取代核工业中的模拟仪表

120多年前，爱德华·韦斯顿爵士发明了模拟面板仪表(APM)。仪表的简单性，以及它的低制造成本，不幸的是被它的不可靠、不准确和脆弱所抵消。此外，它的解读容易被误解。仪表容易卡针、不准确和读数错误的倾向导致了一些悲剧。

这种固有的不准确性导致军事和核电工业在所有读数上采用预防性~5-10%的安全系数。在解释仪表时，大多数APMs的精度只有+/- 5%(+/- 2%，如果你从+/- 10英寸的距离直视它们)，加上视差。由于这个看似微不足道的差异，一个典型的核电站每天可能损失超过10万美元的可销售电力。

该行业不能继续依赖19世纪晚期的计量技术。当一位核电站经理向我们提出开发一种与我们的新技术仪表(NTM)相同的电子条形数字仪表时，我们很感兴趣，但没有微处理器。作为一个信号供电仪表，NTM由电流回路(4至20或10至50 mA)或由它测量的交流/直流信号供电。

由此产生的固态模拟仪表(SSAM)没有微处理器或控制输出。SSAM仅显示，而NTM用于显示或控制。这两个系列都可以外部供电，并具有该公司的信号故障警报，在故障后发出约30秒的声音，消除了危险的“卡针”综合征。

网络安全要求

核电站仪表和控制(I&C)室如果实现数字化，必须符合核管理委员会(NRC)的网络安全法规(包括NEI08-09)。这样做要花费数百万美元，实施可能需要数年时间。否则，如果行业经理保持+/- 5%的模拟仪表，他们必须在低于最佳效率的情况下运行。在极端情况下，它们将损失最佳电力输出的8%到10%。

我们问自己:“在没有微处理器的情况下，我们如何才能提供所需的性能?”十多年前，我们试验了一个纯硬件的条形图数字仪表。在两周内，在疯狂地寻找2004年的笔记本电脑和原型面包板之后，我们有了一个多色条数字仪表，仅由4到20 mA(~5到60 mW)电流回路供电，没有微处理器。

虽然我们没有取代爱德华爵士的发明，但它满足了工厂经理的要求，现在正在被评估为1E级。然而，进一步的工作产生了一种新型的LED电子仪表，它可以测量、显示、控制和传输交流和直流信号，而不需要微处理器，数字精度为0.1%，而模拟精度为5%。

无微处理器和无功率SSAM仪表系列可以用作基本条形图(如模拟仪表)，作为条形数字(如过时的数字)，或作为现场可配置的多功能仪表。如果外壳是相同的，所需要做的就是改变刻度板和可插拔模块，并执行任何所需的校准。

解决遗留问题

在核工业公司的“午餐学习”会议上，一场无动力技术的演示中，另一位经理问道:“仪器与控制(I&C)经理应该如何决定是否将I&C室数字化?”

需要考虑的要点如下:

使用电流回路是传输模拟信号最简单、最可靠的方法。因此，选项包括:

1.只更换模拟仪表

2.增加一个数据采集(DAQ)系统，或者;

3.增加三重冗余监控。

然而，选项2和3需要网络安全合规性。选项1不必符合网络安全要求，因为没有微控制器或串行输入/输出(I/O)可以破解。具体到选项1，选项包括:

a.将所有信号和接线改为4 ~ 20ma;

b.安装最好的4 ~ 20ma变送器，或者;

c.安装SSAM或同等设备。由于每根电线和面板兼容的插入能力，现有的电线和面板可以重复使用。

一个典型的反应堆每天产生大约100万美元的电力，因此，生产率每提高1%，每天的利润约为1万美元，或每年约为365万美元。

核工业概览

美国约95%的核电站是在1990年之前建成并投入使用的。多年来，所有发电厂都安全运行，效率约为90%。由于政府的一些规定有限，仅用目前三分之一的人员和费用就能实现盈利。

1986年切尔诺贝利核泄漏和2011年福岛核灾难对监管环境的累积影响，以及最近的网络安全要求，意味着大多数不受监管的核电站都在亏损运营。受监管的银行，通过补贴和提高利率来保证利润，没有动力提高效率。结果是美国6座核电站最近宣布关闭，还有更多的核电站即将关闭。

核管理委员会发布了一项网络安全指令，以保护核电站免受恐怖袭击。该指令要求核工业在每个控制室上花费超过2000万美元，如果他们实施任何关键的基于微处理器的数字资产。

数字化的六个选项

在数字化I&C室方面，核工业有六种可识别的选择:

1.什么都不做，保留目前过时的模拟或数字仪器，在一个大约100万美元/天的工厂中，效率每下降1%，就会损失大约1万美元/天，或365万美元/年。

2.为了满足网络安全法规的要求，该公司不惜一切代价安装了平面屏幕和三冗余监控系统，预计成本将超过2亿美元，这意味着该公司需要等待7年才能实现盈利。

3.改为平面屏幕和数据采集系统，其中包括网络安全合规，以及新的I&C室，工程设计，布线，操作员培训和NRC批准。这将造成约7500万美元的损失，以及每天1%的收入损失。投资回报(ROI)将需要三年以上的时间。

4.用兼容SCADA/DAS/DCS 1e级的数字仪表取代老式的仪表。这意味着除了串行I/O之外，没有新的布线，没有电源，也没有新的构建成本。这节省了大约1.4亿美元，但增加了网络安全合规成本。投资回报(ROI)只需要18个月，假设效率提高10%或每年约3650万美元。

5.实现一个数字仪表数据采集系统。这与选项3类似，但成本较低，约为3500万美元，而且没有相关的生产力损失或新建筑。包括网络安全合规成本在内，效率通常提高5-8%，投资回报率约为一年。

6.用SSAM或类似物代替类似物，并像往常一样(手动)操作工厂，直到退役，但效率和盈利能力更高。

数字化控制室的重要性

对于核工业、美国海军、石油和天然气工业、电力工业或任何使用模拟仪表的行业来说，数字化控制室以提高安全性和盈利能力的需求至关重要。对于处理预期寿命有限的反应堆的非监管公用事业，或者在竞争非常激烈的市场中，一个好的选择是一次性或根据需要替换过时的模拟和数字仪表。总成本大约是更换旧电表的三分之一，假设效率提高1%，在第一周内就能收回成本。

模拟仪表的使用寿命很长，已经达到了它的目的。天下没有不散的筵席，模拟仪表也快要绝迹了。

奥托·费斯特博士是Otek公司的总裁和创始人。

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