作者 | Kevin Finnan
儀表和控制系統的升級往往很複雜，許多製造企業因此將其推遲了數年。遷移和升級除了避免計劃外停機外，還可以提供運營優勢。
如果規劃得當，對儀表和控制系統實施現代化改造（即使涉及到大規模的系統遷移），可以在預算範圍內按時從一個階段進行到另一個階段，從而幫助企業顯著改善運營。新工具使遷移更容易，成本更低。智能的、可軟體配置的I/O與標準的智能接線盒相結合，可以將文檔開發減少80%，布線設計減少90%。
01
儀表和控制系統現代化的三種典型方案
與棕地或綠地項目相比，工廠現代化項目的挑戰在於必須嚴格控制施工順序。在大多數情況下，「升級儀表」項目必須在有限的停機窗口內工作。儀表升級可以指更換現場儀表，也可以指更換整個儀表和控制系統。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。
三種典型的現代化方案包括：逐步升級、從其他品牌的系統遷移和現場儀器更換。
1.逐步升級實現工廠現代化
與完整的系統升級不同，逐步升級是指基於部件的升級。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，該控制器監控特定區域而不停止其它控制器。逐步升級的最大好處是將生產時間損失降至最低，並降低生產完全停止的風險。升級計劃可以根據最終用戶的生產和維護計劃以及預算來決定。
實現上述目標的關鍵技術，是現有控制系統的老舊軟/硬體與新軟/硬體協同工作並共存的能力。例如，在分布式控制系統（DCS）中，升級後的工作站能夠以新控制器的方式訪問現有傳統控制器。此外，即使現場控制器和其它HMI站使用較舊版本的軟體運行，也能保持在線設計和監控的能力。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伺服器的系統上使用逐步升級方法時，應考慮虛擬化這些計算機資產。通過伺服器託管，虛擬化技術可以減少物理工作站和伺服器的數量。虛擬化帶來的好處包括減少硬體占用、降低能源成本、簡化系統管理、降低總擁有成本、提高系統可用性以及從故障中快速恢復的能力。
如今，大多數DCS硬體和相關部件（如歷史資料庫、資產管理系統和OPC伺服器）都可以升級到虛擬環境中。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餘、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勢。
2.從其它品牌的控制系統遷移
大多數DCS供應商和許多系統集成商都已經為從競爭對手的系統制定了全面的系統遷移策略。「增值遷移過程」是一個多階段的方法。除了系統遷移過程之外，它還包括可行性研究和現場調查以及差距分析，確定瓶頸，提出切實可行的對策，並通過使用替代系統和解決方案，來評估由此帶來的利潤改善和投資回報（ROI）。系統遷移專家參與此過程的所有階段。
例如，使用連接到現有傳統系統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的控制器和過程接口單元。
系統供應商和集成商還開發了各種資料庫轉換工具，可以將軟體工程信息從第三方系統轉換為替換系統中的工程資料庫。根據項目經驗，使用轉換工具可以節省20%以上的工程成本。
3.現場儀表更換
執行器、流量計和變送器等現場儀表，占儀表和工業控制投資成本的很大一部分。現在的數字智能過程自動化系統及其連接的現場儀表，可以完成的任務遠遠超過傳統的系統。工廠運行人員可以利用人工智慧、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，包括早期的工廠現代化規劃和設計，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，並部署最新技術。
02
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技能的團隊。使用知識豐富的團隊來定義項目範圍，可以及時交付項目，並減少跳閘或停機的風險。為一個自動化合作夥伴，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：更新的硬體和軟體技術可以簡化成功實施現代化的步驟。
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供應商共同開發的。例如，敏捷項目執行使用並行程序路徑來代替傳統的瀑布式方法。在瀑布式方法中，項目在一個串行路徑上執行。
03
開發儀表和控制系統架構
與初步現場調查一樣，在進行項目之前，必須制定初步的系統架構。這一架構不是一成不變的，需要在FEED研究期間不斷對範圍進行更新。
有時，可能很難找到準確的迴路圖和示意圖，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，以確保新控制系統提供與被替換系統相同的功能。
通過協作，最終用戶和系統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（SIS）中實施這些方案。對於後者，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 ：成功執行現代化項目的指南，包括上述步驟。
應在現場調查和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。安全系統的隔離是IEC 61511的一項要求，其中安全系統應僅用於安全關鍵資產。在前期的現場調查活動中，這將是識別安全和工藝隔離，以及執行安全功能的現有系統是否過時的關鍵組成部分。
04
定義儀表升級項目的範圍
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願景。識別整個資產升級的驅動因素和優先級，將有助於規劃和確定儀表升級項目的範圍。
工廠儀表升級項目往往因其範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，並儘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電廠停機延遲等問題。
05
系統I/O技術的進展
自數字控制系統出現以來，過程輸入/輸出（I/O）設計經歷了幾次重大的技術進步。現在，過程和安全I/O可以是智能且軟體可配置的。光纖電纜和無線通信等技術可以取代傳統的多芯儀表電纜。
傳統上，控制系統使用專用硬體模塊，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，模塊是軟體可配置的，可按點提供I/O。
通過將工程與現場布線和硬體安裝分離開，這種硬體設計可以簡化項目執行。硬體設計與上述敏捷項目執行方法相結合，可以帶來明顯的成本節約，降低項目進度風險。
在邊緣使用軟體可配置I/O，可以完全消除編組並將布線減少80%。
▲圖3：了解各種自動化組件的典型生命周期，有助於規劃未來的升級。
許多公司現在提供標準化的「智能接線盒」，其中包括不同數量的、可通過軟體配置的I/O。通過部署這樣的標準組件，項目團隊可以消除定製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行方法相結合，可以在項目執行期間的任何時點，完成機櫃交付、撬裝集成和接線端接。即使是最後時刻的範圍變更，也不會導致項目延遲。考慮到敏捷項目執行所實現的項目解耦，現在甚至可能需要工廠驗收測試（FAT）。
06
重新使用現有接線、端子和編組櫃
一種經濟的策略是儘可能多地重複使用現有的接線、端子和編組櫃。I/O面板和接線是儀表和控制系統中壽命最長的組件之一。儘管如此，項目團隊仍需要對配電盤和接線進行詳細評估，在腐蝕性環境中更是如此，因為腐蝕性環境將大大縮短其使用壽命。
許多系統供應商和集成商設計了I/O適配器模塊，以將現有布線連接到新系統。應將此類定製硬體的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行方法也可以結合使用，以實現現場儀表驗證、綁定、配置、測試和文檔編制過程的自動化。與傳統方法相比，新方法讓項目團隊將調試時間減少95%以上，此外，還可以減少80%的圖紙和90%的布線設計工作。
07
用於儀表升級的工程項目協作工具
許多系統供應商為複雜的集成項目提供了工具，使項目團隊能夠在全球範圍內進行協作。
軟體環境可以促進儀表升級或DCS遷移項目中的項目執行、系統集成和現場執行。先進的軟體工具可以為所有控制系統項目的各個階段，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。
這些工具創建了一個完整的工程環境，具有一個新的資料庫結構，可以提供標準化和一致的信息，保持數據完整性，消除設計信息和實際系統之間的不一致和管理變更，並支持系統的生命周期。此外，新工具有助於復用有價值的工程技術，並消除後續項目的重複工作。
如今，儀表和控制系統升級項目團隊在硬體、軟體和項目管理方法方面擁有眾多新技術。智能、可軟體配置的I/O，與標準、智能接線盒相結合，可將文檔開發減少80%，布線設計減少90%。當MAC和敏捷項目執行方法與全球工程軟體工具一起使用時，有助於保持項目完整性，實現變更管理，並降低成本和進度方面的風險。
輔以豐富的經驗和技能，這些技術的實施將能在預算範圍內、按計劃執行項目，並在近期和整個系統生命周期內帶來顯著的運營改善和出色的投資回報。
關鍵概念：
■ 遷移和升級除了可以避免計劃外停機之外，還可以為運營方面帶來諸多好處。
■ 學習如何從其它品牌的控制系統遷移。
■ 檢查更換執行器、流量計、變送器和其它設備的現場儀表所需的步驟。
思考一下：
如果持續延遲儀表和控制系統的遷移和升級，會給您帶來哪些損失？