儀表和控制系統(tǒng)現(xiàn)代化的三種典型方案

儀表和控制系統(tǒng)的升級往往很復(fù)雜，許多制造企業(yè)因此將其推遲了數(shù)年。遷移和升級除了避免計(jì)劃外停機(jī)外，還可以提供運(yùn)營優(yōu)勢。

如果規(guī)劃得當(dāng)，對儀表和控制系統(tǒng)實(shí)施現(xiàn)代化改造（即使涉及到大規(guī)模的系統(tǒng)遷移），可以在預(yù)算范圍內(nèi)按時(shí)從一個(gè)階段進(jìn)行到另一個(gè)階段，從而幫助企業(yè)顯著改善運(yùn)營。新工具使遷移更容易，成本更低。智能的、可軟件配置的I/O與標(biāo)準(zhǔn)的智能接線盒相結(jié)合，可以將文檔開發(fā)減少80%，布線設(shè)計(jì)減少90%。

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儀表和控制系統(tǒng)現(xiàn)代化的三種典型方案

與棕地或綠地項(xiàng)目相比，工廠現(xiàn)代化項(xiàng)目的挑戰(zhàn)在于必須嚴(yán)格控制施工順序。在大多數(shù)情況下，“升級儀表”項(xiàng)目必須在有限的停機(jī)窗口內(nèi)工作。儀表升級可以指更換現(xiàn)場儀表，也可以指更換整個(gè)儀表和控制系統(tǒng)。與具有更大靈活性的新項(xiàng)目不同，升級儀表項(xiàng)目還必須在正在運(yùn)行的工廠中施工，需要面對由此帶來的所有風(fēng)險(xiǎn)和限制。

三種典型的現(xiàn)代化方案包括：逐步升級、從其他品牌的系統(tǒng)遷移和現(xiàn)場儀器更換。

1.逐步升級實(shí)現(xiàn)工廠現(xiàn)代化

與完整的系統(tǒng)升級不同，逐步升級是指基于部件的升級。例如，人機(jī)界面（HMI）在控制器不停機(jī)的情況下逐一升級。另一個(gè)例子是更換一個(gè)控制器，該控制器監(jiān)控特定區(qū)域而不停止其它控制器。逐步升級的最大好處是將生產(chǎn)時(shí)間損失降至最低，并降低生產(chǎn)完全停止的風(fēng)險(xiǎn)。升級計(jì)劃可以根據(jù)最終用戶的生產(chǎn)和維護(hù)計(jì)劃以及預(yù)算來決定。

實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，是現(xiàn)有控制系統(tǒng)的老舊軟/硬件與新軟/硬件協(xié)同工作并共存的能力。例如，在分布式控制系統(tǒng)（DCS）中，升級后的工作站能夠以新控制器的方式訪問現(xiàn)有傳統(tǒng)控制器。此外，即使現(xiàn)場控制器和其它HMI站使用較舊版本的軟件運(yùn)行，也能保持在線設(shè)計(jì)和監(jiān)控的能力。DCS供應(yīng)商將此稱為漸進(jìn)式兼容性。

在具有八個(gè)或更多物理工作站和服務(wù)器的系統(tǒng)上使用逐步升級方法時(shí)，應(yīng)考慮虛擬化這些計(jì)算機(jī)資產(chǎn)。通過服務(wù)器托管，虛擬化技術(shù)可以減少物理工作站和服務(wù)器的數(shù)量。虛擬化帶來的好處包括減少硬件占用、降低能源成本、簡化系統(tǒng)管理、降低總擁有成本、提高系統(tǒng)可用性以及從故障中快速恢復(fù)的能力。

如今，大多數(shù)DCS硬件和相關(guān)部件（如歷史數(shù)據(jù)庫、資產(chǎn)管理系統(tǒng)和OPC服務(wù)器）都可以升級到虛擬環(huán)境中。例如，DCS可以使用高可用性群集進(jìn)行虛擬化，這些群集具有以下好處：具有自動(dòng)故障切換冗余、虛擬機(jī)的實(shí)時(shí)遷移功能、改進(jìn)的安全性、專用存儲和災(zāi)難快速恢復(fù)等優(yōu)勢。

2.從其它品牌的控制系統(tǒng)遷移

大多數(shù)DCS供應(yīng)商和許多系統(tǒng)集成商都已經(jīng)為從競爭對手的系統(tǒng)制定了全面的系統(tǒng)遷移策略?！霸鲋颠w移過程”是一個(gè)多階段的方法。除了系統(tǒng)遷移過程之外，它還包括可行性研究和現(xiàn)場調(diào)查以及差距分析，確定瓶頸，提出切實(shí)可行的對策，并通過使用替代系統(tǒng)和解決方案，來評估由此帶來的利潤改善和投資回報(bào)（ROI）。系統(tǒng)遷移專家參與此過程的所有階段。

例如，使用連接到現(xiàn)有傳統(tǒng)系統(tǒng)端子面板的特殊編組面板和適配器電纜，遷移選項(xiàng)用輸入/輸出（I/O）和控制器來取代傳統(tǒng)的控制器和過程接口單元。

系統(tǒng)供應(yīng)商和集成商還開發(fā)了各種數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換工具，可以將軟件工程信息從第三方系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為替換系統(tǒng)中的工程數(shù)據(jù)庫。根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，使用轉(zhuǎn)換工具可以節(jié)省20%以上的工程成本。

3.現(xiàn)場儀表更換

執(zhí)行器、流量計(jì)和變送器等現(xiàn)場儀表，占儀表和工業(yè)控制投資成本的很大一部分?，F(xiàn)在的數(shù)字智能過程自動(dòng)化系統(tǒng)及其連接的現(xiàn)場儀表，可以完成的任務(wù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的系統(tǒng)。工廠運(yùn)行人員可以利用人工智能、預(yù)測性維護(hù)以及儀器和過程的整體診斷等功能。一項(xiàng)好的投資，包括早期的工廠現(xiàn)代化規(guī)劃和設(shè)計(jì)，以審查控制方案，修訂和改進(jìn)控制方案，決定如何最佳地實(shí)施和推進(jìn)控制技術(shù)，并部署最新技術(shù)。

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選擇適合的主要自動(dòng)化承包商

建議選擇一個(gè)主要自動(dòng)化承包商（MAC）來實(shí)施儀表升級項(xiàng)目，因?yàn)镸AC可以確保配置最合適且具有所需專業(yè)技能的團(tuán)隊(duì)。使用知識豐富的團(tuán)隊(duì)來定義項(xiàng)目范圍，可以及時(shí)交付項(xiàng)目，并減少跳閘或停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。為一個(gè)自動(dòng)化合作伙伴，MAC能夠提供從前端工程設(shè)計(jì)（FEED）階段到詳細(xì)設(shè)計(jì)和施工、啟動(dòng)和移交運(yùn)營等一攬子解決方案和服務(wù)。

▲圖1：更新的硬件和軟件技術(shù)可以簡化成功實(shí)施現(xiàn)代化的步驟。

除了MAC概念外，還有其它項(xiàng)目實(shí)施方法，這些方法是最終用戶和系統(tǒng)供應(yīng)商共同開發(fā)的。例如，敏捷項(xiàng)目執(zhí)行使用并行程序路徑來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的瀑布式方法。在瀑布式方法中，項(xiàng)目在一個(gè)串行路徑上執(zhí)行。

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開發(fā)儀表和控制系統(tǒng)架構(gòu)

與初步現(xiàn)場調(diào)查一樣，在進(jìn)行項(xiàng)目之前，必須制定初步的系統(tǒng)架構(gòu)。這一架構(gòu)不是一成不變的，需要在FEED研究期間不斷對范圍進(jìn)行更新。

有時(shí)，可能很難找到準(zhǔn)確的回路圖和示意圖，但也可能會在技術(shù)人員維護(hù)的個(gè)人文件中找到。它們是確定變更歷史記錄的關(guān)鍵，以確保新控制系統(tǒng)提供與被替換系統(tǒng)相同的功能。

通過協(xié)作，最終用戶和系統(tǒng)供應(yīng)商或集成商確保充分理解過程和儀表圖（P&ID）、測量和控制方案，以在DCS和安全儀表系統(tǒng)（SIS）中實(shí)施這些方案。對于后者，所需的文件包括危險(xiǎn)和可操作性分析（HAZOP）和保護(hù)層分析（LOPA）。

▲圖 2 ：成功執(zhí)行現(xiàn)代化項(xiàng)目的指南，包括上述步驟。

應(yīng)在現(xiàn)場調(diào)查和FEED研究期間識別任何機(jī)會和風(fēng)險(xiǎn)。改進(jìn)的控制策略帶來了更高的可靠性和更嚴(yán)格的控制。

安全儀表系統(tǒng)通常與過程控制相結(jié)合，安全和過程邏輯在同一處理器（DCS或PLC）中完成。安全系統(tǒng)的隔離是IEC 61511的一項(xiàng)要求，其中安全系統(tǒng)應(yīng)僅用于安全關(guān)鍵資產(chǎn)。在前期的現(xiàn)場調(diào)查活動(dòng)中，這將是識別安全和工藝隔離，以及執(zhí)行安全功能的現(xiàn)有系統(tǒng)是否過時(shí)的關(guān)鍵組成部分。

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定義儀表升級項(xiàng)目的范圍

儀表升級項(xiàng)目是馬拉松而不是短跑。儀表升級團(tuán)隊(duì)必須保持對項(xiàng)目完成情況和項(xiàng)目成功程度的清晰愿景。識別整個(gè)資產(chǎn)升級的驅(qū)動(dòng)因素和優(yōu)先級，將有助于規(guī)劃和確定儀表升級項(xiàng)目的范圍。

工廠儀表升級項(xiàng)目往往因其范圍不斷變化而讓人煩惱。為了確保項(xiàng)目的成功，必須有一個(gè)完善的變更管理流程，允許以有序的方式處理變更，并盡可能減少對資金和進(jìn)度的影響。除設(shè)計(jì)變更外，變更管理過程還必須考慮設(shè)備故障、計(jì)劃外停機(jī)或計(jì)劃內(nèi)電廠停機(jī)延遲等問題。

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系統(tǒng)I/O技術(shù)的進(jìn)展

自數(shù)字控制系統(tǒng)出現(xiàn)以來，過程輸入/輸出（I/O）設(shè)計(jì)經(jīng)歷了幾次重大的技術(shù)進(jìn)步?，F(xiàn)在，過程和安全I(xiàn)/O可以是智能且軟件可配置的。光纖電纜和無線通信等技術(shù)可以取代傳統(tǒng)的多芯儀表電纜。

傳統(tǒng)上，控制系統(tǒng)使用專用硬件模塊，某個(gè)模塊將僅由同一種類型的I/O組成，例如模擬輸入或離散輸出。如今，模塊是軟件可配置的，可按點(diǎn)提供I/O。

通過將工程與現(xiàn)場布線和硬件安裝分離開，這種硬件設(shè)計(jì)可以簡化項(xiàng)目執(zhí)行。硬件設(shè)計(jì)與上述敏捷項(xiàng)目執(zhí)行方法相結(jié)合，可以帶來明顯的成本節(jié)約，降低項(xiàng)目進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)。

在邊緣使用軟件可配置I/O，可以完全消除編組并將布線減少80%。

▲圖3：了解各種自動(dòng)化組件的典型生命周期，有助于規(guī)劃未來的升級。

許多公司現(xiàn)在提供標(biāo)準(zhǔn)化的“智能接線盒”，其中包括不同數(shù)量的、可通過軟件配置的I/O。通過部署這樣的標(biāo)準(zhǔn)組件，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)可以消除定制I/O面板所需的設(shè)計(jì)、文檔和測試。

將智能接線盒與敏捷項(xiàng)目執(zhí)行方法相結(jié)合，可以在項(xiàng)目執(zhí)行期間的任何時(shí)點(diǎn)，完成機(jī)柜交付、撬裝集成和接線端接。即使是最后時(shí)刻的范圍變更，也不會導(dǎo)致項(xiàng)目延遲?？紤]到敏捷項(xiàng)目執(zhí)行所實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目解耦，現(xiàn)在甚至可能需要工廠驗(yàn)收測試（FAT）。

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重新使用現(xiàn)有接線、端子和編組柜

一種經(jīng)濟(jì)的策略是盡可能多地重復(fù)使用現(xiàn)有的接線、端子和編組柜。I/O面板和接線是儀表和控制系統(tǒng)中壽命最長的組件之一。盡管如此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)仍需要對配電盤和接線進(jìn)行詳細(xì)評估，在腐蝕性環(huán)境中更是如此，因?yàn)楦g性環(huán)境將大大縮短其使用壽命。

許多系統(tǒng)供應(yīng)商和集成商設(shè)計(jì)了I/O適配器模塊，以將現(xiàn)有布線連接到新系統(tǒng)。應(yīng)將此類定制硬件的ROI與上述智能接線盒的ROI進(jìn)行比較，以做出權(quán)衡。

新的I/O技術(shù)、智能接線盒和項(xiàng)目執(zhí)行方法也可以結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場儀表驗(yàn)證、綁定、配置、測試和文檔編制過程的自動(dòng)化。與傳統(tǒng)方法相比，新方法讓項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將調(diào)試時(shí)間減少95%以上，此外，還可以減少80%的圖紙和90%的布線設(shè)計(jì)工作。

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用于儀表升級的工程項(xiàng)目協(xié)作工具

許多系統(tǒng)供應(yīng)商為復(fù)雜的集成項(xiàng)目提供了工具，使項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)能夠在全球范圍內(nèi)進(jìn)行協(xié)作。

軟件環(huán)境可以促進(jìn)儀表升級或DCS遷移項(xiàng)目中的項(xiàng)目執(zhí)行、系統(tǒng)集成和現(xiàn)場執(zhí)行。先進(jìn)的軟件工具可以為所有控制系統(tǒng)項(xiàng)目的各個(gè)階段，以及電廠生命周期的啟動(dòng)、運(yùn)行、維護(hù)、擴(kuò)展/升級帶來確定性和信心。

這些工具創(chuàng)建了一個(gè)完整的工程環(huán)境，具有一個(gè)新的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，可以提供標(biāo)準(zhǔn)化和一致的信息，保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性，消除設(shè)計(jì)信息和實(shí)際系統(tǒng)之間的不一致和管理變更，并支持系統(tǒng)的生命周期。此外，新工具有助于復(fù)用有價(jià)值的工程技術(shù)，并消除后續(xù)項(xiàng)目的重復(fù)工作。

如今，儀表和控制系統(tǒng)升級項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在硬件、軟件和項(xiàng)目管理方法方面擁有眾多新技術(shù)。智能、可軟件配置的I/O，與標(biāo)準(zhǔn)、智能接線盒相結(jié)合，可將文檔開發(fā)減少80%，布線設(shè)計(jì)減少90%。當(dāng)MAC和敏捷項(xiàng)目執(zhí)行方法與全球工程軟件工具一起使用時(shí)，有助于保持項(xiàng)目完整性，實(shí)現(xiàn)變更管理，并降低成本和進(jìn)度方面的風(fēng)險(xiǎn)。

輔以豐富的經(jīng)驗(yàn)和技能，這些技術(shù)的實(shí)施將能在預(yù)算范圍內(nèi)、按計(jì)劃執(zhí)行項(xiàng)目，并在近期和整個(gè)系統(tǒng)生命周期內(nèi)帶來顯著的運(yùn)營改善和出色的投資回報(bào)。

編輯：黃飛

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