自动化系统升级的10个步骤

如果您正在升级自动化系统，或者在不久的将来考虑这样的任务，那么您的主要关注点可能是HMI、控制器和I/ o——这是正确的，因为它们是系统迁移中需要解决的关键组件。但是，自动化系统远不止这些硬件组件，如果在规划阶段不进行尽职调查，这些次要领域可能成为许多问题的根源。

在进行主要的自动化升级项目之前，检查自动化系统所有领域的最佳方法之一是执行前端加载(FEL)评估。FEL评估是一种评估自动化系统升级或其他项目的所有方面的分析。在其他可交付成果中，它应该包括带有持续时间的项目任务列表，以及整个项目进度表。

大多数最终用户将与外部服务提供商合作来进行FEL评估，因为他们通常没有可用的人力。合适的服务提供商将为自动化系统升级项目提供许多FEL评估，从而可以帮助最终用户以最佳方式进行彻底的研究。

FEL评估将有助于制定预算并证明项目的合理性。它还将揭示潜在的问题，并帮助最终用户为迁移过时的DCS或plc自动化系统的艰巨任务做好准备。简而言之，它应该提供一张带着目的地的成功地图。

在大多数情况下，在FEL评估中投入的时间和精力与整个项目的成功直接成正比。不幸的是，许多终端用户将此阶段视为自动化系统升级的可选任务，甚至可能分散注意力。在FEL评估上吝啬不仅会增加风险，还会导致错失改进和增强长期可持续性的机会。相比之下，彻底的FEL评估将识别潜在的问题，并帮助确保项目达到其目标。

线外的10个区域

当为自动化系统升级开发主架构时，主要组件总是hmi、控制器和I/O。计划和预算阶段的大部分时间和精力都花在这些关键组成部分上，这往往会损害系统的平衡，因为这些领域超出了界限。

正确执行的FEL评估将揭示10个重要的次要领域，这些领域列在表1中，并在下面讨论。

现场设备和基础设施

现场设备及布线主要由四部分组成:

• 电线、导管和电缆桥架
• 面板，机柜，编组面板和接线盒
• 仪表，包括内联设备、分析仪、变送器等
• 机械设备，包括电机、阀门、驱动器和其他现场设备。

必须对所有这些物品进行检查，以确定可接受的实物状况和适当的文件。此外，仪表和机械设备必须进行检查和/或测试，以确保与新自动化系统的I/O和数字通信接口有适当的接口。

在FEL过程中，应评估现场布线的整体状况，包括端子、标签和接地。如果有任何地方不符合标准和工作状况良好，应制定计划和预算来纠正任何不足和缺陷。

当自动化系统启动并运行时，各种现场设备(如电机、阀门和位置开关)的状态通过将这些组件硬连接到自动化系统输入来确定。因此，必须对这些设备和输入之间的接口进行测试，以确保适当的电压水平和电气隔离。

同样，阀门、电机和状态灯由自动化系统输出驱动。同样，必须确保兼容性，以便每个输出都可以驱动或驱动其相关设备。

自动化系统模拟I/O的接口可能是一个特殊的问题区域。在旧的自动化系统上，4-20 mA的输出可能比新的自动化系统的4-20 mA输出能够在环路连接中驱动更多的仪器。如果在FEL评估中发现，这个问题将是次要的，但如果在调试过程中发现，则是主要的。此外，必须检查模拟输入，有时还必须测试其兼容性。例如，旧的DCS可能已经容纳了不再广泛使用的热电偶类型，因此可能不支持新的自动化系统。

大多数工厂都有智能仪器和分析仪，它们自己的网络连接到自动化系统(参见图1)，这是FEL评估期间必须详细检查的另一个领域。

网络基础设施和连通性

现代自动化系统在各个层面连接到各种其他系统和组件，包括:

• 控制层——工艺滑道、排放监测系统、楼宇自动化系统等辅助控制系统。
• 企业层历史，MES, ERP，企业网络等。
• 现场设备层- hart、现场总线、Profibus、DeviceNet等
• 其他-实验室系统，远程访问，分析仪，先进的过程控制设备等。

必须检查物理基础设施，包括光纤/铜主干网、网络设备、无线硬件和其他项目，以确定可接受的条件和适当的文档。但这只是第一步，因为兼容性问题可能会很多，即使新的自动化系统支持与旧的自动化系统完全相同的协议。

应该对每一层的主接口进行测试，以确保通信能够以可接受的方式进行，其性能等于或超过现有系统。新的自动化系统必须能够支持所有现有的通信协议，无论是直接还是通过协议转换器。在某些情况下，升级甚至替换那些不能轻易连接到新自动化系统的系统和组件可能更具成本效益。

例如，如果有一小群仪器使用与大多数仪器不同的现场总线协议，那么替换这些奇怪的仪器可能会更好，而不是添加协议转换器将它们连接到新的自动化系统。

较旧的自动化系统通常具有由同一供应商提供的控制器和智能设备，如仪器和驱动器。如果新的自动化系统是从不同的供应商那里购买的，在几乎所有情况下，智能设备的数字接口在功能上都将受到更多限制，即使协议名义上是相同的。必须作出规定，以这种减少的功能来操作系统，或更换智能设备。

辅助系统和空间要求

新的自动化系统组件将被安置在一个特定的区域，通常是旧系统所在的控制室。应检查下列范畴，以确保它们符合新系统所需的规格，以及运作和维修的持续需要:

• 电源要求，包括UPS
• 暖通空调的需求
• 物理足迹，以及
• 控制室人体工程学。

UPS和其他电力系统必须有足够的容量来处理新的自动化系统组件。同样，暖通空调系统必须能够保持新的电子设备凉爽，同时为操作员保持舒适的工作环境。

必须有足够的整体空间来容纳和安装新的系统组件，包括控制硬件和操作员工作站。许多旧的自动化系统都有定制的控制台，不能与新的自动化系统一起使用，或者必须进行大量修改。

当没有进行彻底的FEL评估时，一个经常被忽视的领域是调试计划及其对辅助系统和空间要求的影响。许多调试切换计划要求新旧自动化系统同时运行。这显然会产生深远的影响，通常需要仔细的计划来同时适应两个系统的操作。临时辅助电力系统通常是必要的，以及过渡性安装空间。

关键的文档

新的自动化装置及其所有接口和连接到现场设备和布线、网络基础设施和辅助系统，将需要对文件和图纸进行许多更改。

为了成功地操作和维护新的自动化系统，必须审查并经常更新某些关键文件。必须检查的一些最重要的文档包括p&id、循环表、I/O数据库、系统配置、软件程序、软件文档、批处理需求、功能规范、控制系统说明以及编程和设计标准。

拆卸、安装、调试

全面的FEL评估将检查所需的拆除、安装和调试服务，以确保这些活动在预算、时间表和可用人力方面得到适当的考虑。制造工厂通常配备人员来处理日常操作，没有可用的人员来执行重大项目。因此，自由作战部队的评价应确定所需人员，并为签订额外部队的合同作出规定。

调试计划是任何自动化系统升级的关键组成部分。必须考虑的主要项目通常包括关闭时间表，最小化停机时间的计划，以及热切换的使用。与安装和调试相关的其他活动一样，可能需要补充人力。还必须考虑到在安装和调试期间通常损失的工厂产量。

与安装和调试相关的建筑设计活动也应在FEL评估中进行估计和计划，以便它们能够正确执行。可能需要执行的一些关键活动包括制定新的电缆和导管时间表、仪表和现场设备图纸和图表、面板和外壳设计、环路表、电机基本图、点对点图和安装细节图。

合规和异常情况管理

为适应自动化系统升级所做的更改将需要进行检查，以确保符合所有标准、规范和操作程序。

必须检查安全仪表系统(SIS)，以确保维持所有要求的SIL水平。可能需要执行保护层分析(LOPA)，并且必须将环境健康和安全程序保持在可接受的水平。

必须遵守现行的规范和标准，如NEC, NFPA和FDA法规，通常在NEC和NFPA法规的情况下进行许可和检查。同样，FDA对验证系统的规定包含一个非常严格的协议，必须遵循生产药品的设施的所有更改。许多食品和饮料工厂在进行变更和升级时也必须遵守FDA的规定，尽管在不那么严格的水平上。

您的旧自动化系统将有一些非正式或正式的方法来处理异常情况。同样，新的自动化系统也必须有处理异常情况的方法。这个领域通常可以通过简单地利用自动化系统内置的特性，以及通过实现当前异常情况管理(ASM)图形和警报管理标准以及最佳实践来改进。

事实上，FEL评估应该检查所有可能的改进领域，包括ASM，因为这将确保新自动化系统的最大投资回报。

需要改善的地方

新的自动化系统通常具有旧的DCS或plc系统所不具备的特性和功能，允许对现有操作进行改进。进一步的改进可以通过修改现有的操作和实践来实现，自动化系统的升级为执行这些活动提供了一个理想的时间。

需要改进的一个主要领域是对旧自动化系统在手动模式下运行的过程和系统进行自动化。如果由于工厂没有足够的组件和设备而需要人工操作，那么这些项目将需要升级或更换。例如，一个开关阀可能需要修改或更换，以便它可以作为一个控制阀来自动化一个特定的控制回路。

在其他情况下，新的自动化系统可以实现旧系统无法自动控制的领域的自动化。较新的自动化系统通常具有内置的先进过程控制功能，允许自动控制困难的回路。通过减少操作人员的参与和由此产生的人为错误，避免停机，提高产量和增加吞吐量，自动化手动流程将产生即时和可观的投资回报。

许多旧的自动化系统通过分辨率低、屏幕质量差、屏幕尺寸不足的陈旧图形显示器向工厂操作员呈现数据和图表。相比之下，较新的自动化系统可以利用过去几十年来在改进操作界面硬件和软件方面取得的巨大进步，以减少操作员的疲劳，促进新操作员的培训，并改善异常情况管理。

自动化系统升级可以用更容易支持和维护的系统取代过时的系统，但这也是在操作上取得重大进展的理想时机。简单地取代同类产品是一个巨大的错失机会。为了充分利用升级并将风险降至最低，必须执行彻底的FEL评估，以检查所有将受升级影响的区域，包括HMI、控制器和I/O之外的区域。

Matt Sigmon是MAVERICK Technologies DCS Next的主管。

关键概念:

• 过程控制系统迁移和升级项目通常需要比大多数公司意识到的更多的分析。
• 尽早系统地分析项目可以帮助避免问题并确定改进性能的机会。

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