仪表和控制系统现代化的三种典型方案

仪表和控制系统的升级往往很复杂，许多制造企业因此将其推迟了数年。迁移和升级除了避免计划外停机外，还可以提供运营优势。

如果规划得当，对仪表和控制系统实施现代化改造（即使涉及到大规模的系统迁移），可以在预算范围内按时从一个阶段进行到另一个阶段，从而帮助企业显著改善运营。新工具使迁移更容易，成本更低。智能的、可软件配置的I/O与标准的智能接线盒相结合，可以将文档开发减少80%，布线设计减少90%。

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仪表和控制系统现代化的三种典型方案

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，“升级仪表”项目必须在有限的停机窗口内工作。仪表升级可以指更换现场仪表，也可以指更换整个仪表和控制系统。与具有更大灵活性的新项目不同，升级仪表项目还必须在正在运行的工厂中施工，需要面对由此带来的所有风险和限制。

三种典型的现代化方案包括：逐步升级、从其他品牌的系统迁移和现场仪器更换。

1.逐步升级实现工厂现代化

与完整的系统升级不同，逐步升级是指基于部件的升级。例如，人机界面（HMI）在控制器不停机的情况下逐一升级。另一个例子是更换一个控制器，该控制器监控特定区域而不停止其它控制器。逐步升级的最大好处是将生产时间损失降至最低，并降低生产完全停止的风险。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，是现有控制系统的老旧软/硬件与新软/硬件协同工作并共存的能力。例如，在分布式控制系统（DCS）中，升级后的工作站能够以新控制器的方式访问现有传统控制器。此外，即使现场控制器和其它HMI站使用较旧版本的软件运行，也能保持在线设计和监控的能力。DCS供应商将此称为渐进式兼容性。

在具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，应考虑虚拟化这些计算机资产。通过服务器托管，虚拟化技术可以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、降低总拥有成本、提高系统可用性以及从故障中快速恢复的能力。

如今，大多数DCS硬件和相关部件（如历史数据库、资产管理系统和OPC服务器）都可以升级到虚拟环境中。例如，DCS可以使用高可用性群集进行虚拟化，这些群集具有以下好处：具有自动故障切换冗余、虚拟机的实时迁移功能、改进的安全性、专用存储和灾难快速恢复等优势。

2.从其它品牌的控制系统迁移

大多数DCS供应商和许多系统集成商都已经为从竞争对手的系统制定了全面的系统迁移策略。“增值迁移过程”是一个多阶段的方法。除了系统迁移过程之外，它还包括可行性研究和现场调查以及差距分析，确定瓶颈，提出切实可行的对策，并通过使用替代系统和解决方案，来评估由此带来的利润改善和投资回报（ROI）。系统迁移专家参与此过程的所有阶段。

例如，使用连接到现有传统系统端子面板的特殊编组面板和适配器电缆，迁移选项用输入/输出（I/O）和控制器来取代传统的控制器和过程接口单元。

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为替换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、流量计和变送器等现场仪表，占仪表和工业控制投资成本的很大一部分。现在的数字智能过程自动化系统及其连接的现场仪表，可以完成的任务远远超过传统的系统。工厂运行人员可以利用人工智能、预测性维护以及仪器和过程的整体诊断等功能。一项好的投资，包括早期的工厂现代化规划和设计，以审查控制方案，修订和改进控制方案，决定如何最佳地实施和推进控制技术，并部署最新技术。

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选择适合的主要自动化承包商

建议选择一个主要自动化承包商（MAC）来实施仪表升级项目，因为MAC可以确保配置最合适且具有所需专业技能的团队。使用知识丰富的团队来定义项目范围，可以及时交付项目，并减少跳闸或停机的风险。为一个自动化合作伙伴，MAC能够提供从前端工程设计（FEED）阶段到详细设计和施工、启动和移交运营等一揽子解决方案和服务。

▲图1：更新的硬件和软件技术可以简化成功实施现代化的步骤。

除了MAC概念外，还有其它项目实施方法，这些方法是最终用户和系统供应商共同开发的。例如，敏捷项目执行使用并行程序路径来代替传统的瀑布式方法。在瀑布式方法中，项目在一个串行路径上执行。

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开发仪表和控制系统架构

与初步现场调查一样，在进行项目之前，必须制定初步的系统架构。这一架构不是一成不变的，需要在FEED研究期间不断对范围进行更新。

有时，可能很难找到准确的回路图和示意图，但也可能会在技术人员维护的个人文件中找到。它们是确定变更历史记录的关键，以确保新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充分理解过程和仪表图（P&ID）、测量和控制方案，以在DCS和安全仪表系统（SIS）中实施这些方案。对于后者，所需的文件包括危险和可操作性分析（HAZOP）和保护层分析（LOPA）。

▲图 2 ：成功执行现代化项目的指南，包括上述步骤。

应在现场调查和FEED研究期间识别任何机会和风险。改进的控制策略带来了更高的可靠性和更严格的控制。

安全仪表系统通常与过程控制相结合，安全和过程逻辑在同一处理器（DCS或PLC）中完成。安全系统的隔离是IEC 61511的一项要求，其中安全系统应仅用于安全关键资产。在前期的现场调查活动中，这将是识别安全和工艺隔离，以及执行安全功能的现有系统是否过时的关键组成部分。

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定义仪表升级项目的范围

仪表升级项目是马拉松而不是短跑。仪表升级团队必须保持对项目完成情况和项目成功程度的清晰愿景。识别整个资产升级的驱动因素和优先级，将有助于规划和确定仪表升级项目的范围。

工厂仪表升级项目往往因其范围不断变化而让人烦恼。为了确保项目的成功，必须有一个完善的变更管理流程，允许以有序的方式处理变更，并尽可能减少对资金和进度的影响。除设计变更外，变更管理过程还必须考虑设备故障、计划外停机或计划内电厂停机延迟等问题。

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系统I/O技术的进展

自数字控制系统出现以来，过程输入/输出（I/O）设计经历了几次重大的技术进步。现在，过程和安全I/O可以是智能且软件可配置的。光纤电缆和无线通信等技术可以取代传统的多芯仪表电缆。

传统上，控制系统使用专用硬件模块，某个模块将仅由同一种类型的I/O组成，例如模拟输入或离散输出。如今，模块是软件可配置的，可按点提供I/O。

通过将工程与现场布线和硬件安装分离开，这种硬件设计可以简化项目执行。硬件设计与上述敏捷项目执行方法相结合，可以带来明显的成本节约，降低项目进度风险。

在边缘使用软件可配置I/O，可以完全消除编组并将布线减少80%。

▲图3：了解各种自动化组件的典型生命周期，有助于规划未来的升级。

许多公司现在提供标准化的“智能接线盒”，其中包括不同数量的、可通过软件配置的I/O。通过部署这样的标准组件，项目团队可以消除定制I/O面板所需的设计、文档和测试。

将智能接线盒与敏捷项目执行方法相结合，可以在项目执行期间的任何时点，完成机柜交付、撬装集成和接线端接。即使是最后时刻的范围变更，也不会导致项目延迟。考虑到敏捷项目执行所实现的项目解耦，现在甚至可能需要工厂验收测试（FAT）。

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重新使用现有接线、端子和编组柜

一种经济的策略是尽可能多地重复使用现有的接线、端子和编组柜。I/O面板和接线是仪表和控制系统中寿命最长的组件之一。尽管如此，项目团队仍需要对配电盘和接线进行详细评估，在腐蚀性环境中更是如此，因为腐蚀性环境将大大缩短其使用寿命。

许多系统供应商和集成商设计了I/O适配器模块，以将现有布线连接到新系统。应将此类定制硬件的ROI与上述智能接线盒的ROI进行比较，以做出权衡。

新的I/O技术、智能接线盒和项目执行方法也可以结合使用，以实现现场仪表验证、绑定、配置、测试和文档编制过程的自动化。与传统方法相比，新方法让项目团队将调试时间减少95%以上，此外，还可以减少80%的图纸和90%的布线设计工作。

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用于仪表升级的工程项目协作工具

许多系统供应商为复杂的集成项目提供了工具，使项目团队能够在全球范围内进行协作。

软件环境可以促进仪表升级或DCS迁移项目中的项目执行、系统集成和现场执行。先进的软件工具可以为所有控制系统项目的各个阶段，以及电厂生命周期的启动、运行、维护、扩展/升级带来确定性和信心。

这些工具创建了一个完整的工程环境，具有一个新的数据库结构，可以提供标准化和一致的信息，保持数据完整性，消除设计信息和实际系统之间的不一致和管理变更，并支持系统的生命周期。此外，新工具有助于复用有价值的工程技术，并消除后续项目的重复工作。

如今，仪表和控制系统升级项目团队在硬件、软件和项目管理方法方面拥有众多新技术。智能、可软件配置的I/O，与标准、智能接线盒相结合，可将文档开发减少80%，布线设计减少90%。当MAC和敏捷项目执行方法与全球工程软件工具一起使用时，有助于保持项目完整性，实现变更管理，并降低成本和进度方面的风险。

辅以丰富的经验和技能，这些技术的实施将能在预算范围内、按计划执行项目，并在近期和整个系统生命周期内带来显著的运营改善和出色的投资回报。

编辑：黄飞