工厂仪表和控制:问题和驱动因素

当今商业世界的需求是动态的。我们沟通、告知、收集数据、分析和报告的方式已经经历了许多变化。现在，这一步伐正在加快。运营商们在问，是时候更新技术了，还是要面对落后的后果。

工业工厂经营者应避免落后。运行一个仪表和控制设备(I&C)老化的工厂对工厂管理提出了重大挑战。操作人员面临着各种与年龄相关的问题，如传感器校准错误、脉冲线路堵塞、虚假停机、阀门卡住和执行器失效。其结果是系统的可靠性不确定，工厂的安全受到威胁。

此外，随着公司进行数字化转型，老化的仪表和控制系统可能会出现问题。旧的平台不仅不能提供数字化转型企业所期望的增加的数据，而且它们甚至无法在新的业务环境中进行通信。此外，由于目前没有任何系统是安全的，它可能会带来网络安全风险。

如图1所示，我想到了几个问题。例如，继续运行和维护老化的系统是否值得?新系统的好处和附加值是什么?更严重的是，现有系统是否可以安全继续运行。

I&C现代化的可能性

I&C现代化项目通常被认为是基础设施项目。一种趋势是简单地确定分布式控制系统(DCS)的范围，而忽略了连接设备的其他风险或问题，这些风险或问题也可能过时。许多经理认为现代化项目纯粹是一种防御措施。主要目标是克服旧系统或仪器的缺陷，但在其他方面保持装置或装置的原样。

如果唯一期望的结果是恢复现状，这种“以牙还牙”的方法可能会成功。许多项目都是按照这些思路设计的。这种方法的问题是失去了一个重大的机会。它可能会再次阻碍数字化转型，并带来网络安全风险。它还可能使未来升级技术或过渡到开放架构变得困难。

这样的项目是一项重大事业，只有认真规划才能取得成功。最后，一个不成功的项目的风险是严重的。成本可能会失控，生产可能会中断。配置不良的系统或仪器可能在控制过程中出现问题。另一方面，如果计划得当，一个现代化项目，甚至是一个大规模的系统迁移，可以在预算内及时地从一个阶段转移到另一个阶段，从而产生显著的操作改进。

三大现代化动力

值得注意的是，许多在20世纪70年代和80年代设计和安装的DCS平台都提供了出色的寿命。不幸的是，这些系统正在老化。在许多情况下，许多设备需要升级，或者可能需要完全迁移到新的DCS系统，并使工厂现代化。

是什么推动工厂现代化?这三个挑战是工厂现代化项目的最大原因:

1. 过时
2. 法规遵从性;健康、安全和环境(HSE)问题
3. 数字化转型/向卓越运营转型

1.过时

使用老化的仪表和控制设备运行工厂会给操作员和生产过程带来几个潜在的问题。除了前面提到的与年龄相关的问题，大多数控制系统的文档，包括过程和仪器图(p&id)、控制叙述、策略和控制系统使用可能不是最新的。还有可能是该公司缺乏完整的备件库存，有些零件已经没有了。旧的控制系统平台和仪表增加了故障和生产中断的风险。它们还缺乏许多改进工厂性能的新系统的能力。

过时困境

根据ARC咨询集团的说法，自动化系统的故障率数据并不精确，支持信息提供了广泛的实际故障率经验。在许多工厂中，用户确实跟踪故障，但故障分析不足以帮助准确预测寿命结束。观察NASA提出的理论“浴盆曲线”图(见图4)，问题是分析是否有效。对于许多自动化系统，沿着x轴的时间最终在15到50年之间。在确定资产寿命结束时缺乏精确性，使得围绕这一重要领域的决策变得困难。

2.法规遵从性;健康、安全和环境(HSE)问题

在今天的工业制造操作中，越来越强调健康、安全和环境。不幸的是，即使在安装了最初认为足够的安全系统和其他预防措施之后，许多设施仍继续发生事故。

在过去25年多的时间里，过程工业见证了过程安全标准的不断发展。这些行业标准的主要目的是提供指导和最佳实践，以管理与化学品、碳氢化合物和其他危险材料的制造和处理相关的固有风险。2018年，北美和国际版本融合在一起，创建了ANSI/ISA-61511-2018 / IEC 61511:2016，功能安全-过程工业部门的安全仪表系统。该标准现在是全球范围内设计、实施、操作和维护安全仪表系统工作流程背后的主要驱动力。

3.数字化转型/向卓越运营转型

根据ARC咨询集团的说法，对于许多工厂所有者来说，仅仅是产品过时并不能证明执行大型资本升级项目的合理性。相反，增强功能和系统性能以提高运营卓越性是影响资金决策的主要标准。

作为驱动因素的八个问题、风险和机遇

增强功能是工厂的概念，是指工厂有能力实施最新的技术和创新，以应对与技术相关的某个行业的广泛挑战。为了应对未来的这些挑战，新技术或创新可能是必要的。如果已安装的仪器和系统不能支持新技术，则可能需要升级甚至完全更换。在这种情况下，这些“未来平台”可以触发工厂现代化。

1.网络安全

控制系统的不断发展使组织能够在很长一段时间内保护设备和控制策略的投资。然而，将几十年前的控制器与当前的技术相结合，也会使这种设备间接地容易受到攻击。所有这些系统都有一个共同点:它们在支持方面都存在差距。这使得它们比当代系统更加脆弱。

现代系统支持新的网络安全方法，由于与工业资产保险、HSE和灾难恢复策略相吻合，这些方法通常超出预算周期。网络安全战略已经从一个需要解决的问题转变为需要管理的风险。当企业以这种方式看待网络安全时，它就消除了神秘感，成为管理层可以采取行动的问题。

新的I&C系统适应不断变化的网络安全形势，其中威胁不断变化。管理层不再被技术问题分散注意力，可以专注于风险。

2.不断发展的劳动力

寻找有经验的人员已经是流程工业面临的主要挑战。一家大型炼油公司的高管表示，当100名操作人员退休时，他的公司失去了2500年的经验。

研究表明，计划外停机的最大原因是操作或人为错误，占流程工业计划外停机的42%。然而，有一些方法可以帮助作业者在压力增加时(如启动、过渡或异常情况发生时)做出最佳决策。随着对人身安全、绩效管理、持续改进和培训的日益重视，企业正在对员工进行投资，并渴望应用新兴技术。

3.控制室设计

一个设计合理的控制室会让人感到放松和安全。因此，操作员和管理人员可以完全专注于工厂的运营和稳定。数据完整性和数据可用性的改进加快了单位之间的通信，以优化整体操作。

4.模块化过程自动化

ISA TR106，模块化过程自动化(MPA)的部署有更多的好处。MPA将标准操作程序数字化，这对实现安全和效率至关重要。MPA有助于确保有经验的操作人员在流程流程中保持专业知识，并为新操作人员提供更多了解流程的机会。完成的kpi可以包括显著减少操作人员操作的数量、每个操作人员处理的警报数量，以及在流程转换期间实现稳定的时间。

此外，数字化程序可以用数字孪生程序加以补充。数字双胞胎实时模拟人类操作员，并在许多情况下整合了对流程、标准操作程序和人类行为的深入了解。高级决策支持允许测试“如果?和“什么是最好的?”场景，以确定可用的策略，不仅可以提高操作员的性能，还可以提高质量、安全性、流程正常运行时间和流程性能。

过程控制系统使用大量手动操作程序的公司也可以使用数字双胞胎作为从半自动化操作到完全自主操作的跳板。由于MPA解决方案可以与现有系统结合使用，因此它为现代化项目提供了灵活性。

5.人机界面(HMIs)

安全高效的操作依赖于操作人员在情况达到不安全或不可取的生产条件之前快速识别潜在工艺偏差的能力。

现代hmi符合异常情况管理(ASM)联盟的建议，包括一个标准化的符号库，它阐明了过程操作。现代hmi支持当今移动设备用户期望的功能，如增强现实和虚拟现实(AR/VR)功能，这些功能增强了操作员的体验。

今天的系统还完全支持自主远程操作。尽管这些功能在COVID-19暴发之前就已经可用，但大流行加快了终端用户的接受速度。在现代制造业中，操作员和技术人员不需要在现场工作。

6.操作员培训系统(OTS)

鉴于许多操作人员退休带来的挑战，特别是那些熟悉高效和安全操作的操作人员退休，早期培训新操作人员和从经验更丰富的操作人员成功转移知识变得至关重要。

今天的过程模拟器通过描述实际的过程操作，包括问题和异常场景，提供了优秀的解决方案。模拟器提高了操作员响应的质量，以及在响应过程中断和事件时所采取的行动的及时性。如果将数字孪生体与OTS结合使用，则可以定期更新实际事件。

7.报警管理

现代化项目往往为提高警报管理质量和效率提供了极好的机会。警报管理和警报系统合理化可以大大减少操作员必须作出反应的警报数量。通过防止操作人员过载，他们确保对重要警报做出适当和及时的反应。

8.协作移动机器人

尽管取得了这些进展，但制造商仍然面临人员配备困难。与此同时，对工作人员福利和人身安全的关切也在增加。协作移动机器人代表了一种新兴的解决方案。机器人可以代替人类操作员或技术人员，冒险进入危险区域进行检查。无人机可以在高度有危险的情况下操作。今天的视听和传感技术可以在某种程度上模仿人类的传感，从而使机器人变得有效。

为I&C项目提供先进的技术效益

当代系统更容易将人工智能和数字双胞胎等新技术注入到体系结构中。先进过程控制(APC)是最终用户可以证明其投资回报率(ROI)的技术的一个例子。

到目前为止，由于世界上几乎所有的工业过程都处于自动控制之下，APC是合乎逻辑的下一步。APC已在许多设施中实施，并取得不同程度的成功。今天，APC主题专家已经学会了如何产生可靠的结果。

多变量控制(MVC)是APC平台的关键组成部分。它实现了最佳的过程稳定性，并提高了生产率。MVC通过使用过程动态模型的预测控制来实现这一点，这被证明可以提高吞吐量，节约能源，并减少质量损失。

如今，更加人性化的高级控制和实时优化工具在保持盈利和竞争力方面发挥着更大的作用。APC解决方案为工艺单元提供了许多优势，例如:

• 提高工艺收率
• 增加了吞吐量
• 减少能源消耗
• 提高过程稳定性

如图6所示的操作改进可以触发工厂现代化，并且通常用于证明成本的合理性。

升级的好处

由于技术进步的步伐一直在加快，工厂运营商发现越来越难以证明老化或过时的仪表和控制(I&C)系统的维护是合理的。虽然许多系统工作起来更加可靠，并且比预期的持续时间长得多，但今天，它们带来了太多的风险。其中不仅包括网络安全，还包括对健康、安全和环境(HSE)问题和可持续性的新期望。

新的需求，如支持数字化转型和解决不断发展的劳动力的新兴需求的举措，使管理层能够证明在I&C现代化方面的投资是合理的。如果新系统能够部署先进过程控制(APC)等技术，那么由此产生的操作改进可以用于证明成本的合理性。

凯文·芬南，顾问，市场情报和策略，日本横河．由网页内容经理克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

更多的答案

关键词:过程仪表、仪表及控制

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。