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劃外停機外，還可以提供運營優(yōu)勢。

如果規(guī)劃得當，對儀表和控制系統(tǒng)實施現(xiàn)代化改造（即使涉及到大規(guī)模的系統(tǒng)遷移），可以在預算范圍內(nèi)按時從一個階段進行到另一個階段，從而幫助企業(yè)顯著改善運營。新工具使遷移更容易，成本更低。智能的、可軟件配置的I/O與標準的智能接線盒相結合，可以將文檔開發(fā)減少80%，布線設計減少90%。

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儀表和控制系統(tǒng)現(xiàn)代化的三種典型方案

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

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，人機界面（HMI）在控制器不停機的情況下逐一升級。另一個例子是更換一個控制器，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)時間損失降至最低，并降低生產(chǎn)完全停止的風險。升級計劃可以根據(jù)最終用戶的生產(chǎn)和維護計劃以及預算來決定。

實現(xiàn)上述目標的關鍵技術，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行，也能保持在線設計和監(jiān)控的能力。DCS供應商將此稱為漸進式兼容性。

在具有八個或更多物理工作站和服務器的系統(tǒng)上使用逐步升級方法時，應考慮虛擬化這些計算機資產(chǎn)。通過服務器托管，虛擬化技術可以減少物理工作站和服務器的數(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的能力。

如今，大多數(shù)DCS硬件和相關部件（如歷史數(shù)據(jù)庫、資產(chǎn)管理系統(tǒng)和OPC服務器）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行虛擬化，這些群集具有以下好處：具有自動故障切換冗余、虛擬機的實時遷移功能、改進的安全性、專用存儲和災難快速恢復等優(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（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)供應商和集成商還開發(fā)了各種數(shù)據(jù)庫轉換工具，可以將軟件工程信息從第三方系統(tǒng)轉換為替換系統(tǒng)中的工程數(shù)據(jù)庫。根據(jù)項目經(jīng)驗，使用轉換工具可以節(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。現(xiàn)在的數(shù)字智能過程自動化系統(tǒng)及其連接的現(xiàn)場儀表，可以完成的任務遠遠超過傳統(tǒng)的系統(tǒng)。工廠運行人員可以利用人工智能、預測性維護以及儀器和過程的整體診斷等功能。一項好的投資，包括早期的工廠現(xiàn)代化規(guī)劃和設計，以審查控制方案，修訂和改進控制方案，決定如何最佳地實施和推進控制技術，并部署最新技術。

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選擇適合的主要自動化承包商

建議選擇一個主要自動化承包商（MAC）來實施儀表升級項目，因為MAC可以確保配置最合適且具有所需專業(yè)技能的團隊。使用知識豐富的團隊來定義項目范圍，可以及時交付項目，并減少跳閘或停機的風險。為一個自動化合作伙伴，MAC能夠提供從前端工程設計（FEED）階段到詳細設計和施工、啟動和移交運營等一攬子解決方案和服務。

▲圖1：更新的硬件和軟件技術可以簡化成功實施現(xiàn)代化的步驟。

除了MAC概念外，還有其它項目實施方法，這些方法是最終用戶和系統(tǒng)供應商共同開發(fā)的。例如，敏捷項目執(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，項目在一個串行路徑上執(zhí)行。

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開發(fā)儀表和控制系統(tǒng)架構

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

有時，可能很難找到準確的回路圖和示意圖，但也可能會在技術人員維護的個人文件中找到。它們是確定變更歷史記錄的關鍵，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）中實施這些方案。對于后者，所需的文件包括危險和可操作性分析（HAZOP）和保護層分析（LOPA）。

▲圖 2 ：成功執(zhí)行現(xiàn)代化項目的指南，包括上述步驟。

應在現(xiàn)場調(diào)查和FEED研究期間識別任何機會和風險。改進的控制策略帶來了更高的可靠性和更嚴格的控制。

安全儀表系統(tǒng)通常與過程控制相結合，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的一項要求，其中安全系統(tǒng)應僅用于安全關鍵資產(chǎn)。在前期的現(xiàn)場調(diào)查活動中，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)是否過時的關鍵組成部分。

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定義儀表升級項目的范圍

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

工廠儀表升級項目往往因其范圍不斷變化而讓人煩惱。為了確保項目的成功，必須有一個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度的影響。除設計變更外，變更管理過程還必須考慮設備故障、計劃外停機或計劃內(nèi)電廠停機延遲等問題。

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系統(tǒng)I/O技術的進展

自數(shù)字控制系統(tǒng)出現(xiàn)以來，過程輸入/輸出（I/O）設計經(jīng)歷了幾次重大的技術進步?，F(xiàn)在，過程和安全I/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，這種硬件設計可以簡化項目執(zhí)行。硬件設計與上述敏捷項目執(zhí)行方法相結合，可以帶來明顯的成本節(jié)約，降低項目進度風險。

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)在提供標準化的“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。通過部署這樣的標準組件，項目團隊可以消除定制I/O面板所需的設計、文檔和測試。

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

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重新使用現(xiàn)有接線、端子和編組柜

一種經(jīng)濟的策略是盡可能多地重復使用現(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，項目團隊仍需要對配電盤和接線進行詳細評估，在腐蝕性環(huán)境中更是如此，因為腐蝕性環(huán)境將大大縮短其使用壽命。

許多系統(tǒng)供應商和集成商設計了I/O適配器模塊，以將現(xiàn)有布線連接到新系統(tǒng)。應將此類定制硬件的ROI與上述智能接線盒的ROI進行比較，以做出權衡。

新的I/O技術、智能接線盒和項目執(zhí)行方法也可以結合使用，以實現(xiàn)現(xiàn)場儀表驗證、綁定、配置、測試和文檔編制過程的自動化。與傳統(tǒng)方法相比，新方法讓項目團隊將調(diào)試時間減少95%以上，此外，還可以減少80%的圖紙和90%的布線設計工作。

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用于儀表升級的工程項目協(xié)作工具

許多系統(tǒng)供應商為復雜的集成項目提供了工具，使項目團隊能夠在全球范圍內(nèi)進行協(xié)作。

軟件環(huán)境可以促進儀表升級或DCS遷移項目中的項目執(zhí)行、系統(tǒng)集成和現(xiàn)場執(zhí)行。先進的軟件工具可以為所有控制系統(tǒng)項目的各個階段，以及電廠生命周期的啟動、運行、維護、擴展/升級帶來確定性和信心。

這些工具創(chuàng)建了一個完整的工程環(huán)境，具有一個新的數(shù)據(jù)庫結構，可以提供標準化和一致的信息，保持數(shù)據(jù)完整性，消除設計信息和實際系統(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，新工具有助于復用有價值的工程技術，并消除后續(xù)項目的重復工作。

如今，儀表和控制系統(tǒng)升級項目團隊在硬件、軟件和項目管理方法方面擁有眾多新技術。智能、可軟件配置的I/O，與標準、智能接線盒相結合，可將文檔開發(fā)減少80%，布線設計減少90%。當MAC和敏捷項目執(zhí)行方法與全球工程軟件工具一起使用時，有助于保持項目完整性，實現(xiàn)變更管理，并降低成本和進度方面的風險。

輔以豐富的經(jīng)驗和技能，這些技術的實施將能在預算范圍內(nèi)、按計劃執(zhí)行項目，并在近期和整個系統(tǒng)生命周期內(nèi)帶來顯著的運營改善和出色的投資回報。

編輯：黃飛

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