DCS控制系統(tǒng)：遷移還是升級？

　　當(dāng)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(dāng)然也可以在兩者之間。

　　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(dāng)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(rèn)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(dāng)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(dāng)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(zé)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(dāng)，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(rèn)為老式系統(tǒng)是安全的，因為它已經(jīng)工作了那么久。當(dāng)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?？蛻魧ψ约贺叫杞鉀Q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(rèn)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(biāo)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dān)責(zé)任。
　　
　　Bennett說道：“我們將工作分解成標(biāo)準(zhǔn)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(zé)幾個條目，嚴(yán)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(rèn)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?、數(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(dāng)?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(dāng)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(jǐn)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(dāng)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(zhǔn)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(jì)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(dāng)?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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)備再使用獨立的平臺。”