过程的新方式。
■ 霍尼韦尔的通用I/O可配合Experion C系列使用。图片来源：霍尼韦尔过程控制
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为未来保留灵活性
真正普遍关心的一个问题就是系统的寿命。尽管大多数基于计算机的设备的寿命都是几年，但是控制系统的寿命一般则是用几十年来衡量的。任何公司安装一套新系统，都必须考虑20年甚至更长的时间。不论是供应商还是客户，所做的任何决定都是以此为基础。适应性和灵活性也需要考虑，因为没有任何人真正的知道，未来会发生什么事情，会需要什么样的改变。
“过去，我们会为控制系统定义一个模型，没有太多的模糊性。”Fayad回忆道。“现在，你可以以这么多不同的方式，做如此多的事情。比如连接I/O点，你可以使用总线、硬接线、无线或各种方式的组合。过去，工具只用于控制，而现在可将其用于控制、运行性能、维护、项目效率等方面，所以我们必须帮助人们理解这些差异及其对工作过程的意义。用户喜欢获得运行方面的效益，但是不喜欢面临风险。”
“我们很多客户，可能每隔数年才有转型需求，所以控制系统的稳定性对他们的业务十分关键。”霍尼韦尔公司的高级市场经理Marjorie Ochsner指出，“所以当你讨论投资或实施新的有价值的革新时，我们总是寻求某种合适的方式，既可以实现客户的目标，还不需要停止过程。我们将其称之为连续性创新。”
我们的朋友DCS，仍然是一个可以信赖的公民，虽已人到中年，但仍然准备面对前所未有的挑战，旨在为用户提供更简单和更灵活的系统。