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  • 从过程控制向过程自动化发展

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基本的控制功能可使过程保持稳定,但我们需要更多功能来优化性能并实现特定的公司目标

这些年来汽车发动方式的演变简单类似于过程自动化技术的发展过程(或缺少其中的一些过程)。 大半个世纪以来,车主随身携带车钥匙。 最初,发动车辆需要两步:第一步,用钥匙打开开关;第二步,驾驶员踩下启动器。 后来,使用钥匙做一个动作便可发动车辆。 再后来,汽车添加了中央门锁功能,仍然是使用一把机械钥匙便可发动。

随着技术进步,使用钥匙执行的功能变得更加复杂,直到钥匙本身基本上被淘汰。 锁车门和启停引擎等基本控制功能变得更加成熟。 现在,汽车能够感应到车主(或者至少是车主的钥匙链)的接近,在车主抓住门把时开启车门。 一旦进入车内,系统将提供安全的按钮操作方法来发动车辆,甚至可能调节后视镜、座椅位置和娱乐设置以满足特定驾驶员的预设期望。 可以说开启、发动和调节车辆的基本功能已得到进步并跃入先进的自动化领域。

过程工业研发了与控制系统类似的生产线。 为了准确回答何为过程控制的问题,我们必须回过头看看最早对控制机制的介绍,其中,第一代电-气-机械闭回路控制器取代了人工操作,例如手动调节阀门,以响应压力计等的一些现场指示器。

尽管设备用于使人为作用自动化,以试图控制变量,但过程的总体作用没有意义。 只要没有过多干扰,基本控制器或多或少能使单个回路保持稳定状态。 复杂的过程可能采用几十或几百个基本控制器,每个控制器的性能都显示在仪表盘上,但通观全局仍然是一个人为过程。

转向电子控制

20世纪70年代引入分布式控制系统(DCS)平台时,其简化了仪表盘的结构,但没有太多地改进仪表盘的功能。 全局分析在很大程度上仍然是由人完成的职责。 诚然,超越气动现场设备的麻烦的压缩空气管的技术限制让安装更多仪表和执行器的工作变得更加轻松,但是基本控制的概念没有发生真正的变化。 向先进过程控制(APC)及其他形式的控制优化的任何转变仍处于萌芽阶段。 能够支持APC的过程自动化必须包含多种技术和工艺。 其特征是将更多输入数据点融入算法并精心安排更复杂的序列。

旧系统对于那些愿意探索它们的人而言确实拥有可用的强大功能。 一些熟练的用户甚至使用气动时代的APC基本概念进行操作,但是要获得成功则需具备高度的内部工程设计能力。 商业上有极少(如有)可用的工具能够支持这些努力。 早期的DCS平台也是如此。 少数公司曾过度利用处理器的原始计算能力运行DCS,但是在这样的环境下打造驱动APC所需的编程类型并非易事。

努力实现优化

如果能够打造不仅可协调单一回路或者小型级联组的包罗万象的平台,就能向过程自动化和APC过渡。 新平台的主要优势之一是能够优化过程,以适应用户基于许多预期结果而制定的特定经济目标。 过程自动化系统能够在运行工厂时最小化能耗、最大化输出并带来特定的产品质量属性。 高效使用这些系统的公司极其信赖它们的功能。

使用这些系统具有挑战性,邀请自动化解决方案供应商与公司内部的工程部门携手合作能够使这项任务变得简单许多。 在控制系统升级和新装置的初始设计阶段,仅仅专注于基本过程而从不作预期稳态条件以外的考虑再简单不过。 因此,在自动化系统升级和新装置设计过程中可能错过与能够发现更好的操作方式的过程及自动化技术专家共事的机会。

引入新理念

自动化解决方案供应商能够引入新的视野与理念,推动项目超越计师最初的构想。 特定工厂内的个人也许熟知工厂过程,但这样的团队不一定有时间去超越现有能力。 在某些情况下,这些个人可能也缺乏对自动化系统更全面的了解,尤其当应用于其他工厂的过程时。

引进外部人才的主要优势之一是利用参与过多种环境下的许多项目的大型工程师团队的集体知识。 每种新经验都将丰富知识库,还可作为规划过程的一部分被传递下去。 即使是如同“为何以这种方式执行该控制操作”一样简单的问题也能够激起讨论,促使公司考虑执行常规功能的更好的新方法。

在大多数加工厂中,现代过程自动化系统的许多功能仍未得到充分利用,即使在多数人眼中的成熟公司内也是如此(图1)。 尽管APC基本技术已经存在了数十年之久,但极少公司完全有效地使用了APC。

更少的公司研发了使用程序自动化处理启动、等级变化、关机和其他干扰的系统——尽管由于包含高度的人为干预和很少发生问题,这些情况是造成过程混乱及安全事件的主要原因。 涵盖程序自动化的ISA-106标准或许比较新,但该标准中包含的概念已经存在了很多年。

作为纯粹的实际问题,有经验的操作人员的个人能力和技能对于卓越地运营工厂而言不可或缺,但太多工厂过分依赖于未成文的部落知识。 评估分析过程安全事件的报告将发现许多未经充分培训的操作人员在启动或其他转换过程中必须手动控制过程,且最终做出错误决策的情况。 在这些情况下公司会损失大笔资金。

合理开发的过程自动化系统始终密切留意故障,并准备好在预测或检测到问题时作出响应并警告操作人员。 更多先进的控制序列随时准备通过程序自动化来执行,即使一年仅使用一次。 综合的过程自动化系统不仅能自动处理工厂运营,而且能通过在正确的时间向相关人员提供合理数量的信息来补充操作人员的知识和活动。

掌握操作人员的知识

通过程序自动化实现操作自动化是在工厂中最杰出的人员退休或离开前掌握其拥有的知识及对工厂的了解的出色方法。 虽然仍需操作人员培训,但程序自动化可降低对人的记忆以及个人在危急关头做出正确决策的能力的依赖。 若经过适当地编程,控制系统,即使是相对老旧的控制系统也能执行这些功能,但可能需要外部协助来整合这些功能。

随着我们应对受员工人口统计数据驱动的“重大转变”,通过程序自动化使整个范围的过程控制功能实现自动化的能力将变得更加重要。 有经验的长期操作人员通常拥有关于工厂运营的丰富的未成文知识,有待学习和实现自动化。 有了技术,现在是接受挑战并解决挑战的问题——自动化解决方案供应商可提供帮助。

更多更智能的设备

另一个必须要求更高水准过程自动化的领域与加工厂中不断增加的有线和无线智能设备及系统相关(图3)。 由于拥有每台设备都可传递的信息,提供广泛的报告和诊断功能的现代现场设备得到数量级增长。 这些设备可通过各种协议轻松联网,从而提供庞大的管道用于传送大量数据。

由于现在有关于发射机健康状况或阀门状态的信息,所以每台设备不再提供对应于过程变量的单一的4-20 mA信号(表1)。 实际上,如果未得到正确处理,信息量太大反而过犹不及。

但是,合理配置的过程自动化系统能够收获看似超量的数据,然后将其消化并变得实用。 从过程角度来看,扩展的过程数据可被归结为既定的关键绩效指标,反过来提供反馈以优化运营。

谨慎地把该数据整合到控制室或移动仪表盘中可使运营人员将系统状态一览无遗。

现代过程自动化组件也拥有超越直接控制或使过程自动化所需的功能,因为它们现在时常向维护管理系统、历史数据库和移动设备等提供宝贵的数据。

超过各部件功能的总和

结合所有这些部件建立技术和工作过程的共生关系是一项艰巨的任务。 在特定情况下从几十或几百个可能性中选择最佳方案似乎令人难以应对,也可能导致一些公司因害怕对错误技术做过多投资或者低效地应用正确技术而止步不前。 自动化解决方案供应商可帮助用户整理看似无尽的选项并做出合理选择。

一旦做出选择,所有单个组件必须共同联网,以支持经过优化的交互作用。 在这一点上,自动化解决方案供应商的参与十分关键,因为要选择并使用控制系统和组件把不同的部件连接到一个无缝整体中。 这些活动依赖于工程师和技术人员所积累的专业知识,他们与各类主要平台、无数子系统及许多工厂过程有过合作。

经过周全考虑和谨慎规划之后,在有能力的自动化解决方案供应商的帮助下实施了重大项目的公司往往能获得诸多效益,例如实现更佳的绩效,降低成本,提高安全性等等(表2)。 借助无需持续的人为干预便能够控制工厂过程的自动化系统可打造更加安全的环境,同时允许公司即使面对不断变化、充满挑战的形势也能蓬勃发展。 *

快速回顾

  • 即使是最现代化的加工厂往往也未充分利用自动化系统的功能。
  • 可利用新的控制系统和智能仪表自动优化工厂过程和总体运营。
  • 从基本的过程控制转向全面的过程自动化时,许多工厂能够从外部协助中获益。

被传输到控制系统的智能阀相关信息

  • 精确位置
  • 在特定位置花费的时间
  • 开启力和闭合力
  • 静摩擦力和粘合力
  • 过程噪声
  • 执行设备数量

从基本控制转向先进的自动化所带来的效益

  • 有助于过程优化
  • 适用于正常的稳态运行
  • 可应用于开关机等破坏性操作
  • 快速响应异常情况,加强员工安全
  • 高效辅以人为干预
  • 从退休员工处习得知识
  • 与先进的智能设备相关信息充分集成
  • 自然地适合维护管理系统、历史数据库和移动报告,便于识别问题

作者:Paul Darnbrough, P.E., CAP

关于作者

Paul Darnbrough, P.E., CAP是MAVERICK Technologies的首席工程师。 他在自动化工业和过程控制系统的工程设计、文档编制和建造方面拥有20余年丰富经验。 小到个体业主运营的企业,大到财富500强公司和政府机构,Darnbrough与不同规模的客户在包括塑料、食品、化学品、物料搬运、离散制造、水处理和药物在内的诸多过程上有过合作。

敬请访问www.isa.org/intech/20150202,阅读在线版本。

版权所有 国际自动化协会 2015年1月/2月

本文由InTech出版社的Paul Darnbrough所著,并通过了NewsCred出版商网络的合法授权。