容错现场总线布线的经济学

具有讽刺意味的是:在安全且管理良好的控制室环境中的网线几乎总是多余的，而暴露在现代工业工厂恶劣且有时具有腐蚀性的环境中的现场电缆则必须自生自灭。当然，如果这些现场电缆携带简单的点对点通信，如4-20 mA，那么冗余在一般情况下并不是一个真正的问题，特定的设备可以根据需要进行复制。然而，现在最低的现场总线物理层承载了多达32个设备的数据，电缆的脆弱性可能构成可靠性问题，特别是当这些设备与安全相关或对流程至关重要时。传统的基金会现场总线(FF)段设计不适合任何版本的故障

双工布线是典型的“传统”方法，但几乎不能提供容错布线的保护。用于MTBF计算的工业环境中电缆故障数据来自《可靠性、可维护性和风险》第7版，David J. Smith博士

容忍，除非通过完全和批量复制。在现场总线上下文中，这种重复带来了特殊的软件需求，以实现二选一和三选二的投票方案，以及安全维护、设备更换等所需的特殊措施。

2007年末，MooreHawke现场总线发布了一种新的容错段设计，该设计允许比传统设计更高的段MTBF(平均故障间隔时间)，无需在DCS中安装任何特殊软件，只需要额外增加一条中继电缆的费用。与一家大型DCS供应商和一家大型油气终端用户合作，该软件包被安装在中国南海的一组平台上，以减轻与失控相关的巨大财务风险。问题是，这种可用性的增加真的会对一般现场总线安装的经济性产生重大影响吗?

答案不是简单的“是”或“否”，因为容错系统允许用户进行排列，以满足高工厂可用性对系统硬件预算限制的要求。这些可用的排列(单工、双工、容错)在以前的现场总线物理层产品中根本不可能实现。

一个假设的例子

让我们以一个拥有120个分段或大约1440个现场总线仪器(如流量变送器、阀门控制器等)的假设工厂为基础进行分析。我们应该根据有多少段与工厂的控制有关，有多少段是简单的监测，将这些部分分为几组。假设有80个片段仅用于监控，40个片段具有控制功能。在40个控制段中，我们假设有12个段具有工艺关键的循环-这些段中的任何故障都将导致工厂立即关闭或报废产品。

总段	120
监控只	80
控制相关	28
关键控制	12

我们假设现场总线设备的价格如下。(MooreHawke目前的报价，但这些可与其他供应商的类似系统相媲美。)

390美元	功率调节器
240美元	载波，4段，单形
320美元	载波，4段，双工
280美元	载波，4段，容错
450美元	诊断模块，标准
350美元	TrunkGuard连接器，12冲
700美元	TrunkSafe耦合器，12冲
500美元	主干电缆

我们现在可以开始比较传统设计和新方法之间的成本。

30倍	320美元	载波，4段，双工(每4段1个)
240 x	390美元	电源调节器(每段2台)
30倍	450美元	诊断模块，标准(每4段1个)
120 x	350美元	TrunkGuard连接器，12轴(每节1个)
120 x	500美元	中继电缆(每段1根)
总(常规)		218700美元

这种120段的方法使用240个电源调节器(见图表)，每个段使用两个。虽然这对某些部门来说是合理的，但对于那些只执行非关键监测功能的部门来说，这可能被认为是过度的，特别是考虑到每个单元的成本。同时，对于关键控制循环，它不能提供与容错方法相同级别的可用性。新的想法是，只在真正需要的地方使用双功率调节器。

新的优化方法

这种新方法优化了硬件应用程序，在最需要的地方使用复制和容错功能，这可以根据进程需求降低硬件的总体成本。

20 x	240美元	载波，4段，单形(每4段1个)
80 x	390美元	电源调节器(每段1台)
20 x	450美元	诊断模块，标准(每4段1个)
80 x	350美元	TrunkGuard连接器，12轴(每节1个)
80 x	500美元	中继电缆(每段1根)
28个常规(双工)段:
7 x	320美元	载波，4段，双工(每4段1个)
56 x	390美元	电源调节器(每段2台)
7 x	450美元	诊断模块，标准(每4段1个)
28 x	350美元	TrunkGuard连接器，12轴(每节1个)
28 x	500美元	中继电缆(每段1根)
12个容错段:
6 x	280美元	载波，4段，容错(每4段2个)
24 x	390美元	电源调节器(每段2台)
6 x	450美元	诊断模块，标准(每4段2个)
12 x	700美元	TrunkSafe耦合器，12轴(每节1个)
24 x	500美元	中继电缆(每段2根)
总计(新方法)		198170美元

120段的常规方法需要240个功率调节器。这种新方法可以节省80个仅监测(单形)段，因为这些段只有一个电源调节器。(当然，传统的系统也可以安装单个电源调节器，但由于它们有双载波，通常会安装两个电源调节器。)

对于非关键监控段，单工布线就足够了。它消除了第二个电源调节器，但并没有大幅减少MTBF。

双工段有双电源调节器，容错段也有两个电源调节器，但它们物理上分离到不同的载波上，并通过两根电缆连接到现场。新方法总共有160个电源调节器，而不是240个。

最终结果是，这种新方法在一定程度上降低了成本，即使允许在容错段布局中使用额外的中继电缆。节省的资金可能还会更多。许多最终用户规范限制了过程关键段(通常定义为“1级临界”)在该段中只有一个阀门和一个变送器。只安装两个设备的现场总线段似乎很荒谬，但在传统的单中继配置中，这被认为是必要的，可以最大限度地减少工厂意外停机的风险

添加容错线路的成本更高，但可用性的增加是巨大的。当用于流程关键段时，成本理由是明确的。

失效分析

由于我们比较的是常规的现场总线物理层和容错物理层，因此在分析中，我们可以有效地忽略工厂停机的所有其他来源(阻塞的线路、一次停电、泵密封失效等)。我们只关心现场总线电源调节器或线段电缆故障所产生的成本。

让我们假设在这种规模的工厂中进行一次虚假的旅行要花费25万美元。一个标准现场总线系统的假行程率估计为每5年一次，而由容错现场总线系统的故障导致的假行程率估计为每25年一次(我们可以证明容错设计在分段MTBF上产生了10倍的改进，因此假设只有5倍的改进是保守的)。

常规工厂每年的假往返成本为$250,000 / 5年= $50,000 /年。一座容错装置的年成本为25万美元/ 25年= 1万美元/年。因此，潜在收益为每年40,000美元。

另一项分析是关于任何工厂投资周期的成本效益，现代技术已经将投资周期缩短到10年左右。在这种情况下，容错系统代表资本支出节省($218,700 - 198,170 = $20,530)，即以5%的利率在10年内产生$33,441。

资本支出回报:	$33,441(资本开支节省)
OPEX返回:	40万元(节省虚假旅行费用)
总:	433,441美元(超过10年的额外“免费”收入)

当然，这是一个非常简单的论证。我不是会计，所以所有的假设都应该由你们的财务和运营经理重新解释。例如，没有系统设计时间、维护、维修、备件等方面的突破。但是，这里讨论的容错系统不需要比标准系统特别注意，也不需要任何额外的设计和服务成本。不需要特殊的软件，整个过程使用相同的电源调节器。

唯一的区别是，每年应该对容错段进行一次测试，通常是拔掉其中一个电源调节器或其电缆，以证明即使出现一次故障，该段和相关流程也能继续运行。该测试有助于证明容错部分按需出现故障的概率较低。

很明显，这种分段设计的新方法并不一定会比传统设计增加成本。相反，当这个概念被正确应用时，它的成本实际上更低。由此产生的实际工厂可用性的改善为工厂运营商创造了更大的利益，并且产生的正现金流是戏剧性的和无可争议的。未来的现场总线用户现在有进一步的证据表明，基金会现场总线技术可以为他们的工厂和管理提供优势，并且在整个工业网络和过程控制领域的吸收率可能会进一步提高。

作者信息

迈克·奥尼尔是摩尔工业公司摩尔霍克分部的主管。联络他的地址是moneill@miinet.com．

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