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  • 使自动化系统升级更加顺畅的10个步骤

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如果您在升级自动化系统的过程中,或考虑在不久的将来这样做,您的关注重点可能是人机界面、控制器和输入/输出——这些是在系统迁移中需要解决的关键部件。

但是自动化系统所需的远不止这些硬件组件,如果在规划阶段没有执行尽职调查,这些次要领域会成为许多问题的来源。
在进行某一重大自动化升级项目之前检查所有自动化系统领域的一个最好方法是执行前段装载(FEL)评估。 FEL评估是评估某一自动化系统升级或其他项目的所有方面的一种分析。 在其他交付物中应该包括一个项目任务列表,其中包含持续时间和整体项目进度。

图1: 智能仪器应该连接到新的自动化系统并在自动化系统升级项目的早期阶段进行兼容性测试。 图片来源: Yokogawa

大多数终端用户会与外部服务提供商合作进行FEL评估,因为他们通常没有可用的人力资源。 合适的服务提供商会对自动化系统升级项目进行许多FEL评估,因此可以最优方式帮助终端用户进行深入研究。

FEL评估将有助于制定预算并证明项目的合理性。 它还将揭示存在的潜在问题,并帮助终端用户为迁移其过时的DCS或基于PLC的自动化系统这样艰巨的任务做准备。 简而言之,将目的地牢记心中,它可以为取得成功提供一个路线图。

在大多数情况下,在FEL评估中投入的时间和精力与整体项目的成功成正比。 遗憾的是,许多终端用户认为该阶段是自动化系统升级的一个可选任务,甚至是令其分神之事。 在FEL评估上精打细算不仅会增加风险,也会导致错过改进和增强长期可持续性的机会。 相比之下,彻底的FEL评估可以识别存在的潜在问题,并帮助确保项目达到其目标。


界外的10个领域

开发自动化系统升级的主要架构时,主要组件始终是人机界面、控制器和输入/输出。

规划和预算阶段的大部分时间和精力花在这些关键组件上,通常会对系统、这些超出界外的领域的平衡造成损害。

正确执行的FEL评估将阐明10个重要的次要领域(在表1中列出,讨论如下)。


现场设备和基础设施

现场设备和布线主要由四个部分组成:

  • 线路、管道和电缆槽
  • 开关柜、机柜、接线板和接线盒
  • 仪器,包括内联设备、分析仪、发射器等,以及
  • 机械设备,包括电机、阀门、驱动器及其他现场设备。

所有这些项目都必须予以检查,以确定可接受的物理状态和适当文档。 此外,仪器和机械设备必须予以检查和/或测试,以确保与新自动化系统的输入/输出以及数字通信接口的适当接口。

现场布线的总体情况(包括终端、标签和接地)应在FEL过程中予以评估。 如果任何领域达不到标准或不处于良好的工作状态,应制定计划和预算来纠正任何不足和缺陷。

自动化系统启动并运行时,各种现场设备(如电机、阀门和行程开关)的状态通过将这些组件硬接线至自动化系统输入来确定。 因此,这些设备之间的接口和输入必须予以测试,以确保适当的电压水平和电气隔离。

同样,阀门、电机和状态灯是由自动化系统输出驱动。 此外,必须确保兼容性,以便每个输出可以驱动或激活其关联设备。

自动化系统模拟I/O接口可以成为一个特定的问题领域。 在一个老旧自动化系统中的4-20毫安输出可能已经能够驱动比新自动化系统的4-20毫安输出更多的回路连接仪器。 该问题如果在FEL评估中发现就是个小问题,但如果在调试期间发现就是个大问题。 此外,模拟输入必须予以检查,有时须进行兼容性测试。 例如,老旧的DCS可能已适应不再广泛使用的热电偶类型,这样可能不受新的自动化系统的支持。

大多数工厂都有智能仪器和分析仪,通过自己的网络连接至自动化系统(参见图1),另一个在FEL评估期间必须予以详细检查的领域。


网络基础设施和连通性

现代自动化系统连接到各层的各种其他系统和组件,包括:

  • 控制层 - 过程模块上的辅助控制系统、排放监测系统、建筑自动化系统等。
  • 企业层 - 历史记录、制造执行系统(MES)、企业资源计划(ERP)、企业网络等。
  • 现场设备层 - 可寻址远程传感器高速通道(HART)、Fieldbus、Profibus、设备网等。
  • 其他 - 实验室系统、远程访问、分析仪、高级过程控制设备等。

物理基础设施,包括光纤/铜干线、网络设备、无线硬件和其他项目,必须予以检查以确定可接受状态和适当文档。 但这仅仅是第一步,因为兼容性问题比比皆是,即使当新的自动化系统支持与旧的自动化系统完全相同的协议时。

每一层的主要接口应予以测试,以确保通信以可接受的方式发生,且性能等于或超过现有系统。 新自动化系统必须能够直接或通过协议转换器支持所有现有的通信协议。 在某些情况下,升级或甚至替换不能很容易与新自动化系统接口的系统和组件可能更具成本效益。

例如,如果有一小群仪器集群不同于大部分仪器的现场总线协议,更好的办法可能是替换这些异类,而不是添加一个协议转换器将它们连接到新自动化系统。

较陈旧的自动化系统通常会有控制器和智能设备,如由同一供应商提供的仪器和驱动器。 如果新自动化系统是从不同的供应商处购买,在几乎所有情况下,智能设备的数字接口在功能性方面将会受到更多限制,哪怕协议在名义上是一样的。 对这一功能降低的系统的操作必须做出规定,或者更换智能设备。

辅助系统和空间需求

新的自动化系统组件将被安置在一个特定区域,通常是存放老旧系统的控制室。 应当对以下方面进行检查,以确保它们满足要求的新系统规范,以及持续的操作与维护需求:

  • 电源要求,包括UPS、
  • 暖通空调要求、
  • 物理占用空间,以及
  • 控制室人机工程学。

UPS和其他电力系统必须有足够的能力来处理新的自动化系统组件。 同样,暖通空调系统必须能够使新的电子设备保持冷却,同时为操作员提供一个舒适的工作环境。

必须提供足够的整体空间来放置和安装新的系统组件,包括控制硬件和操作员工作站。 许多老旧的自动化系统有不能与新的自动化系统一起使用或必须做大幅修改的自定义控制台。

当没有执行彻底的FEL评估时一个经常被忽视的方面是调试计划及其对辅助系统和空间需求的影响。 许多调试转换计划需要旧的自动化系统与新的自动化系统同时运行。 这显然会产生深远的影响,通常需要进行仔细的规划,以适应两个系统的同时运行。 临时辅助电力系统通常是必要的,连同过渡的安装空间。


关键文档

新自动化安装以及与现场设备和布线、网络基础设施和辅助系统的所有接口与连接将需要对文档和图纸做大量更改。

某些关键文档必须予以审查并经常更新,以便成功运行和维护新的自动化系统。 一些必须予以检查的最重要文档包括管道仪表图、循环表、I/O数据库、系统配置、软件程序、软件文档、批处理需求、功能规范、控制系统说明、编程及设计标准。


拆除、安装和调试

彻底的FEL评估将检查所需的拆除、安装和调试服务,以确保这些活动适当考虑预算、时间表和可用人力资源。生产设备通常配备人员处理日常运行,没有人员执行重大项目。


因此,FEL评估应该确定所需人员,并就与额外人力订约做出规定。

调试计划是任何自动化系统升级的一个关键组成部分。 必须纳入考虑的主要项目通常包括停车计划表、最小化停机时间计划,以及使用热转换。 与安装和调试有关的其他活动一样,可能需要补充人力。 同样必须做出规定,以考虑通常在安装和调试期间损失的工厂产量。

与安装和调试相关的施工设计活动也应该在FEL评估中进行估计和计划,以便能够予以正确执行。 可能需要执行的一些关键活动包括制定新的电缆和管道计划表、仪器和现场设备图纸图表、面板和箱体设计、循环表、电机原理图、点对点布线图,以及安装详细图。


合规和异常状况管理

为适应自动化系统升级所做的变更需要进行检查,以确保符合所有标准、规范和操作程序。

必须检查安全仪表系统(SIS),以确保维持所有必需的SIL水平。 可能需要执行保护层分析(LOPA),环境健康和安全程序必须维持在可接受的水平。

必须维持对现行法规和标准(如NEC、NFPA和FDA法规)的遵守,就NEC和NFPA规定而言通常需获得许可并接受检查。 同样,FDA针对验证系统的法规包含一个非常严格的协议,生产医药产品的设施的所有变更必须遵循这一协议。 许多食品和饮料厂在执行变更和升级时也必须遵守FDA法规,尽管不是那么严格。

您的老旧自动化系统将有一些非正式或正式的方法来处理异常情况。 同样,新的自动化系统还必须有一个方法来处理异常情况。 这一方面通常可以通过利用内置于自动化系统的功能以及通过实施当前的异常情况管理(ASM)图形和报警管理标准及最佳实践得到改进。

事实上,FEL评估应该检查所有可能的改进领域,包括ASM,因为这将确保新的自动化系统的最大投资回报。


改进领域

新的自动化系统通常具有旧的DCS或基于PLC的系统不可用的特性和功能,可以对现有操作进行改进。 进一步改进可以通过修改现有的操作和实践实现,同时自动化系统升级为执行这些活动提供了理想时机。

一个主要的改进领域是实现旧的自动化系统中以手动模式运行的流程与系统的自动化。 如果由于工厂的组件和设备不足必须进行手动操作,那么这些项目需要升级或更换。 例如,某一开关阀可能需要予以修改或更换,以便作为一个控制阀运作,以实现某一特定控制回路的自动化。

在其他情况下,新的自动化系统可以实现旧的自动化系统无法自动控制的各领域的自动化。 更新的自动化系统通常内置有高级过程控制功能,从而实现困难回路的自动控制。 手动流程自动化通过减少所需的操作员参与和随之发生的人为错误,通过避免停工,通过提高产量以及通过增加生产量将产生直接、可观的投资回报。

许多老旧的自动化系统通过分辨率低、屏幕质量不良及屏幕尺寸不足的过时的图形显示器向设备操作员展示数据和图表。 相比之下,更新的自动化系统可以利用过去的几十年里在提高操作员接口的硬件和软件方面所获得的巨大改善,以减少操作员的疲劳、促进对新操作员的培训,以及改善异常情况管理。

自动化系统升级可以用更容易予以支持和维护的系统来替换过时的系统,但它同样也是在操作方面取得重大进展的理想时机。 简单地替换同样的系统是一个巨大的机会损失。 为了充分利用系统升级并最大限度降低风险,必须执行彻底的FEL评估,以检查将会受到升级影响的所有方面,包括人机界面、控制器和输入/输出以外的方面。

Matt Sigmon是MAVERICK Technologies的DCS Next总监。

关键概念

  • 过程控制系统迁移和升级项目通常需要比大多数公司意识到的更多的分析。
  • 早期采用系统化方法来分析项目可以帮助避免问题的发生并确认提高性能的机会。

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