DCS控制系統(tǒng):遷移還是升級?
當過程控制平臺需要升級時,用戶比從前有更多的選擇,可以增加器件,也可以系統(tǒng)級的更新,當然也可以在兩者之間。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/91225.htm 最近,一個自動化產(chǎn)品供應(yīng)商和用戶團體的發(fā)言人述說了一個很有意思的統(tǒng)計結(jié)果。他說道:運行在當今工廠中50%的DCS平臺(集散控制系統(tǒng))都至少有20年的歷史了。鑒于這點,不難理解為什么很多人都在考慮控制系統(tǒng)的升級,因為公司正面臨著設(shè)備老化帶來的成本持續(xù)增加和競爭的壓力。
是否僅僅因為你的控制系統(tǒng)已經(jīng)有20年的歷史,走完了它壽命的一半,就開始考慮更換它呢?這不是必須的,就好比你思考購買一輛1987年的二手車。老化的DCS系統(tǒng)可能仍能完美地完成過程控制,但是就和二手車一樣,他需要更多的維護,而且肯定比新型設(shè)計缺少一些功能,即使你認為那些新功能并不重要,最終你要面臨是很多零件越來越難買到,維護系統(tǒng)變得越來越花錢。
服役時間問題對于升級系統(tǒng)無疑是關(guān)鍵問題,功能問題其實也不容忽視。有些功能可以給你帶來增值,但新型系統(tǒng)不一定具有所有這些功能。
控制系統(tǒng)的升級有兩個主要原因:系統(tǒng)老化和功能需求。
第一個也是最重要的推動系統(tǒng)更新的原因是系統(tǒng)老化。當一個平臺已經(jīng)失效,而且供應(yīng)商不再對其提供支持,那么繼續(xù)使用它的風(fēng)險是很大的。新更換的硬件也很容易出問題,用戶只好靠不斷更換零件來茍延殘喘,一旦系統(tǒng)的某個零件停產(chǎn),無法更換,整個過程單元就報廢了。
然而,一些工廠經(jīng)理不得不經(jīng)歷一個艱難的過程。Rockwell Automation公司老式DCS系統(tǒng)升級項目的經(jīng)理Mike Vernak說道:“僅僅因為老化就更新是很困難的。工廠經(jīng)理時常對他工廠的工程師說:‘如果系統(tǒng)仍在工作,沒有停機,我是不會僅僅因為系統(tǒng)老化就花錢換新系統(tǒng)的。’當然,如果系統(tǒng)停機,ROI很容易計算,但是沒有停機,根本無從計算ROI。”
系統(tǒng)老化帶來最顯著的影響是性能的不可靠。然而,還有一些側(cè)面影響,包括知識結(jié)構(gòu)老化。Vernak補充道:“公司發(fā)現(xiàn)為那些有20或者25年歷史的老系統(tǒng)維持一個技術(shù)團隊很困難,特別是OEM廠商,有時根本沒有技術(shù)人員,可能是由于人員流失或者退休。剛畢業(yè)的22歲或者24歲的大學(xué)生根本不懂得那些技術(shù)。我聽到如同‘那個系統(tǒng)比我還老,大學(xué)里根本沒教過。’之類的話,他們確實不知道如何對付這些設(shè)備,如果要對他們重新培訓(xùn),代價也是很昂貴的。我看到有些公司的工廠中有多種DCS系統(tǒng)和PLC系統(tǒng),很難想象每年工廠經(jīng)理為了多種控制系統(tǒng)而維持多個技術(shù)團隊是多么昂貴。”
第二個系統(tǒng)更新的原因是功能需求。不一定要很老的系統(tǒng)才會缺乏一些很有用的功能。例如,如果系統(tǒng)不具有I/O能力,無法完成HART診斷,就可能不支持資產(chǎn)管理程序。還有可能系統(tǒng)的連通性不足,無法與企業(yè)級系統(tǒng)集成。
ABB負責控制系統(tǒng)更新的全球業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理John Murray說道:他的團隊對公司升級控制平臺的原因進行了調(diào)查。“調(diào)查結(jié)果令我們很驚訝,超過50%的受訪者說他們考慮升級系統(tǒng)的原因是為了提升操作人員的效率和優(yōu)化維護程序。今天,我們看到很多這種例子,人們明白他們應(yīng)該從何入手,進行改進。這種說法是老生常談了,但的確是卓有成效。一些例如資產(chǎn)管理、信息管理和數(shù)據(jù)挖掘之類的解決方案,如果應(yīng)用得當,確實可以帶來很大的優(yōu)點。那些我們稱之為傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的,不得不添加這些功能。”
Vernak同意這種說法,他補充道:“大多數(shù)的用戶并不是因為系統(tǒng)老化而更新系統(tǒng),而是因為系統(tǒng)缺乏某些能力。這并不意味著這個系統(tǒng)已經(jīng)不能控制這個過程了,它意味著從現(xiàn)有系統(tǒng)無法得到需要的數(shù)據(jù),進而導(dǎo)致無法做出更好的決策。”
“因為系統(tǒng)的固有特性,它很難獲得數(shù)據(jù),或者無法從獲得的數(shù)據(jù)中選擇所需信息。這些系統(tǒng)無法和現(xiàn)代IT系統(tǒng)、現(xiàn)代數(shù)據(jù)歸檔設(shè)備很好地接口。很多無法和專用系統(tǒng)接口,無法完成更高級的過程控制,哪怕完成了,代價也很昂貴。這就是功能缺乏。”
老式的系統(tǒng)是基于孤立的功能而設(shè)計,所以網(wǎng)絡(luò)安全通常涉及不多或者根本沒有考慮。Siemens公司市場經(jīng)理Ken Keiser說道:“很多人錯誤地認為老式系統(tǒng)是安全的,因為它已經(jīng)工作了那么久。當最初安裝的時候,系統(tǒng)可能是完全孤立的,但是隨著時間的推移,可能某些人在某些地方增加了現(xiàn)代的布線,或者將其與數(shù)據(jù)歸檔設(shè)備連接,而此數(shù)據(jù)歸檔設(shè)備又剛好與網(wǎng)絡(luò)相連了。在20年的時間歷程里,你永遠也無法知曉某些東西將被如何連接。”
明確需求
任何升級的第一步都是明確需求,越細化約好。一些需求很明顯,但是還有一些同樣重要的需求需要一些分析。老式系統(tǒng)的一個缺點就是你不知道技術(shù)已發(fā)展到什么程度,你沒有選擇某種功能的原因也許是因為你根本不知道有這種功能。
Murray說道:“人人都希望提高效益,但是你必須讓客戶明確他們到底要什么。客戶對自己亟需解決的問題的了解越透徹,我們就越能給出更好的解決方案。不管是一個新特性、新功能,或者僅僅為了改進性能而增加一個控制器,一旦他們明確需求,就會對這些改進有一個直觀的認識。然后就可以量化經(jīng)濟收益或者成本減少,這為成本估計過程鋪平了道路。”
“如果你的目標或者計劃十分龐大,那么你一定會有‘我該如何評估這么多費用?’的煩惱。關(guān)鍵是將問題分解,每個人明確自己的問題,共同獲得最佳解決方案。”
沒有經(jīng)濟評估,計劃就不完整。誠然,某些情況是很明顯和直接的,例如替換一個很可能失效但是無法修復(fù)的老式系統(tǒng)對管理層來說很容易接受,特別當老式系統(tǒng)失效會影響生產(chǎn)的時候。
困難的地方是如何證明系統(tǒng)失效會發(fā)生,有時還有更困難的地方。一次升級會帶來某些新的功能,而你賦予這次升級的價值,將取決于你說服自己的程度。
Honeywell Process Solutions公司DCS平臺升級高級工程師Marjorie Ochsner提供了一些有用的問題,在升級之初,你可以自問:
什么都不做會付出什么,如果做了,你又期望獲得什么?
計劃外的停機會帶來多少損失?
你維護老式系統(tǒng)的實際花費是多少?
通過零件供應(yīng)商或者e Bay購買替換的零件,花了多少錢?
失當響應(yīng)會帶來多少成本增加?
其次是積極的一面:新系統(tǒng)帶來的額外收益是什么?更新的操作效率價值何在?是否你可以應(yīng)用更先進的控制策略?從現(xiàn)場獲得的HART信號有什么價值?Ochsner說道:“我們審視這些問題的答案,然后幫助客戶完成詳細的分析。”
變化大么?
控制平臺的更新可以是小范圍的變動,也可以是整體更換。通常,系統(tǒng)越老,變化越大。老式系統(tǒng)集成度更高,而且不具有開放的體系結(jié)構(gòu),這使得僅僅更換系統(tǒng)的一部分變得很困難。更先進的方法趨向于模塊化,允許根據(jù)技術(shù)的更新做相應(yīng)的改動。
通常系統(tǒng)更新都從HMI開始,這不僅僅增加了圖形處理功能,而且作為數(shù)據(jù)通道上的主要連接點,HMI為更高層系統(tǒng)提供了接口,并為先進的控制策略提供了實現(xiàn)機制。
Siemens公司的Keiser說道:“對于DCS系統(tǒng)來說,HMI是最先增添的器件,這源自一些內(nèi)部或者外部的需求。當客戶向我們尋求幫助時,通常是因為他們的控制系統(tǒng)有一些特定的問題,有可能是控制器的問題,但更多的是控制器數(shù)據(jù)可見性的問題,這其實就是HMI的問題。”
Keiser說道,更換一個HMI不困難,也不貴,所以作為系統(tǒng)升級的第一步是相對合適的。他說道:“雖然有了新的外觀和感覺,但是具體的設(shè)備是不變的,過程自然也沒有變化,過程控制沒有變化,所以,所有的設(shè)備、知識和技術(shù)都保持不變。”
某些情況下,升級可能包括使用來自于同一個供應(yīng)商的新型系統(tǒng)。其他時候,變化可能更大,老式系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到了完全不同的平臺。
ABB控制系統(tǒng)升級全球商務(wù)發(fā)展經(jīng)理Mark Bitto說道:“當問題已經(jīng)迫在眉睫,系統(tǒng)無法滿足商務(wù)需求,更激進的解決方案往往是唯一的方案。但即使那樣,你也應(yīng)該考慮是否可以節(jié)省開支。受否可以保持布線不變?是否可以保持端子不變?是否有什么方法可以減少開支?”
整體更換在很多方面都會帶來副作用,必須審慎采用。
Keiser說道:“如果客戶不想再采用逐步更新的方式,那必然有原因。他們會說:‘我們不再采購這個供應(yīng)商的東西了,我們需要其他的方法。’我可以想象,這個客戶曾經(jīng)考慮過采取循序漸進的更新方式,但考慮得越多,他越發(fā)現(xiàn)自己不得不邁一大步。小公司更有可能采取這樣的方式,大型的化學(xué)公司卻不是,他們更喜歡低風(fēng)險的方法。”
專用I/O卡可以安裝到老式系統(tǒng)上,提供新平臺的連通性。這種方法可以保留已有布線,又可以加快更新過程。
避免停機
然而,更新的程度可能受制約于對工廠產(chǎn)量的要求。全面更換必然帶來停機時間,計劃內(nèi)和計劃外的,而逐步的更新可以降低這種風(fēng)險。
Honeywell公司的Ochsner建議道:“在做升級的時候,關(guān)斷一個過程通常比維持它正常運行更昂貴。所以大多數(shù)時候,客戶以單元或者控制器為單位做系統(tǒng)更新,維持系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和其他基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不變,以確保平滑過渡。”她補充道:“這種方法從上至下,先替換HMI,然后是網(wǎng)絡(luò),然后是控制器。”
計劃、執(zhí)行升級
一旦你決定采取某種特定的方法,那就要開始明確細節(jié)了。Oschsner建議道:“第一步總歸是計劃,你必須明確你有什么,將面對什么。”
Honeywell最先關(guān)注的是文檔狀態(tài),Oschsner說道:“很可惜,文檔狀態(tài)通常都不樂觀,我們需要精確完整的文檔,細致到現(xiàn)場每一個控制器編號和I/O編號。”
Invensys Process Systems公司的系統(tǒng)升級顧問Graham Bennett有很多項目經(jīng)驗,建議與用戶分擔責任。
Bennett說道:“我們將工作分解成標準流程,包括預(yù)升級、升級、后續(xù)工作。我們?nèi)蝿?wù)條目不會造成遺留問題,每個人負責幾個條目,嚴格執(zhí)行。其中一件事就是確保任何第三方協(xié)議的功能性。”
經(jīng)過仔細思考和認證執(zhí)行的升級項目所帶來最終收益是巨大的??梢詫刂颇芰Α?shù)據(jù)挖掘、操作員接口、給料使用、產(chǎn)品質(zhì)量和其他很多方面帶來提升。但是所有這些都依賴于你對過程的了解程度,加上有效的分析和計劃。
采礦/化工業(yè)的歷史做法:結(jié)合迥異系統(tǒng)
Teck Cominco是加拿大Vancouver的一家大型礦業(yè)、金屬和化學(xué)公司,其英屬哥倫比亞中部的Trail工廠是世界最大的鋅和鉛熔煉和精煉廠,包括Waneta水壩和傳輸系統(tǒng)。Trail的冶金廠生產(chǎn)精煉鋅和鉛,還有其他多種金屬、化學(xué)品和肥料產(chǎn)品。Waneta大壩為工廠、當?shù)赜脩艉兔绹峁╇娔堋?br />
Rob Zwick從事過程控作工作,他做了諸多努力,旨在將全公司設(shè)施移植到統(tǒng)一平臺上。正如他描述:“我們擁有5家工廠,5種平臺:ABB、Fisher Provox、Honeywell TDC 2000、 Foxboro和PLC/Wonderware。我們一直努力做的一件事情就是努力將Foxboro[Invensys Process System公司的I/A系列控制系統(tǒng)]變成一個統(tǒng)一平臺。”
Zwick說道:“我們棄用了Honeywell和Fisher Provox,到今年年底,F(xiàn)oxboro系統(tǒng)將處理我們75%的I/O工作。我們所有的工廠都將使用統(tǒng)一的平臺,使用來自Foxboro的硬件和軟件。”
維護和培訓(xùn)問題是驅(qū)使我們統(tǒng)一平臺的主要動力。老式平臺的零部件難以獲取也是一個原因,可能由此導(dǎo)致的非預(yù)期停機,無疑給公司帶來風(fēng)險。當然,生產(chǎn)不能停止,這一壓力也讓我們的平臺升級工作并不輕松。
Zwick指出:“我們現(xiàn)在正在做第四次升級,我們的工廠一天24小時一周7天滿負荷運轉(zhuǎn),所有的工廠都緊密相連,所以我們要十分謹慎地在工廠中選擇停機的時機。我們每個月都有幾個小時的停機維護時間,我們盡量能在這些時間里完成升級。”
決定
在評價階段,Zwick和他的同事考慮多種可能性,并得到了有趣的結(jié)論。他反映到:“平臺間的功能特性已經(jīng)很難區(qū)分,所以,在技術(shù)層面上評價DCS的優(yōu)劣實際上是很困難的。”
所有的公司都在努力改進和現(xiàn)代化其硬件和軟件。Zwick說道:“Foxboro公司在加拿大礦業(yè)和金屬業(yè)有著豐富的經(jīng)驗,其他公司就差一點。然而其他公司可能在石油和天然氣的領(lǐng)域有更大的份額,我感覺平臺之間的區(qū)別更多來自于歷史遺留問題,而不是功能特性問題。”
老式連接
Foxboro公司的專用I/O卡提供了老式系統(tǒng)和新型系統(tǒng)之間的接口,這幫助完成了系統(tǒng)升級。Invensys Process Systems公司的升級顧問Graham Bennett描述了其方法:
他說:“我們保留了所有的現(xiàn)場布線,包括集線機柜,以及集線機柜和老供應(yīng)商的I/O相連的電纜。我們將連接斷開,使用新的接口卡一塊一塊更換,當然這些接口卡是按照老供應(yīng)商產(chǎn)品的規(guī)格設(shè)計的。”
Bennett補充道:“由于是一個一個的順序,沒有必要改變外型尺寸,每一個現(xiàn)場的I/O端點都與原來的I/O卡排列在一起。”
Zwick已經(jīng)準備好了進行下一次升級。他說道:“這次是個大工程,我們有12個小時,完成4000個I/O端點的改造,分秒必爭,每一個小時停產(chǎn)意味著$100,000的損失。”
市政設(shè)施公司的歷史遺留問題:選擇正確的工具
Colorado Springs Utilities是市政設(shè)施集團,為居民和商戶提供電力、天然氣、水和廢水處理服務(wù)。電站分公司有一小部分火力發(fā)電廠、多家風(fēng)力發(fā)電廠、還有燃氣渦輪發(fā)電廠。它還運營著54 MW 的George Birdsall工廠,有傳統(tǒng)的燃氣發(fā)電鍋爐,擁有12小時的緊急狀態(tài)儲備和峰值容量。
Birdsall工廠建于19世紀50年代中期,還保留著原來的鍋爐和渦輪。因此,他缺乏新型工廠的高效,由于成本原因不再作為基荷容量。然而,由于當?shù)夭粩嘣黾拥碾娔苄枨?,它每年的工作時間都在增加。Brent Richardson是工廠經(jīng)理,近期著手控制系統(tǒng)升級工作。
此工廠自從1991年就使用Rosemount RS3 DCS,當他得知此平臺的OEM支持只剩下10年,他決定尋求替代方案??紤]到Birdsall規(guī)模不大,I/O端點少于150個,而且使用較簡單的控制策略,Richardson和他的同事決定尋找多個選擇。
Richardson說道:“因為DCS的效率和速度,我們對DCS很熟悉也很滿意,所以,我們起初在尋找DCS平臺,包括Delta V。我們Ray Nixon發(fā)電廠有一套ABB系統(tǒng),所以我們將其考慮在內(nèi)。我們也參考了自來水廠的經(jīng)驗,它所有的過程控制都由Allen-Bradley ControLogix PLC完成。當我們關(guān)注新型基于PLC的系統(tǒng)的效率和速度時,我們發(fā)現(xiàn)實際上它比我們現(xiàn)在正在使用的控制設(shè)備快10倍。”
使用和自來水廠相同的系統(tǒng)的想法很吸引人,它可以作為系統(tǒng)升級的原型論證,之后4年還可以應(yīng)用于水利發(fā)電廠。
Richardson補充道:“有很多系統(tǒng)可以完成這個工作,我們希望這個系統(tǒng)可以控制所有的工廠,包括水電廠。PLC系統(tǒng)能滿足需要,可以和我們其他所有的工廠整合。當我將其應(yīng)用于我的系統(tǒng)內(nèi),我對采用自來水廠的ControLogix 平臺的這個想法更加確定,因為它們都是標準化設(shè)備,我可以使用它們的資源,包括5到6名經(jīng)驗豐富的I&C技師甚至還有備用零件。這些資源會帶給我們巨大的價值,因此我不準備再使用獨立的平臺。”
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