帶你了解實現自動化系統平穩(wěn)升級的10個要素

如果你正在升級你的自動化系統，或者考慮在不久的將來實施這一工作，那你的注意力可能主要放在人機界面、控制器和I/O接口上。這是正確的，因為在實施系統遷移過程中，這些都是關鍵部件。但是，一個自動化系統，不僅只有這些硬件部件。在計劃階段，如果沒有給予足夠重視的話，那些次要方面可能會引起許多問題。

在進行重要的自動化升級工程之前，進行一個前期準備工作（FEL）評估，是檢查自動化系統所有方面最好的方法之一。FEL評估是一種用于評估自動化系統升級或其它工程的各個方面的分析技術。

由于經常沒有足夠的人手，大多數最終用戶與外部服務提供商一起完成FEL評估。優(yōu)秀適的服務提供商應可以完成很多自動化系統升級工程的FEL評估，因此能幫助最終用戶以一種最優(yōu)的方式完成周密的研究。

FEL評估能幫助制定預算，為驗證項目提供數據。它還能暴露出潛在的問題，為遷移過時的、基于DCS或PLC的自動化系統這一令人望而生畏的任務做準備提供幫助。簡而言之，它能提供一條成功通向你既定目標的捷徑。

在大多數情況下，在FEL評估上投入的時間和精力直接與整個項目的成功率成正比。不幸的是，很多最終用戶認為這一階段只是自動化系統升級時的可選任務，有時甚至是累贅。在FEL評估方面投入的縮減CONTROLENGINEERINGChina版權所有，不僅會增加風險，還會喪失改進以及增進長期穩(wěn)定性的機會。反之，一個周詳的FEL評估能確定潛在的問題，這有助于確保達到項目目標。

在自動化系統升級工程的初期，應將智能儀表連接至新自動化系統并測試其兼容性。

10個不容忽視因素

當自動化系統升級的主體結構開發(fā)完成后，主要部件一般包括人機界面、控制器和I/O接口。在計劃和預算階段，大部分時間和精力也都花費在這些關鍵的部件上，這對系統主體之外的那些輔助系統可能會造成一定的損害。表1列出了正確執(zhí)行的FEL評估需要重點關注的10個方面，并在下文中進行詳細討論。

表1自動化系統FEL評估的10個要素

現場設備和基礎設施

現場設備和接線主要包含四個部分：

電纜、護線管、導線槽;

盤臺、機柜、編組盤臺和接線盒;

儀表，包括嵌入式設備、分析儀表、傳感器等;

機械設備，包括電動機、閥門、驅動器和其它現場設備。

應檢查所有這些物項，以確定可接受的物理狀態(tài)和適用的文檔。此外CONTROLENGINEERING China版權所有，必須對儀表和機械裝置進行檢查和測試，以確保與新自動化系統I/O以及數字通訊接口的適當連接。

在FEL過程中，應對現場接線，包括端子、標簽和接地的整體狀況進行評估。如果任何方面不能滿足標準要求或者沒有處于良好的工作狀態(tài)，則應制定相應的計劃和預算來矯正任何不足和缺陷。

各種現場設備，比如電動機、閥門、行程開關通過硬接線連接至自動化系統的輸入端，當自動化系統上電運行后，各個部件的狀態(tài)也就可以確定了。所以必須測試這些設備和輸入之間的接口，以確保適當的電壓水平和電氣隔離。

類似的，閥門、電動機和狀態(tài)燈由自動化系統的輸出驅動。同樣必須確保兼容性，每個輸出才可以驅動相關設備。

與自動化系統模擬量I/O的接口，可能會是一個容易出問題的方面。在一個回路連接中，老自動化系統的一個4-20mA的輸出可能比新自動化系統的4-20mA輸出能驅動更多的儀表。如果在FEL評估過程中發(fā)現這個問題，這是一個小問題，但是如果在調試過程中發(fā)現，則是一個大問題。而且，必須對模擬量輸入進行兼容性檢查，有時需要對其進行測試。例如，在老DCS系統中適用的熱電偶類型不再廣泛使用，因此在新自動化系統中可能就不支持。

大多數工廠將智能儀表和分析儀器通過自己的網絡連接至自動化系統，這是在FEL評估過程中，必須仔細考慮的另外一個方面。

網絡基礎設施和連接性

現代自動化系統在不同的層面與一系列其它系統和部件連接，包括：

控制層：過程裝置中的輔助控制系統、排放監(jiān)視系統、樓宇自動化系統等;

企業(yè)層：歷史庫、MES、ERP、公司網絡等;

現場設備層：HART、Fieldbus、Profbus、DeviceNet等;

其它：實驗室系統、遠程存取、分析儀器、先進過程控制設備等。

必須對物理設施，包括光纖/銅纜骨干網、網絡設備、無線硬件設備以及其它物項進行檢查，確定可接受的物理狀態(tài)以及適用的文檔。正如兼容性問題所涉及的一樣，即使新自動化系統支持同老系統幾乎一樣的協議，這也僅僅是第一步。

為確保通訊能正常進行，應在每個層面對主要接口進行測試，使其性能等于或者超過現有系統。不管是直接通訊還是通過協議轉換器，新自動化系統必須能夠支持現有的各種通訊協議。在某些情況下，對無法和新自動化系統接口的系統或部件進行升級甚至是更換，可能更經濟。

例如，如果有一小部分儀表使用的現場總線協議與絕大多數儀表的不同，相較于通過增加協議轉換器將其連接至新自動化系統而言，更好的方式也許是更換這些“異類”。

老自動化系統的控制器和智能設備，如儀表和驅動器，經常由同一家供應商提供。如果新自動化系統采購自不同的供應商，即使采用名義上一樣的通訊協議，在絕大多數情況下，它同智能儀表之間的數字接口在功能上也有很多限制。在運行這些功能受限的系統時，必須盡早制定相應的預案，或者是更換智能設備。

輔助系統和空間要求

應將新自動化系統的部件布置在特定區(qū)域，一般是老系統所處的主控室內。應從以下各方面進行檢查確保該區(qū)域滿足新系統規(guī)范書以及后續(xù)運行和維護的需求：

動力需求，包括UPS;

空氣調節(jié)系統需求;

物理空間布局需求;

主控室人因工程。

UPS和其它動力系統必須有足夠的容量處理新自動化系統部件。類似的，空氣調節(jié)系統必須在能夠為操作員維持舒適的工作環(huán)境的情況下，保持新電子設備的冷卻。

必須有足夠的整體空間來布置和安裝新系統部件，包括控制硬件和操作員站。許多老自動化系統的控制臺，無法在新自動化系統中使用，或者即使能用也必須做大的修改。

一個經常被忽略的方面是調試計劃及其對輔助系統和空間需求的影響。許多新舊系統遷移調試計劃要求新舊系統同時運行。很明顯，這影響重大，需要周詳的計劃以適應兩個系統同時運行。一般需要臨時增加輔助動力系統以及過渡的安裝空間。

關鍵文檔

新自動化系統的安裝，包括與現場設備、網絡基礎設施以及輔助系統的所有接口和連接，需要對文件和圖紙做很多變更。

為了確保新自動化系統運行和維護的成功，必須對某些關鍵的文件進行審查和定期更新。一些最重要的文件包括P&ID圖、控制回路圖、I/O數據庫、系統組態(tài)、軟件程序、軟件文檔、補丁要求、功能規(guī)格書、控制系統說明書以及編程和設計規(guī)范。

拆除，安裝和調試

一個周詳的FEL的評估需審查必要的拆除、安裝和調試服務，以確保在預算、計劃以及人力資源等方面考慮這些活動。生產設施一般按照日常運營來配置人員，可能沒有足夠的人員來實施大的工程。因此，FEL評估應確定所需要的人員，為雇傭更多人員做準備。

調試計劃是任何自動化系統升級的關鍵部分。一般而言需要列出的主要項目包括停機計劃、縮短停工期的計劃以及新舊系統熱遷移期間的利用。考慮到其它與安裝和調試相關的活動，可能還需要追加一些人員。還應制定預案應對安裝和調試期間所造成的生產產量的降低。

在FEL評估中，還應對與安裝、調試相關的施工及設計活動進行審查和規(guī)劃，這樣才能確保這些活動的正確執(zhí)行。需要實施的關鍵活動包括制定新的電纜和電纜槽架計劃、儀表和現場設備圖紙、盤臺機柜的設計、回路圖、電機原理圖，點位圖以及詳細安裝圖。

合規(guī)和異常情況管理

需要對為了適應自動化系統的升級而做的變更進行審查，以確保這些變更滿足標準、法規(guī)和運行規(guī)程的要求。必須對安全儀表系統（SIS）進行審查以確保其仍然維持了所有的SIL安全等級。需要進行保護層分析（LOPA），必須將環(huán)境健康和安全規(guī)程維持在可接受的水平。

必須滿足當前諸如NEC、NFPA和FDA標準、法規(guī)的要求，有時根據NEC和NFPA監(jiān)管條例的要求需要得到許可和進行檢查。同樣，FDA對驗證系統的監(jiān)管條例包含了非常嚴格的條款，在對生產藥品的設備進行任何更改的時候必須遵循這些條款。許多食品和飲料工廠在進行修改和升級的時候，也必須遵循FDA的監(jiān)管條例，只是降低了執(zhí)行的標準。

老自動化系統有某些非正式或正式的機制來處理異常工況。與之類似，新自動化系統也必須有處理異常工況的機制。通過簡單的利用內置于自動化系統的特性CONTROLENGINEERINGChina版權所有，同時利用現有的異常工況管理、圖形和報警管理標準以及最優(yōu)實踐，經?？梢栽谶@方面獲得提升。

事實上，FEL應當評估所有可能改進的方面，包括ASM，因為這能確保對新系統的投資獲得最大回報。

改進方面

新自動化系統所具有的特性和功能，一般是過時的、基于DCS或PLC的系統所沒有的，這就使得可以改進現有的運行。自動化系統的升級提供了一個絕佳的機會，可以對現有運行和習慣做法進行改進，從而獲得進一步的提升。

把在老自動化系統時運行在手動模式下的過程和系統改為自動控制，是改進的主要方面。如果由于工廠沒有足夠部件或設備，仍然需要手動運行，那么這些設備就需要升級或更換。比如，為了實現特定回路的自動控制，需要修改或更換開關閥使其能像控制閥一樣工作。

在其它案例中，在老系統中不易實現自動控制的地方，在新自動化系統中也許可以實現自動化。新自動化系統一般具有內置的先進過程控制特性，使其自動控制復雜回路。改手動控制為自動控制，減少所需運行人員的干預，進而降低人因故障，避免停機，改進生產，提高產出，帶來短期和長遠的投資回報。

很多老自動化系統，為工廠操作人員提供數據和圖像的是過時的圖形顯示系統，分辨率低，顯示屏質量低劣，沒有足夠大的屏幕。反之，新自動化系統可以充分利用過去幾十年在操作員界面、硬件和軟件上發(fā)生的巨大進步，來降低運行人員的疲勞，方便培訓新運行人員，改進異常工況的管理。

自動化系統的升級能用一個更易于使用、維護的系統來代替過時的系統，意味著同時也是提高運行性能的理想時機。如果僅簡單的做一個類似替換，那就喪失了巨大的機會。為了充分利用系統升級，降低風險，必須進行周詳的FEL評估，檢查受升級影響的各個方面，包括那些HMI、控制器和I/O之外的方面。