作者 |?Kevin Finnan

儀表和控制系統(tǒng)運行人員正在著手應對日益老化的工業(yè)設備，這些設備使其無法充分利用現(xiàn)代技術優(yōu)勢，如獲得實時信息，從而影響其做出更好的決策。

在今天的商業(yè)世界，需求是動態(tài)的。我們的溝通、信息交流、收集數(shù)據(jù)、分析和報告的方式已經經歷了許多變化。現(xiàn)在，這個步伐正在加快。企業(yè)的經營者們開始思考，是該更新技術，還是面對落后所帶來的的后果？

使用老化的儀表和控制系統(tǒng)運行是工廠管理面臨的一大挑戰(zhàn)。工廠的經營者往往面臨各種各樣與老化相關的問題，如傳感器未校準、脈沖線堵塞、虛假停機、閥門卡塞和執(zhí)行器故障等。其結果是系統(tǒng)的可靠性不足，工廠安全受到威脅。

此外，隨著公司數(shù)字化轉型的推進，老化的儀表和控制系統(tǒng)可能會出問題。舊平臺不僅無法提供數(shù)字化轉型企業(yè)所期望的更多數(shù)據(jù)，在新商業(yè)環(huán)境中甚至可能無法進行通信。此外，由于現(xiàn)在沒有一個系統(tǒng)是通過隱蔽來實現(xiàn)安全的，因此它可能會帶來網絡安全風險。

制造企業(yè)在考慮儀表和控制系統(tǒng)現(xiàn)代化時都需要考慮哪些問題呢？建議仔細思考如下幾個問題（如圖1所示）例如，繼續(xù)運營和維護老化的系統(tǒng)是否值得？新系統(tǒng)的好處和附加值是什么？更嚴重的是，繼續(xù)運行現(xiàn)有系統(tǒng)，是否可以確保安全？

▲圖1：邊緣應用最好建立在硬件、軟件和網絡產品的成熟平臺上，這樣用戶可以輕松連接眾多OT設備和系統(tǒng)，并將其與IT資源無縫連接。

01

儀表和控制系統(tǒng)現(xiàn)代化的挑戰(zhàn)

儀表控制系統(tǒng)現(xiàn)代化改造項目通常被視為基礎設施項目。一種趨勢是簡單地確定分布式控制系統(tǒng)（DCS）的范圍，同時忽略所連接設備的其它風險或問題，這些設備也可能是過時的。許多管理者將現(xiàn)代改造化項目視為純粹的防御性舉措。主要目標是克服舊系統(tǒng)或儀表的缺陷，但在其它方面保持裝置或工廠的原樣。

如果唯一期望的結果是改造現(xiàn)狀，這種“以點帶面”的方法可能會成功。許多項目都是按照這一原則設計的。該方法的問題是錯失重大機會。這可能再次阻礙數(shù)字化轉型，并帶來網絡安全風險。也可能會使未來的技術升級或向開放體系結構過渡變得更困難。

實施此類項目是一項重要的工作，只有經過精心規(guī)劃才能取得成功，因為項目失敗帶來的后果會很嚴重。成本可能失控，生產可能中斷。配置不當?shù)南到y(tǒng)或儀器，可能會在控制過程中出問題。另一方面，如果規(guī)劃得當，現(xiàn)代化改造項目甚至是大規(guī)模系統(tǒng)的遷移，都可以在預算內按時分階段進行，從而顯著改善運營。

02

推動實施現(xiàn)代化的三大因素

值得注意的是，20世紀70年代和80年代設計和安裝的許多DCS平臺，都具有較長的壽命。不幸的是，這些系統(tǒng)正在逐步老化。在很多情況下，許多設備需要升級，或者可能需要完全遷移到新DCS并使工廠實現(xiàn)現(xiàn)代化。

過時的系統(tǒng)；是什么推動了工廠的現(xiàn)代化？以下三個挑戰(zhàn)是實施工廠現(xiàn)代化改造項目的主要推動力：

■?過時的系統(tǒng)；

■?合規(guī)性：健康、安全和環(huán)境（HSE）問題；

■?數(shù)字化轉型/向卓越運營轉型。

01

過時系統(tǒng)的困境

用老化的儀表和控制系統(tǒng)來運營工廠，會給運行人員和生產過程帶來一些潛在問題。除了前面提到的與年齡相關的問題外，大多數(shù)控制系統(tǒng)的文件，包括工藝和儀表圖（P&ID）、控制說明、策略以及控制系統(tǒng)利用率，可能都不是最新的。此外，企業(yè)還可能缺乏完整的備件庫存，部分零件已不再供應。舊的控制系統(tǒng)平臺和儀表，增加了故障和生產中斷的風險。它們也缺乏新系統(tǒng)具備的很多功能，也就無法用其來提高工廠的性能。

ARC咨詢集團的相關研究顯示，自動化系統(tǒng)的故障率數(shù)據(jù)并不準確，支持信息所提供的實際故障率范圍很寬。在很多工廠中，用戶確實會跟蹤故障，但故障分析不足以幫助準確預測壽期結束。通過觀察NASA提出的“浴缸曲線”理論圖（請參考圖2），“這是否是一個有效的分析”的問題就會產生。對于許多自動化系統(tǒng)而言，沿x軸的時間最終會落在15到50年之間。在確定資產壽命終止時缺乏準確性，使得圍繞這一重要領域的決策變得異常困難。

▲圖2: “浴缸曲線”風險函數(shù)（藍色實線）是早期風險故障（紅色虛線）和損耗故障風險（黃色虛線）的組合，加上一些隨機故障的持續(xù)風險（綠色實線）。該曲線在可靠性工程中被廣泛使用，描述了危險函數(shù)的一種特殊形式。

02

合規(guī)性：健康、安全和環(huán)境（HSE）問題

在當今的工業(yè)制造運營中，人們越來越重視健康、安全和環(huán)境。但不幸的是，即使安裝了安全系統(tǒng)和其它預防措施后，原本認為已經足夠了，但許多設施仍繼續(xù)發(fā)生事故。

在過去25年多的時間里，過程工業(yè)見證了過程安全標準的不斷發(fā)展。這些行業(yè)標準旨在提供指導和最佳實踐，以管理與化學品、碳氫化合物和其它危險材料的制造和處理相關的固有風險。2018年，北美版和國際版本合并，創(chuàng)建了ANSI/ISA-61511-2018/IEC 61511:2016《過程工業(yè)領域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》。現(xiàn)在，該標準是全球設計、實施、運營和維護安全儀表系統(tǒng)工作過程的主要驅動力。

▲圖3: 儀表控制系統(tǒng)現(xiàn)代化的三大驅動因素

03

數(shù)字化轉型/向卓越運營轉型

根據(jù)ARC咨詢集團的說法，對于許多工廠業(yè)主來說，僅僅是陳舊過時，并不能證明實施大型資本升級項目是合理的。相反，提升功能和系統(tǒng)性能以提高運營的卓越性，是影響融資決策的主要標準。

03

推動工廠實現(xiàn)現(xiàn)代化的新機遇

提升功能是工廠實施最新技術和創(chuàng)新能力的概念，可以應對特定行業(yè)中與技術相關的各種挑戰(zhàn)。為了應對未來的這些挑戰(zhàn)，可能需要新技術或創(chuàng)新。如果儀表和系統(tǒng)的安裝基礎無法支持新技術，則可能需要升級甚至完全將其更換。在這種情況下，這些“未來平臺”可能會推動工廠實現(xiàn)現(xiàn)代化。

▲圖4: 典型的工廠和設備的生命周期

01

網絡安全

控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，使組織能夠長期保護設備和控制策略方面的投資。然而，幾十年前的控制器與當前技術的接口，也使該設備容易受到間接攻擊。所有這些系統(tǒng)都有一個共同點：它們在獲得支持方面存在差距。這使其比當代系統(tǒng)更脆弱。

現(xiàn)代系統(tǒng)支持新的網絡安全方法，這些與工業(yè)資產保險、HSE和災難恢復策略的一致性，通常會導致超過預算周期。網絡安全戰(zhàn)略已從需要解決的問題轉變?yōu)樾枰芾淼娘L險。當企業(yè)以這種方式看待網絡安全時，就消除了神秘感，成為管理層可以采取行動的問題。

新儀表控制系統(tǒng)適應不斷發(fā)展、威脅不斷變化的網絡安全形勢。管理層不需要再為技術問題分心，從而可以專注于應對風險。

02

不斷發(fā)展的勞動力

對于過程工業(yè)來說，尋找經驗豐富的人員已經是一項重大挑戰(zhàn)。一家大型煉油公司的高管表示，當大量運行人員退休時，公司可能會失去多年的寶貴經驗。

研究表明，造成計劃外停機的最大原因是操作失誤或人為失誤，占到過程工業(yè)計劃外停機總數(shù)的42%。然而，有一些方法可以幫助運行人員在壓力增加時做出最佳決策，例如在啟動、過渡或出現(xiàn)異常情況時。隨著對人身安全、績效管理、持續(xù)改進和培訓的日益重視，公司正在對員工進行投資，并渴望應用新興技術。

03

控制室的設計

設計合理的控制室會讓人感到放松和安全。因此，運行人員和管理人員可以完全專注于工廠的運營和穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)可用性的改進，加快了各部門之間的通信，從而優(yōu)化了總體運營。

04

模塊化的流程自動化

部署模塊化的流程自動化（MPA） 的好處比人們想象的要多得多。MPA將標準操作程序數(shù)字化，這對實現(xiàn)安全和提高效率至關重要。MPA有助于確保在過程中，保留經驗豐富的運行人員的專業(yè)知識，并為新運行人員提供更多了解過程的機會。完成的關鍵績效指標，可能包括大幅減少運行人員操作的次數(shù)、每個運行人員處理的報警數(shù)量以及過程過渡期間的穩(wěn)定時間。

此外，數(shù)字化程序可以用數(shù)字孿生作為補充。數(shù)字孿生實時模擬運行人員，并結合了對過程、標準操作程序和多種情況下人類行為的深入了解。高級決策支持允許測試“如果”和“什么是最好的”場景，以確定可用的策略，這些策略不僅可以提高運行人員性能，還可以提高質量、安全性、過程正常運行時間和過程性能。

在過程控制系統(tǒng)中大量使用手動運行程序的公司，也可以使用數(shù)字孿生作為從半自動操作到完全自主操作的過渡。由于MPA解決方案可與現(xiàn)有系統(tǒng)結合使用，從而可以為現(xiàn)代化改造項目提供靈活性。

05

人機界面

安全高效的運營，取決于在工況達到不安全或不期望的生產條件之前，運行人員快速識別潛在工藝偏差的能力。

現(xiàn)代人機界面（HMI）符合異常情況管理（ASM）聯(lián)盟的建議，包括用于澄清過程操作的標準化的符號庫。現(xiàn)代HMI支持當今移動設備用戶所期望的功能，如增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實（AR/VR）功能，這些功能增強了運營人員的體驗。

今天的系統(tǒng)還完全支持自主遠程操作。盡管在COVID-19爆發(fā)之前大部分功能都可用，但疫情加速了最終用戶的接受。在現(xiàn)代制造業(yè)中，操作員和技術人員已經不是必須出現(xiàn)在現(xiàn)場。

06

操作員培訓系統(tǒng)

鑒于許多操作員退休所帶來的挑戰(zhàn)，特別是那些熟悉高效和安全操作的運行人員，趁早培訓新操作員，讓經驗豐富的操作員成功傳授知識變得至關重要。

現(xiàn)在的過程模擬器通過描述實際的過程操作（包括問題和異常場景）提供了出色的解決方案。模擬器提高了運行人員響應的質量，并提高了對過程混亂和事件所采取行動的及時性。如果數(shù)字孿生與操作員培訓系統(tǒng)一起使用，則可以根據(jù)實際事件定期更新。

07

報警管理

現(xiàn)代改造化項目通常為提高報警管理質量和效率提供了絕佳機會。報警管理和報警系統(tǒng)合理化，可以大大減少運行人員必須做出響應的報警數(shù)量。預防運行人員信息過載，確保他們對重要報警做出適當和及時的反應。

08

協(xié)作移動機器人

盡管取得了這些進展，制造商仍然面臨著人員配置方面的困難。與此同時，對員工福利和人身安全的擔憂也在增加。協(xié)作移動機器人是一種新興的解決方案。機器人可以代替人類操作員或技術人員，冒險進入危險區(qū)域進行檢查。無人機可以在存在高危工況的環(huán)境進行操作。現(xiàn)在的視聽和傳感技術可以模仿人類的感知，使機器人變得更有效。

先進過程控制的優(yōu)勢現(xiàn)代系統(tǒng)使將人工智能和數(shù)字孿生等新技術注入架構變得更容易。最終用戶可以用可靠的投資回報跟蹤記錄，來證明先進過程控制（APC）的合理性。

▲圖5：MPA將所有運營商的最佳程序合并為最佳實踐標準操作程序。

到目前為止，由于世界上幾乎所有的工業(yè)過程都處于自動控制之下，APC是合乎邏輯的下一步。很多設施都實施了APC，而且取得了不同程度的成功。現(xiàn)在，APC主題專家已經學會了如何取得可靠的結果。

多變量控制（MVC）是APC平臺的關鍵部分。它實現(xiàn)了最佳的過程穩(wěn)定性，并提高了生產率。MVC通過使用過程動態(tài)模型進行預測控制來實現(xiàn)這一目標，事實證明，這些模型可以提高產量，節(jié)省能源并減少質量浪費。

如今，更加用戶友好的先進控制和實時優(yōu)化工具，在保持盈利、競爭性運營方面發(fā)揮著更大的作用。APC解決方案為過程裝置帶來了諸多優(yōu)點，例如：提高過程產量；提高吞吐量；降低能耗以及提高過程穩(wěn)定性。

04

升級系統(tǒng)的好處

由于技術進步的步伐不斷加快，工廠經營者發(fā)現(xiàn)維護老化或過時的儀表和控制系統(tǒng)變得更加困難。盡管其中很多系統(tǒng)運行得更可靠，持續(xù)時間也比預期長，但現(xiàn)在它們帶來了太多的風險。這不僅包括網絡安全，還包括HSE問題以及可持續(xù)性方面的新期望。

新的需求，如支持數(shù)字化轉型和滿足不斷發(fā)展的勞動力新需求的舉措，使管理層能證明對儀表控制系統(tǒng)現(xiàn)代化的投資是合理的。如果新系統(tǒng)能夠部署先進過程控制（APC）等技術，那么由此產生的運營改進可以用來證明成本的合理性。

關鍵概念：?

■ 實現(xiàn)儀表和控制系統(tǒng)現(xiàn)代化的項目通常被視為基礎設施項目。

■?實現(xiàn)現(xiàn)代化的三個驅動因素是過時的系統(tǒng)、合規(guī)性和數(shù)字化轉型。

■?先進過程控制系統(tǒng)是一種經證實的技術， 最終用戶可以獲得滿意的投資回報率。

編輯：黃飛