I. Entwicklungsgeschichte von DCS Um 1975 entwickelten sich großflächige integrierte Schaltungen von 4-Bit- zu 8-Bit-Mikroprozessoren. Während Einplatinencomputer in industriellen Anwendungen eingesetzt wurden, entwickelte die Automatisierungs- und Messtechnikbranche, aufbauend auf der DDC-Technologie (Direct Digital Controller) mit kleinen und mittleren integrierten Schaltungen, kombiniert mit Kathodenstrahlröhren (CRT) und Datenkommunikationstechnologien, verteilte Steuerungssysteme (DCS), die sich durch zentrale Anzeige und Bedienung auszeichnen. Diese Systeme wurden später zusammenfassend als verteilte Steuerungssysteme bezeichnet. In den folgenden 20 Jahren gab es zwar keine grundlegenden Durchbrüche bei DCS-Produkten, doch entwickelten sich ihre Designkonzepte aufgrund technologischer Fortschritte, veränderter Rahmenbedingungen und sich wandelnder Anforderungen weiter, woraus drei Generationen von DCS-Produkten entstanden. Die erste Generation umfasste die Jahre 1975 bis Anfang der 1980er Jahre, die zweite Generation die Jahre Mitte der 1980er bis Anfang der 1990er Jahre. Die dritte Generation erstreckte sich von Mitte der 1990er-Jahre bis zum Beginn des 21. Jahrhunderts. Die Unterschiede zwischen diesen drei Generationen lassen sich anhand der Entwicklung der drei Hauptkomponenten eines Prozessleitsystems (DCS) beurteilen: Leitstand, Bedienerstation und Kommunikationsnetz. Der Produktlebenszyklus ist jedoch ein komplexes Thema, und angesichts der Unterschiede zwischen den DCS-Herstellern, ihrer variierenden Produktwechselzyklen und der unterschiedlichen Auffassungen zu den Produktgenerationen (dritte und vierte Generation) bedarf dies weiterer Erläuterung. Die Situation in Bezug auf Leitstände, Bedienerstationen und Kommunikationsnetze wird in den folgenden Abschnitten erörtert. Zunächst analysieren wir die Anwendungs- und Marktsituation. Mitte der 1970er-Jahre erlebte die Prozessindustrie ein rasantes Wachstum. Aufgrund der zunehmenden Anlagengröße, der hohen Anforderungen an die Prozesskontinuität, der wachsenden Anzahl zu steuernder Prozessparameter und der strengen Bedingungen, einschließlich zentralisierter Anzeige und Bedienung, konnten die bereits weit verbreiteten elektrischen Kombinationsgeräte die Anforderungen jedoch nicht vollständig erfüllen. Unter diesen Umständen kamen die Hersteller nach einer Marktanalyse zu dem Schluss, dass die entwickelten DCS-Produkte primär analoge Rückkopplungsregelung nutzen sollten, ergänzt durch sequentielle Steuerung von Schaltgrößen und hybride analoge Schaltregelung (für Batch-Produktionsverfahren in Branchen wie der Feinchemie). Dieser Ansatz konnte die meisten Branchen abdecken, darunter Ölraffinerien, Petrochemie, Chemie, Metallurgie, Energiewirtschaft, Leichtindustrie und kommunale Infrastruktur. Da Computer zu dieser Zeit noch nicht weit verbreitet waren, waren die Anwender an die Anzeige und Bedienung konventioneller Automatisierungsinstrumente gewöhnt. Daher sollte die DCS-Entwicklung darauf abzielen, dass die Anwender das DCS auch ohne Computerkenntnisse bedienen können. Gleichzeitig waren die Anwender es gewohnt, Automatisierungsinstrumente zusammen mit dem Systemkauf zu konfigurieren, sodass die DCS-Entwicklung auch die Bereitstellung eines Komplettsystems in den Vordergrund stellen sollte. Darüber hinaus sollte das entwickelte DCS die gleichen technischen Spezifikationen wie die konventionellen Instrumente im Kontrollraum aufweisen, um Zuverlässigkeit und Sicherheit zu gewährleisten. Somit ist ersichtlich, dass DCS zu dieser Zeit innerhalb der Kategorie der konventionellen Instrumentierung Marktanteile mit Sekundärinstrumenten (Kontrollrauminstrumenten) teilte. DCS wurde zunächst in komplette Anlagen integriert und dann schrittweise auf die Modernisierung von Prozessanlagen ausgeweitet. Gleichzeitig wurde der Markt in großflächige und mittelgroße bis kleine DCS-Produkte unterteilt, um das Preis-Leistungs-Verhältnis wettbewerbsfähiger zu gestalten. Weltweit gibt es derzeit Dutzende von DCS-Herstellern. Laut Statistiken der ARC (Automation Research Corporation) aus dem Jahr 1996 entfielen über 80 % des Marktanteils auf die folgenden zehn Unternehmen: Honeywell (21,6 %), Elsag Bailay (12,6 %, einschließlich H&B), ABB (9,7 %), Yokogawa (9,6 %), Foxboro-Eckardt (9,3 %), Fisher-Rosemount (6,0 %), Yamatake Honeywell (4,6 %), Siemens (4,0 %), Cegelec/AEG Automation Systems (ATT) (3,2 %) und Westinghouse (3,1 %). Die ARC unterteilt den Weltmarkt in vier Hauptregionen: Nordamerika, EMA (Europa, Naher Osten und Afrika), Japan und Asien (ohne Japan). Die Marktanteile in Asien (ohne Japan) verteilen sich wie folgt: Honeywell (27,4 %), Yokogawa (12,6 %), Foxboro-Eckardt (11,4 %), ABB (8,1 %), Elsag Bailay (6,4 %), Cegelec/ATT (5,5 %), Fisher-Rosemount (4,8 %), Yamatake Honeywell (4,2 %) und sonstige Unternehmen (19,6 %). Die DCS-Analyse des Weltmarktes ist in Tabelle 1 dargestellt. ARC hat zudem Marktstatistiken für den Zeitraum 1997–2000 erstellt (siehe Abbildung 1). Dabei kostet ein kleines DCS 100.000 US-Dollar und hat weniger als 30 Schleifen; ein mittelgroßes DCS kostet 500.000 US-Dollar und hat weniger als 150 Schleifen. Der globale DCS-Markt belief sich 1996 auf 7,008 Milliarden US-Dollar und 2000 auf 9,637 Milliarden US-Dollar. Regional betrachtet entfielen 29 % auf Nordamerika, 31 % auf den Nahen Osten und Afrika (EMA), 14,5 % auf Japan, 4 % auf Amerika und 21,5 % auf Asien (ohne Japan). Der asiatische Markt hatte 1996 ein Volumen von 1,1388 Milliarden US-Dollar und 2000 von 2,067 Milliarden US-Dollar. Der Markt für kleine DCS-Systeme betrug 1996 64 Millionen US-Dollar und 2000 318 Millionen US-Dollar. Der Markt für mittelgroße DCS-Systeme umfasste 1996 294 Millionen US-Dollar und 2000 617 Millionen US-Dollar. Wie ersichtlich, wuchs der asiatische DCS-Markt rasant; sein Volumen im Jahr 2000 war mehr als 1,8-mal so hoch wie 1996. Betrachtet man die Verteilung der DCS-Anwendungen in verschiedenen Branchen, so zeigt sich am Beispiel des CENTUM-Systems in Japan (siehe Abbildung 2) Folgendes: Chemie (einschließlich Petrochemie) 50,74 %, Öl und Gas 15,73 %, Stahl 7,72 %, Wasseraufbereitung (Wasserwerke etc.) 4,81 %, Nichteisenmetalle 4,24 %, Zellstoff und Papier 8,25 % und Sonstige 8,4 %. Diese Aufteilung ist selbstverständlich durch die japanischen Gegebenheiten bedingt; so ist beispielsweise die Energiewirtschaft nicht berücksichtigt. Obwohl Yokogawa viele Anwendungen in der Kesselsteuerung anbietet, finden seine Produkte im Bereich der thermischen Kraftwerke kaum Verwendung. Tatsächlich nutzt die japanische Energiewirtschaft DCS (Distributed Control Systems) umfassend. Toshiba, Fuji, Mitsubishi, Hitachi und andere Unternehmen setzen eigene DCS-Systeme für thermische Kraftwerke ein; auch Baileys DCS hat einen hohen Marktanteil im japanischen Energiemarkt. Japan misst der Entwicklung von DCS große Bedeutung bei. Vor der Markteinführung der CS1000 und CS3000 produzierte Yokogawa über 10.000 DCS-Systeme, davon rund 4.000 der CENTUM-Serie und die restlichen kleinen und mittelgroßen Systeme wie uX1, YEWPACK und YEWPACK MARKII. Allein über 2.000 uX1-Systeme wurden nach China verkauft. Die Entwicklung von DCS-Produkten trieb das Wachstum der gesamten japanischen Automatisierungs- und Messtechnikbranche voran. Das Verhältnis von Inlandsnachfrage zu Exporten in Japan beträgt etwa 3:1 (bei großen DCS-Systemen) bzw. 3:2 (bei kleinen und mittelgroßen DCS-Systemen). Ab Mitte bis Ende der 1970er-Jahre führte mein Land zunächst ausländische Prozessleitsysteme (DCS) als Teil groß angelegter Importe ein. Die ersten Projekte umfassten die Chemiefaser-, Ethylen- und Düngemittelindustrie. Parallel dazu begannen inländische Unternehmen mit der Forschung, Entwicklung und Anwendung ausländischer DCS-Systeme. Nach über 20 Jahren haben sich mehrere inländische DCS-Hersteller etabliert, deren Produkte in verschiedenen Unternehmen der Prozessindustrie aller Größenordnungen eingesetzt werden. Hollysys, Zhejiang University Control System und Shanghai Xinhua haben sich dabei zu einer bedeutenden Größe entwickelt. Aktuell haben ausländische DCS-Produkte in China immer noch einen relativ hohen Marktanteil, wobei Honeywell und Yokogawa am weitesten verbreitet sind. Die wichtigsten Branchen, die DCS in China einsetzen, sind die Ölraffinerie, die Petrochemie und die Chemiefaserindustrie. Über 700 Systeme sind bereits im Einsatz. Weitere Anwendungsbereiche sind die Chemie-, Metallurgie-, Energie- und Leichtindustrie. Die petrochemische Industrie meines Landes weist einen hohen Automatisierungsgrad von über 90 % und einen hohen Wartungsaufwand auf. Derzeit wird der Anwendungsbereich von DCS aktiv erweitert. Die Weiterentwicklung von DCS sollte sich auf die Optimierung seiner Leistungsfähigkeit und die Implementierung fortschrittlicher Steuerungs- und Optimierungsmethoden konzentrieren. Der DCS-Markt in China verzeichnet ein hohes Wachstum von jährlich etwa 20 %. Laut zuständigen Behörden wird die jährliche Marktnachfrage nach DCS auf 3 bis 3,5 Milliarden Yuan geschätzt. Da es in den nächsten fünf Jahren in der petrochemischen Industrie keine unmittelbar verfügbaren Alternativen zu DCS in großtechnischen Automatisierungssystemen gibt, ist kein Rückgang des Marktwachstums in den kommenden Jahren zu erwarten. Schätzungen zufolge werden bis 2005 über 1.000 Anlagen in der petrochemischen Industrie Chinas eine DCS-Steuerung benötigen; das Energiesystem wird jährlich neue Generatoren mit einer Leistung von über 10 Millionen Kilowatt installieren, die eine DCS-Überwachung erfordern; und viele Unternehmen nutzen DCS bereits seit 15 bis 20 Jahren, was Modernisierungen und den Austausch von Anlagen notwendig macht. Daher ist die Position von DCS als wichtiges Produkt in der Automatisierungs- und Messtechnikbranche in den nächsten fünf Jahren unbestreitbar. Allerdings muss die Funktionalität weiter verbessert, die Kompatibilität mit verschiedenen neuen Technologien erhöht, der Preis gesenkt und die Anwendungsmöglichkeiten erweitert werden. I. DCS-Steuerstation: In einem DCS-System basiert die Steuerstation auf der DDC-Technologie. Sie ist ein vollständiger Computer, der Prozesssteuerungsstrategien umsetzen und den reibungslosen Betrieb der Produktionsanlagen gewährleisten kann, ohne während des Betriebs mit der Bedienerstation oder dem Netzwerk verbunden zu sein. Aus Sicht der Computerarchitektur zählt die Steuerstation zu den dedizierten Prozessleitrechnern. Ihre Merkmale sind: Die erste Generation verwendet einen 8-Bit-Mikroprozessor, die zweite einen 16-Bit-Mikroprozessor und die dritte einen 32-Bit-Mikroprozessor. Dies ist für kleine und mittelgroße DCS-Steuerungen ausreichend. Große DCS-Steuerstationen stellen höhere Anforderungen an die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU). Hier muss es sich um einen dedizierten Prozessor mit quasi-16-Bit- und quasi-32-Bit-Arithmetik handeln. Die DCS-Leitstation der zweiten Generation nutzt ein RISC-System (Reduced Instruction Set Computer); die dritte Generation verwendet mehrere CPUs für Steuerungsberechnungen, Redundanzschaltung, Kommunikation und weitere Operationen. Als vollständiger Computer verfügt die Leitstation über Feld-E/A-Verarbeitungsgeräte und Prozess-E/A (PI/O), einschließlich Signalumwandlung und -aufbereitung sowie A/D- und D/A-Wandlung. In den Produkten der zweiten und dritten Generation wurde schrittweise Embedded-Technologie eingeführt. Mikrocontroller übernehmen Funktionen wie Bereichseinstellung, Fern-E/A-Datenübertragung, Miniaturisierung und reduzierte Hardware-Spezifikationen der PI/O-Karten. Die Leitstation ist mit intelligenten Feldsendern verbunden oder empfängt digitale Signale über Feldbustechnologie. Die Isolationstechnologie bei der Signalumwandlung zur Vermeidung von Feldstörungen ist entscheidend. Auch die einfache Identifizierung der physischen Position der mit dem Feld und den Ein-/Ausgangssignalen verbundenen Anschlüsse ist für Anwender von großer Bedeutung. Diese Aspekte wurden bei den Upgrades der DCS-Leitstationen deutlich verbessert. Hersteller von Automatisierungsinstrumenten haben sich in dieser Hinsicht besonders hervorgetan. Daher kann man sagen, dass DCS ein Computersystem ist, das die Technologie von Automatisierungsinstrumenten übernommen hat. Die Systemsoftware von DCS-Leitstellen umfasst prinzipiell ebenfalls Echtzeitbetriebssysteme, Programmiersprachen und Kompilierungssysteme, Datenbanksysteme und Selbstdiagnosesysteme und unterscheidet sich lediglich im Komplexitätsgrad. DCS-Leitstellen der ersten Generation funktionieren eher wie Mehrkreisregler. Jede Leitstelle kann mit einer Mensch-Maschine-Schnittstelle und einem Backup-Operator konfiguriert werden. DCS-Leitstellen der zweiten Generation verfügen über umfassendere Echtzeitbetriebssysteme und Programmkompilierungssysteme mit Programmiersprachen, darunter prozedurale und höhere Programmiersprachen. Die Konfiguration der Steuerungsstrategie erfolgt durch die Bediener- oder Workstation, die mit der Leitstelle verbunden ist, mittels Kompilierung und Download. DCS-Leitstellen der dritten Generation verfügen über eine umfassende Systemsoftware, die es Bediener- oder Ingenieurstationen ermöglicht, Steuerungsstrategien offline zu konfigurieren und online zu modifizieren. Zur Implementierung von Steuerungsstrategien und zur Realisierung der Funktionen der entsprechenden Module sowie der Verbindungen zwischen den Modulen können Rückkopplungsregelkreise gebildet werden. Dies hat sich über drei Generationen von DCS-Leitstellen hinweg kaum verändert und ist ein Prozess kontinuierlicher Weiterentwicklung und Verbesserung; typische numerische Berechnungen wie PID-Algorithmen sind Beispiele dafür. Aktuell existieren über 50 typische Funktionsmodule, die herstellereigene Technologien der DCS-Anbieter darstellen. Für die Konfigurationsprogrammierung der sequenziellen und Batch-Steuerung verwenden verschiedene DCS-Leitstellen unterschiedliche Methoden, wobei sich erst in jüngster Zeit eine Angleichung an den Programmiersprachenstandard IEC 61131-3 ergibt. Die Daten in einem DCS-System stammen primär aus Feldsignalen und verschiedenen Variablen, die in der Leitstelle als entsprechende Messwerte (PV), Sollwerte (SV), Betriebsausgabewerte (MV) und Regelkreiszustände dargestellt werden. Diese Daten werden im entsprechenden Speicher der DCS-Leitstelle erfasst und bilden so Echtzeitdaten. Weitere Konfigurationsinformationen der Arbeitsstation, wie Bereich, technische Einheiten, Informationen zur Regelkreisverbindung und Informationen zur sequenziellen Steuerung, werden ebenfalls in der Leitstelle gespeichert, müssen aber gleichzeitig auch in der Bediener- oder Ingenieurstation vorhanden sein und eine entsprechende Zuordnung aufweisen. Die Speicherung historischer Daten erfolgt in der Regel nicht in der DCS-Leitstelle. Zur Verbesserung der DDC-Technologie (Direct Digital Control) wurden die Konzepte des Abtast- und Regelzyklus für die A/D- und D/A-Wandlung sowie für Regelalgorithmen eingeführt. In DCS-Steuerstationen der zweiten und dritten Generation kann der Abtastzyklus kürzer als der Standardwert von 1 Sekunde sein, beispielsweise 0,2 bis 0,5 Sekunden, um den Anforderungen weniger, schnell reagierender Regelobjekte gerecht zu werden. Für DCS-Steuerstationen der ersten und zweiten Generation wurden verschiedene Modelle und Spezifikationen entwickelt, um neben der Regelkreissteuerung auch die sequentielle und Batch-Steuerung sowie die Datenerfassung zu ermöglichen. Steuerstationen der dritten Generation unterscheiden sich aufgrund ihrer leistungsstarken Funktionen und ihrer hohen Verarbeitungskapazität für digitale und analoge Signale im Allgemeinen nicht mehr. Eine einzelne Steuerstation in einem großen DCS kann Hunderte von Regelkreisen steuern; ihre Fehlertoleranz ist hochentwickelt, und ihre Zuverlässigkeit und Sicherheit sind hoch, wodurch das ursprüngliche Ziel der „verteilten Steuerung zur Gefahrenminimierung“ schwer zu erreichen ist. Selbstverständlich handelt es sich bei einem großen System in einer Fabrik mit mehreren Prozessanlagen und einem zentralen Kontrollraum, in dem jede Anlage über eine nahegelegene Leitstation verfügt, ebenfalls um eine Form der verteilten Steuerung – allerdings mit höheren Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Leitstationen. Kleine und mittelgroße DCS-Leitstationen, die auf die Steuerung von 16 bis 32 Regelkreisen beschränkt sind, werden aufgrund ihrer verteilten Struktur leichter akzeptiert. Derzeit teilen sich SPS, IPC und FCS zunehmend den Marktanteil kleiner DCS. Zukünftig könnten kleine DCS zunächst in diese drei Systeme integriert werden, und die „Soft-DCS“-Technologie wird sich zuerst in kleinen DCS entwickeln. Die Leitstation bildet das Fundament des gesamten DCS-Systems, und ihre Zuverlässigkeit und Sicherheit sind von höchster Bedeutung. Systemausfälle und Steuerungsstörungen sind absolut inakzeptabel. Darüber hinaus müssen Redundanz, Stromausfallschutz, Störfestigkeit und explosionsgeschützte Systemkonfiguration hochwirksam und zuverlässig sein, um die Benutzeranforderungen zu erfüllen. Jahrelange praktische Erfahrung hat gezeigt, dass die überwiegende Mehrheit der DCS-Leitstationen der Hersteller die Benutzeranforderungen erfüllt. II. Die DCS-Bedienstation verfügt über Bediener-, Ingenieurs-, Kommunikations- und höhere Programmiersprachenfunktionen. Zu den Ingenieursfunktionen gehören Systemkonfiguration, Systemwartung und allgemeine Systemfunktionen (Dienstprogramme). Eine typische DCS-Bedienstation ist ein Computer, der sich von einer Steuerstation unterscheidet und über eine Vielzahl von Peripheriegeräten sowie eine Mensch-Maschine-Schnittstelle verfügt. Mitte der 1970er-Jahre war die CRT-Monitor-Technologie ausgereift, und DCS-Bedienstationen der zweiten Generation, die sich durch externe Speichermedien wie Winston-Festplatten auszeichneten, wiesen folgende Merkmale auf: separate Bediener- und Ingenieursysteme (bzw. Workstations); einige Unternehmen verwendeten sogar Festplatten (historische Module) und Module für höhere Programmiersprachen, die jeweils unabhängig mit dem Kommunikationsnetzwerk verbunden waren; neben DOS wurden auch Unix und andere Betriebssysteme eingesetzt; die Leistung der Echtzeit-Datenbankspeicherung verbesserte sich stetig. Im Bereich der Mensch-Maschine-Schnittstelle erfolgte ein schrittweiser Übergang zu einer GUI-Plattform (Graphical User Interface). Diese nutzt Maus, Menüs, Fenster und CAD-Technologie zur Erstellung von Flussdiagrammen und Regelkreisdiagrammen während der Konfiguration und führte so zu einer benutzerfreundlicheren Oberfläche. Mit der zunehmenden Verbreitung von PCs und Windows-Betriebssystemen sowie der Kommerzialisierung von universeller Überwachungsgrafiksoftware entstanden DCS-Bedienstationen der dritten Generation. DCS-Systeme, die den Benutzeranforderungen entsprechen, sollten offen, einfach zu integrieren und zu bedienen sowie mit Windows kompatibel sein. Aktuell nutzen die meisten DCS-Bedienstationen High-End-PCs oder Steuerungsmaschinen mit Windows NT (oder Windows 400). 98) Betriebssystem, Client/Server-Architektur (C/S), DDE- (Dynamic Data Exchange) oder OPC-Schnittstellentechnologie (Object Linking and Embedding), Ethernet-Schnittstelle zur Anbindung an das Managementnetzwerk. Der Einsatz universeller Überwachungsgrafiksoftware (wie z. B. iFIX, Intouch usw.) unterscheidet sich von dem der DCS-Hersteller. Einige nutzen dies als Plattform zur Entwicklung von „Soft-DCS“-Bedienstationen, die hauptsächlich in kleinen und mittelgroßen DCS-Systemen eingesetzt werden, oder als Kern solcher Software für die Weiterentwicklung. Die meisten DCS-Hersteller modifizieren die ursprüngliche Konfigurationssoftware, um den oben genannten Eigenschaften zu entsprechen und die Anforderungen an die Systemoffenheit zu erfüllen. Damit die Bedienstation ihre vielfältigen Funktionen realisieren kann, muss sie die Datenorganisation und -speicherung gewährleisten. Für Aufgaben im Zusammenhang mit Arbeitsplatznummern muss die Bedienstation jedem Arbeitsplatz, der an Feldinstrumente an einem bestimmten Ende der Leitwarte angeschlossen ist, Arbeitsplatznummern (d. h. Merkmalsnummern oder Tags) und Arbeitsplatzbeschreibungen (die in chinesischen Schriftzeichen vorliegen können) zuweisen. Dies gewährleistet die Konsistenz mit dem Prozessobjekt und die Bedienung durch die Prozessbediener. Die Arbeitsplatznummern sind im gesamten DCS-System einheitlich. Weitere Aspekte umfassen die Systemkonfiguration, Betriebskennzeichnungen, Trendaufzeichnungen, die Verwaltung historischer Daten, die Konfiguration der Gesamtansicht, die Konfiguration der Leitwarte sowie die Konfiguration von Prozesseinheiten oder -bereichen. Diese Daten werden in Dateien organisiert und bilden schließlich eine Datenbank, die in entsprechenden Bereichen der Festplatte gespeichert wird. Dies gewährleistet Datenunabhängigkeit und -freigabe sowie Datenintegrität und -sicherheit. Die Konfiguration des DCS-Systems, der Bedienerstation und der Leitwarte erfolgt über entsprechende Software und bietet so eine Mensch-Maschine-Schnittstelle für die Konstrukteure der DCS-Anwender. Bei der Konstruktion von DCS-Systemen der ersten und zweiten Generation füllten die Ingenieure Arbeitsaufträge aus oder erstellten Konfigurationsdiagramme (auch SAMA-Diagramme genannt) und gaben die Daten anschließend an der Bediener- oder Ingenieurstation ein, um die Anwendungssoftware zu generieren. Diese wurde dann auf Diskette kopiert. Die dritte Generation von DCS-Systemen vollzieht den Übergang zu einem papierlosen Verfahren und ermöglicht die Durchführung von Konstruktionszeichnungen am PC. Die Bedienung erfolgt primär über Flussdiagramme sowie Standardübersichts- und Gruppenansichten mit Standardtastaturen, Mäusen und bedienerspezifischen Tastaturen – ein typisches Merkmal von DCS-Systemen. Prozessbediener benötigen spezielle Schulungen, um diese Funktionen zu beherrschen. In Umgebungen mit mehreren Bildschirmen wurden Probleme wie das Prinzip des optimalen Betriebs, die Integration von Bildschirmanzeigen, die Aufrufgeschwindigkeit von Bildschirmen über die Arbeitsplatznummer oder dedizierte Tasten, die zeitgesteuerte Bildschirmaktualisierung sowie die sequentielle Anzeige und Protokollierung von Alarmen schrittweise gelöst. Abstürze von Bedienerstationen treten zwar noch gelegentlich auf und hängen mit den Fertigungsprozessen des DCS und der Bedienung durch die Benutzer zusammen, die umfassendste Lösung liegt jedoch in der Behebung des Problems auf Ebene des Betriebssystems der Bedienerstation. Aktuell ist das Problem nicht gravierend, eine vollständige Lösung wird jedoch Zeit in Anspruch nehmen. III. Datenkommunikation und Vernetzung: In der Anfangsphase der Entwicklung von DCS-Systemen stand die Datenkommunikation zwischen mehreren Leitständen und einem oder mehreren Bedienerständen innerhalb einer Produktionsanlage im Vordergrund. DCS der zweiten Generation befassten sich mit der Vernetzung von DCS-Systemen über mehrere Anlagen hinweg. DCS der dritten Generation ermöglichen die Vernetzung mehrerer Werkstätten innerhalb eines Werks und deren Anbindung an das anlagenweite Computernetzwerk – dies ist die übergeordnete Designphilosophie. In der Praxis, beispielsweise in der petrochemischen Industrie, werden DCS traditionell in Mehrmaschinen-Kommunikationssystemen innerhalb einer Produktionsanlage eingesetzt, wobei sich Leitstände und Bedienerstände zentral im Kontrollraum befinden. In der Energie-, Metallurgie- und Wasserversorgungsindustrie sind die Leitstände über verschiedene Etagen, Produktionslinien oder andere Standorte verteilt, wobei die Gesamtentfernung vom Kontrollraum, in dem sich die Bedienerstände zentral befinden, in der Regel unter einem Kilometer liegt. Aufgrund der Fortschritte in der Computernetzwerktechnologie ist die Vernetzung aller Produktionshallen eines Werks über einen DCS-Kommunikationsbus seltener geworden. Daher beinhaltet die Entwicklung der DCS-Kommunikationsfunktionalität in DCS der dritten Generation die Integration mit der werksweiten Managementnetzwerktechnologie (Ethernet), wodurch das Kommunikationsnetzwerk schrittweise von einer mehrschichtigen zu einer flacheren Struktur überführt wird. Ein Hauptmerkmal von DCS-Kommunikationssystemen der dritten Generation ist daher ihre Offenheit. Obwohl die Größe und die Kommunikationsfähigkeit eines DCS-Systems zusammenhängen, ist es unangebracht, dies als Unterscheidungsmerkmal zwischen DCS der ersten und zweiten Generation heranzuziehen. Es ist wichtig zu beachten, dass sich die Kanäle und Übertragungsraten von DCS der ersten und zweiten Generation unterscheiden. DCS der ersten Generation nutzen verdrillte Adernpaare oder Koaxialkabel mit Geschwindigkeiten unter 1 Mbit/s, während DCS der zweiten Generation Koaxialkabel oder Glasfasern mit Übertragungsraten von 1–10 Mbit/s verwenden. Manche argumentieren auch, dass die Kommunikation von DCS der ersten Generation einer Datenautobahn gleicht, während die Kommunikation von DCS der zweiten Generation einem lokalen Netzwerk (LAN) entspricht. Einige DCS-Hersteller haben ihre Systeme sogar mit mehreren miteinander verbundenen Busstrukturen aufgebaut. Honeywell beispielsweise verband seinen DHW-Bus (Data High Way) aus den 1970er-Jahren über HG mit dem LCN und den UCN-Bus über NIM mit dem LCN. In den letzten Jahren wurde das LCN weiter zum TPN (TPS Process Network) weiterentwickelt. Dadurch wurden die Verbindungsprobleme von Produkten aus den 1970er-, 80er- und 90er-Jahren gelöst und die Skalierbarkeit des Systems sichergestellt, während gleichzeitig die Investitionen der Nutzer geschützt wurden. Dies verdeutlicht die Komplexität der Kommunikationsproblematik in DCS-Systemen. Mitte der 1970er-Jahre begann sich die digitale Kommunikation zu verbreiten, zunächst jedoch nur in der Telekommunikationsbranche. Geschäftskunden benötigten dringend vollständige DCS-Systeme, doch damals boten nur wenige große Computerhersteller Datenübertragungsprotokolle an, und es gab keinen einheitlichen Datenkommunikationsstandard. Daher veröffentlichte (oder erwarb) jeder DCS-Hersteller seine DCS-Kommunikationstechnologie in Form von Patenten. Da Datenkommunikationsstandards Netzwerkstruktur, Kommunikationsmedien (Kanäle), Kommunikationsprotokolle und branchenspezifische Vorschriften verschiedener Nutzer umfassen, existiert noch immer kein vollständig einheitlicher Standard für industrielle (oder prozessindustrielle) Netzwerke. Aktuell sind die IEEE 802.4 Token-Bus- und die IEEE 802.5 Token-Ring-Übertragungsmethoden die am weitesten verbreiteten Kommunikationsprotokolle in DCS-Systemen. Das von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) vorgeschlagene OSI-Referenzmodell (Open Systems Interconnection), das ISO/OSI-7-Schichten-Modell, spezifiziert die Segmentierung des Kommunikationsprozesses und die Schichtung der Netzwerkfunktionen. Dies ist die gemeinsame Sprache zur Diskussion über die Standardisierung bzw. Offenheit der DCS-Kommunikation – nicht mehr und nicht weniger! Dies erinnert an den kürzlich verabschiedeten IEC-61158-Standard, der acht Feldbustypen umfasst. Angesichts des aktuellen Trends der DCS-Kommunikation der dritten Generation hin zu Ethernet besteht kein Grund, den eingeschlagenen Weg der DCS-Kommunikation zu beklagen. Offenheit zeichnet sich durch Portabilität, Interoperabilität, breite Verfügbarkeit und Zugänglichkeit aus. Anhand dieser Eigenschaften lässt sich Ethernet sowie das Internet und Intranet, die es bildet, als grundsätzlich offen bezeichnen. Daher sollte sich DCS auf die Vernetzung mit Ethernet konzentrieren und sein „Insel“-Image im breiteren Kontext der Systemintegration ablegen. Der Einsatz digitaler Kommunikationstechnologie in DCS, die Verwendung von internen Kommunikationsbussen und Remote-I/O-Bussen in Leitstellen sowie die Integration von Schnittstellenkarten zur Anbindung von SPSen, Analysatoren und intelligenten Feldgeräten in DCS-Leitstellen der dritten Generation reduzieren den Verdrahtungsaufwand zwischen DCS und Feldgeräten und ermöglichen deren Geräteverwaltung. Dies schafft die Grundlage für Abwärtskompatibilität und Integration mit Feldbus-Kommunikationstechnologie. IV. Herausforderungen für die zukünftige Entwicklung Derzeit besteht Einigkeit über drei Hauptprobleme von DCS: Systemoffenheit, Verdrahtungsprobleme mit Feldsensoren, Transmittern und Aktoren sowie hohe Kosten. Diese Probleme werden in DCS der dritten Generation bereits angegangen. Im 21. Jahrhundert sollte die nächste Generation von DCS diese Anwenderbedürfnisse erfüllen. Hinsichtlich der Offenheit bestehen neben Kommunikationsproblemen auch Offenheitsprobleme in Betriebssystemen, Datenbanken, Mensch-Maschine-Schnittstellen und der Konfiguration von Steuerungsstrategien. Mit dem technologischen Fortschritt wird die Offenheit von Prozessleitsystemen (DCS) daher schrittweise zunehmen, und ihre einzigartigen Merkmale sollten genutzt werden, um verteilte Steuerungssysteme von traditionellen DCS zu befreien. Die unmittelbare Priorität liegt in der nahtlosen Verbindung zwischen DCS und den Ebenen für Planung, Management und Entscheidungsfindung (einschließlich unterstützender Entscheidungsfindung) des CIPS-Systems. Dies beinhaltet das Hochladen relevanter DCS-Informationen, sodass die Echtzeit- und historischen Datenbanken von diesen drei Ebenen gemeinsam genutzt werden und redundante Datenbankerstellung vermieden wird. Dadurch entsteht eine Plattform für fortschrittliche Steuerung und Optimierung, den Datenaustausch mit übergeordneten relationalen Datenbanken und die tatsächliche Integration von Management und Steuerung. Die Feldverdrahtung gestaltet sich komplexer. Erstens befinden sich Feldbusstandards noch in der Entwicklung; zweitens sind intelligente Feldtransmitter und Aktoren noch nicht weit verbreitet; und drittens erfordert die praktische Anwendung der Kombination von explosionsgeschützter Technologie mit Feldbustechnologie weitere Anstrengungen. Beispielsweise sind in eigensicheren explosionsgeschützten Technologien Thermoelemente, Widerstandsthermometer (RTDs) und zugehörige Kompensationsleitungen, die über Zener-Sicherheitsbarrieren mit der DCS-Steuerstation oder deren Remote-I/O-Station verbunden sind, Zweidraht-Temperaturtransmittern oder Feldbus-Temperaturtransmittern überlegen. Darüber hinaus erschwert die in Feldbus-Steuerungssystemen (FCS) bereits gängige dezentrale Steuerungsstrategie die Integration mit der vergleichsweise zentralisierten Steuerungsstrategie der DCS-Steuerstation. In manchen Branchen, wie etwa der petrochemischen Industrie, sind Produktionsanlagen relativ zentralisiert und Feldmesskomponenten ebenfalls relativ konzentriert, sodass die Anforderungen an eine vollständig dezentrale Steuerung weniger stark ausgeprägt sind. Kurz gesagt: Wie DCS die Komplexität der Feldverdrahtung, die relativ zentrale Steuerung von DCS-Steuerstationen und die Beziehung zwischen FCS- und DCS-Steuerstationen bewältigen kann und wie intelligente, fortschrittliche Steuerung und Optimierung in DCS und FCS implementiert werden können, erfordert schrittweise und umfassende Lösungen durch technologische Innovation und praktische Anwendung. Hinsichtlich der Preisgestaltung sollten Faktoren wie das Preis-Leistungs-Verhältnis, der Produktlebenszyklus, die Auswahl des DCS-Systems durch den Anwender basierend auf den tatsächlichen Automatisierungsanforderungen der Produktionsanlage, die Entwicklungskosten und die Wartungskosten umfassend berücksichtigt werden. Besonders hervorzuheben ist, dass SPS-Systeme und Industrie-PC-Systeme (IPCs) derzeit für ihre niedrigen Preise bekannt sind, was eine erhebliche Herausforderung für DCS-Hersteller darstellt. Obwohl DCS-Systeme die nächsten fünf Jahre bestehen können, sollten sich die Hersteller auf Kostensenkung, verbesserte Wartung, die Entwicklung von Ferndiagnose und -wartung sowie die Optimierung ihrer Servicesysteme konzentrieren. Sie sollten außerdem ihren derzeitigen, auf Direktvertrieb basierenden Ansatz anpassen und mehr Wettbewerber zur Einführung von DCS bewegen. Die Anwendung von DCS in meinem Land ist im Allgemeinen gut und gewährleistet eine stabile Produktion in der Prozessindustrie. Der Anwendungsgrad ist jedoch nicht hoch. Die meisten Anwender nutzen DCS lediglich als Ersatz für konventionelle Steuerungen. Statistiken zeigen, dass die DCS-Funktionen in der Praxis zu weniger als 30 % genutzt werden. Um sicherzustellen, dass sich DCS rechnet, sollten Anstrengungen in folgenden Bereichen unternommen werden: schrittweise Verbesserung der Steuerungsschemata im täglichen Einsatz nach der Inbetriebnahme; Verbesserung der Mensch-Maschine-Schnittstellen; Bereitstellung historischer Daten für das Prozesspersonal zur Analyse. strengthening daily maintenance, overhaul inspections, and cleaning of DCS machines to effectively reduce manpower and increase efficiency; and further developing advanced control and optimization technologies based on the automation foundation of the DCS system to achieve greater benefits (Note: Implementing advanced control on the basis of DCS only requires a 10% increase in cost to obtain 40% benefits; adding real-time optimization on the basis of advanced control only requires a 10% increase in cost to further obtain 40% benefits). In terms of the industry distribution of DCS applications, steel mills have seen a decline in market share in recent years due to the diverse types of processes, significant differences in process technology across different stages, and the urgent need for integrated electrical, electronic, and electronic control systems. Waterworks and wastewater treatment plants, on the other hand, have experienced a decline due to the dispersed physical locations of their processes, numerous electromechanical equipment, and fewer analog control loops. Currently, PLCs have become the primary choice for these industries, partly due to their lower price. Upgrading DCS products can maintain their position in these industries, such as Westinghouse's WDPF Ovation system. The era of "manufacturers producing whatever DCS they want, and users using whatever they choose" is over; a buyer's market has arrived. Starting from current product lifecycle integration technologies, a comprehensive consideration of TQSCE (Product Development Cycle, Quality, Cost, Service, Environment) should be undertaken. This requires a comprehensive analysis of DCS, PLC, IPC, and CIPS systems, as well as a comprehensive analysis of the automation needs at different levels across various industries, including process industries, manufacturing industries, intelligent buildings, urban facilities, transportation, and commercial logistics. Drawing on the experience of information industry development, effective thinking and actions should be taken to ensure the inheritance and development of DCS technology, enabling the automation industry to develop healthily and orderly, creating a new generation of DCS that benefits humanity. There's more to say here. DCS has a 25-year history, and two events from the 1980s are worth mentioning. Company Y in a certain country merged with Company H. Company Y's leadership stated that they valued H's technological strength, not its products. Another example is a multinational corporation that, for a period, had to transfer a group of technical personnel (from its subsidiary) from another country to participate in the restructuring of its DCS system. After several years, the company's DCS products were revitalized. These two examples illustrate the crucial role of a technical team in DCS development. If we consider DCS development as a systems engineering project, specifically including software engineering, we should develop DCS system software with independent intellectual property rights. my country's DCS industry has already achieved a considerable scale, and we should take a long-term view. The key is to cultivate a professional, innovative team adapted to the market economy, enabling the further healthy growth of my country's DCS manufacturing industry.