DCS控制系统:迁移还是升级?

         最近,一个自动化产品供应商和用户团体的发言人述说了一个很有意思的统计结果。他说道:运行在当今工厂中50%的DCS平台(集散控制系统)都至少有20年的历史了。鉴于这点,不难理解为什么很多人都在考虑控制系统的升级,因为公司正面临着设备老化带来的成本持续增加和竞争的压力。
  
  是否仅仅因为你的控制系统已经有20年的历史,走完了它寿命的一半,就开始考虑更换它呢?这不是必须的,就好比你思考购买一辆1987年的二手车。老化的DCS系统可能仍能完美地完成过程控制,但是就和二手车一样,他需要更多的维护,而且肯定比新型设计缺少一些功能,即使你认为那些新功能并不重要,最终你要面临是很多零件越来越难买到,维护系统变得越来越花钱。
服役时间问题对于升级系统无疑是关键问题,功能问题其实也不容忽视。有些功能可以给你带来增值,但新型系统不一定具有所有这些功能。
  
  控制系统的升级有两个主要原因:系统老化和功能需求。
  
  第一个也是最重要的推动系统更新的原因是系统老化。当一个平台已经失效,而且供应商不再对其提供支持,那么继续使用它的风险是很大的。新更换的硬件也很容易出问题,用户只好靠不断更换零件来苟延残喘,一旦系统的某个零件停产,无法更换,整个过程单元就报废了。
  
  然而,一些工厂经理不得不经历一个艰难的过程。Rockwell Automation公司老式DCS系统升级项目的经理Mike Vernak说道:“仅仅因为老化就更新是很困难的。工厂经理时常对他工厂的工程师说:‘如果系统仍在工作,没有停机,我是不会仅仅因为系统老化就花钱换新系统的。’当然,如果系统停机,ROI很容易计算,但是没有停机,根本无从计算ROI。”
  
  系统老化带来最显著的影响是性能的不可靠。然而,还有一些侧面影响,包括知识结构老化。Vernak补充道:“公司发现为那些有20或者25年历史的老系统维持一个技术团队很困难,特别是OEM厂商,有时根本没有技术人员,可能是由于人员流失或者退休。刚毕业的22岁或者24岁的大学生根本不懂得那些技术。我听到如同‘那个系统比我还老,大学里根本没教过。’之类的话,他们确实不知道如何对付这些设备,如果要对他们重新培训,代价也是很昂贵的。我看到有些公司的工厂中有多种DCS系统和PLC系统,很难想象每年工厂经理为了多种控制系统而维持多个技术团队是多么昂贵。”
  
  第二个系统更新的原因是功能需求。不一定要很老的系统才会缺乏一些很有用的功能。例如,如果系统不具有I/O能力,无法完成HART诊断,就可能不支持资产管理程序。还有可能系统的连通性不足,无法与企业级系统集成。
  
  ABB负责控制系统更新的全球业务开发经理John Murray说道:他的团队对公司升级控制平台的原因进行了调查。“调查结果令我们很惊讶,超过50%的受访者说他们考虑升级系统的原因是为了提升操作人员的效率和优化维护程序。今天,我们看到很多这种例子,人们明白他们应该从何入手,进行改进。这种说法是老生常谈了,但的确是卓有成效。一些例如资产管理、信息管理和数据挖掘之类的解决方案,如果应用得当,确实可以带来很大的优点。那些我们称之为传统控制系统的,不得不添加这些功能。”
  
  Vernak同意这种说法,他补充道:“大多数的用户并不是因为系统老化而更新系统,而是因为系统缺乏某些能力。这并不意味着这个系统已经不能控制这个过程了,它意味着从现有系统无法得到需要的数据,进而导致无法做出更好的决策。”
  
  “因为系统的固有特性,它很难获得数据,或者无法从获得的数据中选择所需信息。这些系统无法和现代IT系统、现代数据归档设备很好地接口。很多无法和专用系统接口,无法完成更高级的过程控制,哪怕完成了,代价也很昂贵。这就是功能缺乏。”
  
  老式的系统是基于孤立的功能而设计,所以网络安全通常涉及不多或者根本没有考虑。Siemens公司市场经理Ken Keiser说道:“很多人错误地认为老式系统是安全的,因为它已经工作了那么久。当最初安装的时候,系统可能是完全孤立的,但是随着时间的推移,可能某些人在某些地方增加了现代的布线,或者将其与数据归档设备连接,而此数据归档设备又刚好与网络相连了。在20年的时间历程里,你永远也无法知晓某些东西将被如何连接。”
明确需求
  
  任何升级的第一步都是明确需求,越细化约好。一些需求很明显,但是还有一些同样重要的需求需要一些分析。老式系统的一个缺点就是你不知道技术已发展到什么程度,你没有选择某种功能的原因也许是因为你根本不知道有这种功能。
  
  Murray说道:“人人都希望提高效益,但是你必须让客户明确他们到底要什么。客户对自己亟需解决的问题的了解越透彻,我们就越能给出更好的解决方案。不管是一个新特性、新功能,或者仅仅为了改进性能而增加一个控制器,一旦他们明确需求,就会对这些改进有一个直观的认识。然后就可以量化经济收益或者成本减少,这为成本估计过程铺平了道路。”
  
  “如果你的目标或者计划十分庞大,那么你一定会有‘我该如何评估这么多费用?’的烦恼。关键是将问题分解,每个人明确自己的问题,共同获得最佳解决方案。”
  
  没有经济评估,计划就不完整。诚然,某些情况是很明显和直接的,例如替换一个很可能失效但是无法修复的老式系统对管理层来说很容易接受,特别当老式系统失效会影响生产的时候。
  
  困难的地方是如何证明系统失效会发生,有时还有更困难的地方。一次升级会带来某些新的功能,而你赋予这次升级的价值,将取决于你说服自己的程度。
  
  Honeywell Process Solutions公司DCS平台升级高级工程师Marjorie Ochsner提供了一些有用的问题,在升级之初,你可以自问:
什么都不做会付出什么,如果做了,你又期望获得什么?
计划外的停机会带来多少损失?
你维护老式系统的实际花费是多少?
通过零件供应商或者e Bay购买替换的零件,花了多少钱?
失当响应会带来多少成本增加?
  
  其次是积极的一面:新系统带来的额外收益是什么?更新的操作效率价值何在?是否你可以应用更先进的控制策略?从现场获得的HART信号有什么价值?Ochsner说道:“我们审视这些问题的答案,然后帮助客户完成详细的分析。”
变化大么?
  
  控制平台的更新可以是小范围的变动,也可以是整体更换。通常,系统越老,变化越大。老式系统集成度更高,而且不具有开放的体系结构,这使得仅仅更换系统的一部分变得很困难。更先进的方法趋向于模块化,允许根据技术的更新做相应的改动。
  
  通常系统更新都从HMI开始,这不仅仅增加了图形处理功能,而且作为数据通道上的主要连接点,HMI为更高层系统提供了接口,并为先进的控制策略提供了实现机制。
  
  Siemens公司的Keiser说道:“对于DCS系统来说,HMI是最先增添的器件,这源自一些内部或者外部的需求。当客户向我们寻求帮助时,通常是因为他们的控制系统有一些特定的问题,有可能是控制器的问题,但更多的是控制器数据可见性的问题,这其实就是HMI的问题。”
  
  Keiser说道,更换一个HMI不困难,也不贵,所以作为系统升级的第一步是相对合适的。他说道:“虽然有了新的外观和感觉,但是具体的设备是不变的,过程自然也没有变化,过程控制没有变化,所以,所有的设备、知识和技术都保持不变。”
  
  某些情况下,升级可能包括使用来自于同一个供应商的新型系统。其他时候,变化可能更大,老式系统转移到了完全不同的平台。
  
  ABB控制系统升级全球商务发展经理Mark Bitto说道:“当问题已经迫在眉睫,系统无法满足商务需求,更激进的解决方案往往是唯一的方案。但即使那样,你也应该考虑是否可以节省开支。受否可以保持布线不变?是否可以保持端子不变?是否有什么方法可以减少开支?”
  
  整体更换在很多方面都会带来副作用,必须审慎采用。
  
  Keiser说道:“如果客户不想再采用逐步更新的方式,那必然有原因。他们会说:‘我们不再采购这个供应商的东西了,我们需要其他的方法。’我可以想象,这个客户曾经考虑过采取循序渐进的更新方式,但考虑得越多,他越发现自己不得不迈一大步。小公司更有可能采取这样的方式,大型的化学公司却不是,他们更喜欢低风险的方法。”
  专用I/O卡可以安装到老式系统上,提供新平台的连通性。这种方法可以保留已有布线,又可以加快更新过程。
避免停机
 
  然而,更新的程度可能受制约于对工厂产量的要求。全面更换必然带来停机时间,计划内和计划外的,而逐步的更新可以降低这种风险。
  
  Honeywell公司的Ochsner建议道:“在做升级的时候,关断一个过程通常比维持它正常运行更昂贵。所以大多数时候,客户以单元或者控制器为单位做系统更新,维持系统网络和其他基础结构不变,以确保平滑过渡。”她补充道:“这种方法从上至下,先替换HMI,然后是网络,然后是控制器。”
计划、执行升级
  
  一旦你决定采取某种特定的方法,那就要开始明确细节了。Oschsner建议道:“第一步总归是计划,你必须明确你有什么,将面对什么。”
 
  Honeywell最先关注的是文档状态,Oschsner说道:“很可惜,文档状态通常都不乐观,我们需要精确完整的文档,细致到现场每一个控制器编号和I/O编号。”
  
  Invensys Process Systems公司的系统升级顾问Graham Bennett有很多项目经验,建议与用户分担责任。
  
  Bennett说道:“我们将工作分解成标准流程,包括预升级、升级、后续工作。我们任务条目不会造成遗留问题,每个人负责几个条目,严格执行。其中一件事就是确保任何第三方协议的功能性。”
  
  经过仔细思考和认证执行的升级项目所带来最终收益是巨大的。可以对控制能力、数据挖掘、操作员接口、给料使用、产品质量和其他很多方面带来提升。但是所有这些都依赖于你对过程的了解程度,加上有效的分析和计划。
  
采矿/化工业的历史做法:结合迥异系统
 
  Teck Cominco是加拿大Vancouver的一家大型矿业、金属和化学公司,其英属哥伦比亚中部的Trail工厂是世界最大的锌和铅熔炼和精炼厂,包括Waneta水坝和传输系统。Trail的冶金厂生产精炼锌和铅,还有其他多种金属、化学品和肥料产品。Waneta大坝为工厂、当地用户和美国提供电能。
  
  Rob Zwick从事过程控作工作,他做了诸多努力,旨在将全公司设施移植到统一平台上。正如他描述:“我们拥有5家工厂,5种平台:ABB、Fisher Provox、Honeywell TDC 2000、 Foxboro和PLC/Wonderware。我们一直努力做的一件事情就是努力将Foxboro[Invensys Process System公司的I/A系列控制系统]变成一个统一平台。”
  
  Zwick说道:“我们弃用了Honeywell和Fisher Provox,到今年年底,Foxboro系统将处理我们75%的I/O工作。我们所有的工厂都将使用统一的平台,使用来自Foxboro的硬件和软件。”
  
  维护和培训问题是驱使我们统一平台的主要动力。老式平台的零部件难以获取也是一个原因,可能由此导致的非预期停机,无疑给公司带来风险。当然,生产不能停止,这一压力也让我们的平台升级工作并不轻松。
  
  Zwick指出:“我们现在正在做第四次升级,我们的工厂一天24小时一周7天满负荷运转,所有的工厂都紧密相连,所以我们要十分谨慎地在工厂中选择停机的时机。我们每个月都有几个小时的停机维护时间,我们尽量能在这些时间里完成升级。”
决定
  
  在评价阶段,Zwick和他的同事考虑多种可能性,并得到了有趣的结论。他反映到:“平台间的功能特性已经很难区分,所以,在技术层面上评价DCS的优劣实际上是很困难的。”
  
  所有的公司都在努力改进和现代化其硬件和软件。Zwick说道:“Foxboro公司在加拿大矿业和金属业有着丰富的经验,其他公司就差一点。然而其他公司可能在石油和天然气的领域有更大的份额,我感觉平台之间的区别更多来自于历史遗留问题,而不是功能特性问题。”
老式连接
  
  Foxboro公司的专用I/O卡提供了老式系统和新型系统之间的接口,这帮助完成了系统升级。Invensys Process Systems公司的升级顾问Graham Bennett描述了其方法:
  
  他说:“我们保留了所有的现场布线,包括集线机柜,以及集线机柜和老供应商的I/O相连的电缆。我们将连接断开,使用新的接口卡一块一块更换,当然这些接口卡是按照老供应商产品的规格设计的。”
  
  Bennett补充道:“由于是一个一个的顺序,没有必要改变外型尺寸,每一个现场的I/O端点都与原来的I/O卡排列在一起。”
  
  Zwick已经准备好了进行下一次升级。他说道:“这次是个大工程,我们有12个小时,完成4000个I/O端点的改造,分秒必争,每一个小时停产意味着$100,000的损失。”
 
市政设施公司的历史遗留问题:选择正确的工具
  
  Colorado Springs Utilities是市政设施集团,为居民和商户提供电力、天然气、水和废水处理服务。电站分公司有一小部分火力发电厂、多家风力发电厂、还有燃气涡轮发电厂。它还运营着54 MW 的George Birdsall工厂,有传统的燃气发电锅炉,拥有12小时的紧急状态储备和峰值容量。
  
  Birdsall工厂建于19世纪50年代中期,还保留着原来的锅炉和涡轮。因此,他缺乏新型工厂的高效,由于成本原因不再作为基荷容量。然而,由于当地不断增加的电能需求,它每年的工作时间都在增加。Brent Richardson是工厂经理,近期着手控制系统升级工作。
  
  此工厂自从1991年就使用Rosemount RS3 DCS,当他得知此平台的OEM支持只剩下10年,他决定寻求替代方案。考虑到Birdsall规模不大,I/O端点少于150个,而且使用较简单的控制策略,Richardson和他的同事决定寻找多个选择。
  
  Richardson说道:“因为DCS的效率和速度,我们对DCS很熟悉也很满意,所以,我们起初在寻找DCS平台,包括Delta V。我们Ray Nixon发电厂有一套ABB系统,所以我们将其考虑在内。我们也参考了自来水厂的经验,它所有的过程控制都由Allen-Bradley ControLogix PLC完成。当我们关注新型基于PLC的系统的效率和速度时,我们发现实际上它比我们现在正在使用的控制设备快10倍。”
  
  使用和自来水厂相同的系统的想法很吸引人,它可以作为系统升级的原型论证,之后4年还可以应用于水利发电厂。
  
  Richardson补充道:“有很多系统可以完成这个工作,我们希望这个系统可以控制所有的工厂,包括水电厂。PLC系统能满足需要,可以和我们其他所有的工厂整合。当我将其应用于我的系统内,我对采用自来水厂的ControLogix 平台的这个想法更加确定,因为它们都是标准化设备,我可以使用它们的资源,包括5到6名经验丰富的I&C技师甚至还有备用零件。这些资源会带给我们巨大的价值,因此我不准备再使用独立的平台。” 

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