有效自动化应用程序的最佳实践，第2部分:自动化案例研究

自动化应用洞察

• 系统集成商解释了控制系统的修改以及他们在项目期间面临的挑战，以使其在设施及其环境的限制下有效工作。
• 从项目中学到的最大教训是，初始设计和调查是成功的关键，因为它们可以防止许多潜在的头痛问题发生。

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无论考虑或应用自动化技术，通用规则都适用，包括在工艺设计中考虑自动化。无论是新手还是经验丰富的专家，在应用自动化时请注意这一建议。自动化可以做很多事情，但不要超出自动化的能力。自动化不能解决过于复杂的操作。首先获得正确的设计，然后应用正确的自动化。现实世界的例子将有助于填补智能制造的技能差距。为清晰起见，本文经过了编辑。

控制工程内容经理马克·霍斯克主持了网络直播有效自动化应用程序的最佳实践2022年8月16日的课程将以网络直播的形式存档一年，旨在回答以下关于优化自动化应用程序的问题:

• 评估考虑自动化的一个或多个过程。

• 确定在自动化之前是否需要重新设计。

• 考虑自动化可以影响和增强过程设计的关键方式。

• 确定自动化实现的步骤。

• 检查有效自动化应用程序的经验教训和最佳实践。

应用制造技术公司的高级制造工程师Chris Clayton和E Tech集团的首席自动化工程师Kevin Tom通过他们的经验和案例研究示例提供了关于自动化有效性的见解。为清晰起见，本文经过了编辑。

流程设计会对自动化能力产生负面影响

凯文·汤姆:当我想到新工厂建设的时候，有一件事总是会出现在我的脑海里。自动化总是排在最后。只有在一切就绪之后，积分员才会被请来安装和测试控制系统，所以他们通常是团队中最后一个留在现场的成员。当事情不能正常工作时，集成商经常被留下来处理收尾工作，最糟糕的是，有时我们不得不处理流程设计中的主要缺陷。

当系统集成商遇到留给他们的工艺设计和控制系统的实际操作之间的冲突时，他们该怎么做?不幸的是，现实是没有万能的解决方案。有时，这意味着回到绘图板，重新设计流程中受影响的部分，就像Chris提到的那样，而其他时候，则需要系统集成商来弥合差距，并修改现场的控制系统，以绕过原始设计中的盲点。

系统集成商修改控制系统

汤姆:我想讨论一个自动化实施的案例研究，一个系统集成商的任务是修改一个现场控制系统，以绕过原始流程设计中的盲点。下面简要介绍一下这个高级流程。它是一家大型制药公司的试验工厂，所以你可以想象有很多洁净室和很多不锈钢，就像这里描绘的那样。这个过程中令人感兴趣的部分是一套反应堆储罐。每个都有一个专用的温度控制单元或TCU，负责基本的加热和冷却，但当需要极低的温度时，比如低于负30°C的温度，传热流体通过液氮或LN2热交换器循环，使温度降至-78°C。

这里有一个简单的图表来说明这里发生了什么。从左边开始，热传递流体从供给进入，进入TCU泵，进入反应堆罐套。这给你带来了所有的加热和冷却，然后热传递流体通过回流回到分布。这是当我们不考虑LN2冷却时的设置，但一旦操作员设置了一个设定值，比如-30到-40°C，我们看到的是这里所有的LN2流动路径。这和我们刚才看到的图是一样的，但是如果你看下面，我们有进入热交换器的流动路径以及一些额外的阀门。同样的，从左边开始，热传导流体从供给和泵进来，但是现在我们有一条向下的路径，这就是你到达这些阀门的地方。这个TCU LN2供应阀，在回流一侧也会有这个回流阀。一旦启动LN2冷却，这些就会打开

然后我们来到了LN2热交换器，这是所有极端冷却的LN2发生的地方，最后我们回到顶部的反应堆罐夹套，实际上被推入热交换器的流体量是由顶部的控制器控制的。控制阀打开得越多，就有越多的流体直接进入反应堆槽套，控制阀关闭得越多，就有越多的流体被推入LN2热交换器。

这是相同的图但我们只是在底部增加了氮气流动路径。在左下方有LN2供应和LN2供应阀门，一旦LN2冷却被激活阀门就会打开。接下来是LN2控制阀。这个阀门根据我们需要的冷却量进行调节，这是由这里的级联控制回路决定的。温度从LN2热交换器的顶部的氮气端和底部的传热流体端流出。

一旦液氮通过热交换器，它就会以氮气的形式出来，然后进入排气管。这里有什么问题?我们的情况是，该系统只适用于较冷的TCU设定点在-60至70°C，但不适用于较热的TCU设定点在-30至-40°C。但是发生了什么，我们发现了关键的缺陷是我们有TCU控制阀在屏幕的顶部，我们之前看到的，那本质上就像一个旁通阀，所以如果有LN2侧，你有很冷，你不想要一些很冷的东西进入你实际的夹套回路在反应堆侧。

然后，TCU控制阀真的被驱动打开很多，因为温度之间有很大的差异，一旦发生，所有的流量都从TCU泵流出，它直接进入反应堆夹套，它不会沿着那条路进入LN2热交换器。你最终得到的是一个低流量的条件，这最终导致了在交换器中剩下的少量传热流体的冻结，一旦在这样的过程中，物质开始变成固体，那么你就失去了控制系统的能力。在上面这里，你可以看到TCU控制阀，如果它开得更大，让更多的流体直接进入反应堆罐夹套，那么大部分的流动都是这样的，我们只有很少的流动向下进入热交换器。

最终，少量的传热流体被热交换器中所有的液氮淹没，导致大量的冻结。我们认为这一切的根本原因是旁通阀与一个设备配对它对低流量非常敏感，但问题是我们在这个项目的最后。

几乎所有的东西都是委托的，所以客户来找我们，问我们如何用自动化来解决这个问题?如何在不改变实际过程的情况下解决这个问题呢?我们的方法是观察LN2位点和TCU位点之间的温差。因此，在LN2和TCU设定点之间是什么导致TCU控制阀打开这么大?

我们首先观察到的是LN2的设定点在底部被设置为负-78°C对于设计工程师来说。它是固定的，看起来，如果你要在TCU一侧设置一个设定值，比如-30到-40°C，你就会有34°C的巨大差异，所以当然你要在TCU控制阀上非常努力地工作，疯狂地打开它。我们发现我们需要找到一种方法来减少这个差异，我们首先考虑的是让我们在两个设定值之间使用一个固定的偏移量，所以LN2的设定值是可调节的，它随着TCU的设定值而移动。

假设5°C的设定点对给定的TCU有效，因此，如果操作员将TCU设定点设置为-50°C，那么我们在自动化方面要做的是，我们将向LN2侧发送-55°C的设定点。好的，这里有一个图表来解释我所说的。首先，我想澄清一下我们所说的TCU设定点。我的意思是，这里是热传递流体温度的设定值，它即将进入反应炉的外壳。当我说LN2设定点的时候，其实有点用词不当因为我指的不是LN2的温度而是从LN2热交换器中流出的传热流体的温度。

一旦我们实施了设定值偏移，保持LN2的设定值更接近TCU的设定值，所以偏移量就小得多，我们发现TCU控制阀不需要那么努力工作，不需要打开那么多。大多数时候它是关闭的它允许几乎所有的气流直接流向LN2热交换器我们避免了低流量和冻结的整个情况。

一切都很好，除了当我们回到-60到-70°C这样更冷的设定值进行测试时。我们发现我们不能再达到设定点了。我们观察到较冷的TCU设定点需要更低的LN2设定点。

也许在-34°C, 5°C的偏移效果很好，但一旦我们达到-60到-70°C，我们就需要8或9°C的偏移，所以LN2要冷得多。我们发现固定的设定点偏移量太有限了，不能解释其他因素。

一方面，你们有温暖的TCU设定点的情况，我们说过，如果TCU和LN2边之间的偏移太大，那么我们所有的流动都朝着直接进入反应堆罐夹套的方向，没有足够的流动进入热交换器，我们得到所有这些冻结。但是另一方面，如果偏移量不够大，那么我们在LN2这边的温度就不够冷，不足以让我们到达设定值，当我们进入反应炉的外壳。

固定偏移量模型所缺少的是它不会随着TCU设定值的变化而变化，所以我们开始想知道的是，设定值偏移量会随着TCU设定值不断变化吗?换句话说，设定值偏移量是否随TCU设定值线性变化?当我们应用线性模型时，我们发现我们能够达到并保持对温暖和寒冷TCU设定点的控制，但对于TCU设定点之间的TCU设定点，我们最终会出现低流量条件，再次冻结。基于此和我们所看到的数据，似乎可能是设定点偏移量的变化率随着TCU设定点不断变化，或者换句话说，可能设定点偏移量随着TCU设定点呈二次曲线变化。当我们应用二次模型时，我们发现我们是成功的，我们能够在整个设定点范围内控制温度。

我们所做的是TCU控制在顶部，我们要确保它更封闭，它不会开得太多，所以为了做到这一点你必须确保TCU和LN2之间的偏移量不会太大。

这使得所有的水流都进入了热交换器。同时，你必须确保你的设定值偏移量足够大这样LN2侧的温度就足够低从而达到TCU侧的设定值。

这里有一个小的概念图，说明了我们用来建模这种关系的设定点偏移跟踪的不同方法。

突出显示的区域表示温度控制实际上是可能的适居带。在突出显示的区域上方，这是LN2设定点太冷的地方，偏移量太大了，所以我们看到所有的低流量条件和冻结发生。在适居区以下的区域，我们看到的是我们实际上无法到达TCU的设定值。我们没有得到足够的冷却。胶印太小了。如果我们看一下这里的固定偏移方法，蓝色的，它似乎在较暖的TCU设定点范围内表现得很好，但我们注意到在较冷的TCU设定点，冷却不足，无法达到设定点。当你看红色的时候，线性偏移法，在TCU温度设定点上都很有效，但是在中间范围内，传热流体最终会结冰。

我们无法达到一个稳定的状态，最终你看到的黑色的二次偏移量法，是表现最好的方法。它允许TCU控制整个LN2设定点范围内的所有设定点温度。在项目结束时，我觉得我们可以在控制系统中增加很多灵活性和功能，以弥补设计漏洞，但代价是什么?

我们进行了大量的测试，数周又数周的测试来分析所有这些数据并找出哪种模型最有效，并且在进度上有很多延误。我们是整个项目的主要焦点因为我们拖住了所有事情，所以事情被推了很多，我们花了很多资源，包括工程和管理资源，还有很多LN2。我们从中得到的主要启示是什么?我认为我们真正学到的是，彻底的初始设计和调查是关键。

这有助于避免那些计划中的延误，以及在最后解决一切问题时的疯狂匆忙。这节省了大量的金钱、时间和麻烦。我们还了解到，在设计阶段的早期邀请集成商或自动化团队参与对话是很重要的。从本质上来说，这证明了最初的设计和调查阶段是无效的。

集成商已经看到了很多，可能也从其他工厂看到了类似的过程。我们学到的最后一件事是自动化可以做很多事情，但它不能解决所有问题。在这种情况下，我想说它最终很好地解决了问题。自动化并不总是能够解决设计中的缺点。有时它更像是一种包扎，而不是真正的修复，但越早引入自动化，自动化就越有效，最终用户就越有可能拥有他们满意的系统。

编辑克里斯Vavra，网络内容经理，CFE媒体和技术，cvavra@cfemedia.com．

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