工厂仪表和控制:现代化还是维护?

仪器仪表和控制现代化洞察

• 仪器仪表和控制系统(I&CS)的迁移是复杂的，许多公司将其推迟了数年。迁移和升级除了可以避免计划外的中断之外，还可以提供操作上的好处。
• 最佳实践包括使用新的软件和技术，这些软件和技术可以帮助以更低的风险计划和执行迁移。

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如果计划得当，一个现代化仪表和控制系统(I&CS)项目，甚至是一个大规模的系统迁移，都可以在预算内按时从一个阶段转移到另一个阶段，从而带来显著的操作改进。新的工具使迁移更容易，成本更低。智能、软件可配置I/O可以与标准的智能接线盒相结合，减少80%的文档开发和90%的布线设计。

需要更有说服力的移民和升级福利吗?参见相关文章:为什么要现代化工厂仪表和控制．

仪表和控制系统的三个技巧:升级、迁移、更换

与棕地或绿地项目相比，工厂现代化项目的挑战在于必须严格控制施工顺序。在大多数情况下，“重新安装”项目必须在有限的停机时间内工作。重新仪表可指更换现场仪表，或更换整个I&CS。与具有更大灵活性的基层项目不同，重新安装仪器的项目还必须在运行中的工厂中进行施工，并应对随之而来的所有危险和限制。

三个典型的现代化场景是逐步升级、竞争对手系统迁移和现场仪器更换。

1.工厂现代化逐步升级

与完整的系统升级不同，逐步升级是指组件基础升级。例如，人机界面(HMI)站在不停止控制器的情况下逐个升级。另一个例子是替换一个控制器，该控制器在不停止其他控制器的情况下监督特定区域。逐步升级的最大好处是最大限度地减少生产时间损失，并降低总生产停机的风险。升级计划可以根据最终用户的生产和维护计划以及预算来决定。

实现上述目标的关键技术是现有控制系统的传统硬件和软件能够与新的硬件和软件协同工作并共存。例如，在分布式控制系统(DCS)中，升级后的人工操作站可以访问现有的遗留控制器，从而访问最新的控制器。此外，即使现场控制器和其他HMI站使用旧版本的软件，也能保持在线工程和监控的能力。DCS供应商将此称为渐进兼容性。

在有八个或更多物理工作站和服务器的系统上使用逐步升级方法时，应该考虑对这些计算机资产进行虚拟化。虚拟化技术通过将物理工作站和服务器托管在虚拟化服务器上来减少物理工作站和服务器的数量。虚拟化带来的好处包括减少硬件占用、降低能源成本、简化系统管理、降低总体拥有成本、提高系统可用性以及从故障中快速恢复。

如今，大多数DCS硬件和相关组件(如历史记录、资产管理系统和OPC服务器)都可以升级到虚拟环境中。

例如，可以使用高可用性集群对DCS进行虚拟化，这些集群提供的好处包括带有自动故障转移的冗余、虚拟机的热迁移功能、改进的安全性、专用存储和快速灾难恢复。

2.从另一个品牌的控制系统迁移

大多数DCS供应商和一些系统集成商已经为竞争对手的系统开发了全面的系统迁移策略。协商“增值迁移过程”是一种多阶段方法。除了系统迁移过程，它还包括一个可行性研究和现场调查，并进行差距分析，识别瓶颈，提出切实可行的对策，并估计通过使用替换系统和解决方案所产生的利润改善和投资回报率(ROI)。系统迁移专家参与这个过程的所有阶段。

例如，可以使用迁移选项，使用特殊的编组面板和连接到遗留系统现有终端面板的适配器电缆，将许多遗留控制器和流程接口单元替换为输入/输出(I/O)和控制器。

系统供应商和集成商还开发了各种数据库转换工具，可以将软件工程信息从第三方系统转换到替代系统中的工程数据库。根据项目经验，使用转换工具可以节省20%以上的工程成本。

3.现场仪表更换:执行器、流量计、变送器

执行器、流量计和变送器等现场仪器占I&CS投资成本的很大一部分。今天的数字智能过程自动化系统和连接的现场仪器可以比传统系统完成更多的工作。工厂操作人员应该利用人工智能、预测性维护以及仪器和过程的整体诊断等功能。在早期，一项好的投资将包括工厂现代化的规划和设计，以审查控制方案，修订和改进它们，决定如何最好地实施和推进控制技术，并部署最新的技术。

最佳实践、建议:主要自动化承包商

建议选择一个主要的自动化承包商(MAC)来实施重新仪表项目，因为MAC可以确保部署一个具有最合适和专业技能的团队。使用一个知识丰富的团队进行范围定义，可以及时交付项目，并降低跳闸或停机的风险。

MAC是一个能够处理解决方案和服务的自动化合作伙伴，从前端工程设计(FEED)阶段，经过详细设计和施工，到启动和切换到运营。

除了MAC概念之外，还有其他项目执行方法，这些方法是通过最终用户和系统供应商的共同创新开发出来的。例如，敏捷项目执行使用并行程序路径来代替传统的瀑布方法，在瀑布方法中，项目在一个串行路径上执行。

开发仪器仪表和控制系统架构

就像初步的实地调查一样，在进行项目之前必须开发初步的系统架构。这是一个常青树文档，在FEED研究期间不断更新范围。

准确的回路图纸和原理图可能很难找到，可能在工作人员技术人员维护的个人文件中找到。它们是确定更改历史的关键，以确保新的控制系统提供与被替换系统相同的功能。

通过协作，最终用户和系统供应商或集成商确保过程和仪表图纸(p&id)、测量和控制方案得到充分理解，以便在DCS和安全仪表系统(SIS)中实施它们。对于后者，所需的文档包括危害和可操作性分析(HAZOP)和保护层分析(LOPA)。

任何机会和风险都应在现场调查和FEED研究期间确定。改进的控制策略提供了更高的可靠性和更严格的控制。

安全仪表系统经常与过程控制混合在一起，其中安全和过程逻辑共存于同一处理器(DCS或PLC)中。今天，安全系统的隔离是IEC 61511的要求，其中安全系统应仅用于安全关键资产。在前期现场调查活动中，这将是确定安全性、过程隔离和执行安全功能的现有系统过时的关键组成部分。

重新检测项目的范围

重新安装仪器的项目是马拉松而不是短跑。重新测试团队必须对项目的完成和项目成功的度量保持一个清晰的愿景。识别整个资产升级的驱动因素和优先级将有助于重新测试项目的计划和范围。

工厂重新仪表项目因范围变化而臭名昭著。为了确保项目的成功，必须有一个完善的变更管理过程，允许以有序的方式处理变更，并将对资金和进度的影响降到最低。除了设计变更外，变更管理过程还必须适应诸如设备故障、计划外停机或计划中的工厂关闭延迟等问题。

系统I/O技术的进展

自从早期的数字控制系统以来，过程输入/输出(I/O)设计经历了几次重大的技术进步。如今，流程和安全I/O可以是智能的和软件可配置的。光纤电缆和无线通信等技术可以取代劳动密集型的传统多导体仪器电缆。

传统上，控制系统使用专用的硬件模块，其中给定的模块只包含一种类型的I/O，如模拟输入或离散输出。今天，模块可以在每个点的基础上使用软件可配置的I/O。

这种硬件设计通过将应用程序工程与现场接线和硬件安装分离，简化了项目执行。硬件设计与前面提到的敏捷项目执行方法相结合，可以节省大量成本并降低项目调度风险。在边缘使用软件可配置的I/O可以完全消除编组并减少多达80%的布线。

许多公司现在提供标准化的“智能接线盒”，其中包括各种数量的软件可配置I/O。通过部署这样的标准组件，项目团队可以省去自定义I/O面板所需的设计、文档编制和测试。

通过将智能接线盒方法与敏捷项目执行相结合，可以在项目期间随时完成机柜交付、滑块集成和接线终止。最后一分钟范围更改几乎不会导致项目延迟。考虑到敏捷项目执行所支持的项目解耦，现在甚至可能需要一个工厂验收测试(FAT)。

重复使用现有的线路，端子，编组柜

一种经济的策略是尽可能多地重用现有的线路、端子和编组柜。如图5所示，I/O面板和接线是I&C系统中寿命最长的组件之一。然而，项目团队被敦促对面板和线路进行详细评估，特别是如果它们在腐蚀性环境中运行，这将大大缩短它们的生命周期。

许多系统供应商和集成商已经设计了I/O适配器模块，将现有线路连接到新系统。权衡评估应该将这种定制硬件的ROI与前面提到的智能接线盒的ROI进行比较。

自动化调试加速重新仪表项目

新的I/O技术、智能接线盒和项目执行方法也可以结合在一起，自动化所有现场仪器的验证、绑定、配置、测试和文档编制过程。与传统方法相比，项目团队可以减少95%以上的调试时间，以及80%的图纸和90%的布线设计工作。

用于重新检测的协作项目工程工具

最后，许多系统供应商提供复杂的、集成的项目工程工具，允许项目团队在全球基础上进行协作。

软件环境可以在重仪表或DCS迁移项目中促进项目执行、系统集成和现场执行。该软件为所有控制系统项目阶段以及工厂生命周期的启动、运行、维护、扩展/升级和扩展阶段带来确定性和信心。

这些工具生成了一个完整的工程环境，具有新的数据库结构，提供标准化和一致的信息，维护数据完整性，消除设计信息和实际系统之间的不一致，管理变更，并支持系统生命周期。

此外，新工具有助于重用有价值的工程技术，并消除后续项目的重复工作。

I&CS再检测:更多的工具，更低的风险

今天，I&CS再仪表项目团队在硬件、软件和项目管理方法方面拥有许多新技术。智能、软件可配置I/O可以与标准的智能接线盒相结合，减少80%的文档开发和90%的布线设计。MAC和敏捷项目执行方法，当与全球工程软件工具一起使用时，可以保持项目完整性，支持变更管理，并降低成本和调度方面的风险。

结合成熟的经验和技能集进行部署，这些技术的实现在预算内、按期进行的项目中产生了显著的运营改进，在近期和整个系统生命周期内具有出色的ROI。

凯文·芬南是顾问，市场情报和战略，日本横河．由内容经理马克·霍斯克编辑，控制工程、《媒体，mhoske@cfemedia.com。

关键词:仪表和控制系统迁移

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