作者 |?Kevin Finnan

儀表和控制系統(tǒng)運(yùn)行人員正在著手應(yīng)對日益老化的工業(yè)設(shè)備，這些設(shè)備使其無法充分利用現(xiàn)代技術(shù)優(yōu)勢，如獲得實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)的。我們的溝通、信息交流、收集數(shù)據(jù)、分析和報(bào)告的方式已經(jīng)經(jīng)歷了許多變化。現(xiàn)在，這個(gè)步伐正在加快。企業(yè)的經(jīng)營者們開始思考，是該更新技術(shù)，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(yùn)行是工廠管理面臨的一大挑戰(zhàn)。工廠的經(jīng)營者往往面臨各種各樣與老化相關(guān)的問題，如傳感器未校準(zhǔn)、脈沖線堵塞、虛假停機(jī)、閥門卡塞和執(zhí)行器故障等。其結(jié)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(zhuǎn)型的推進(jìn)，老化的儀表和控制系統(tǒng)可能會(huì)出問題。舊平臺(tái)不僅無法提供數(shù)字化轉(zhuǎn)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(jìn)行通信。此外，由于現(xiàn)在沒有一個(gè)系統(tǒng)是通過隱蔽來實(shí)現(xiàn)安全的，因此它可能會(huì)帶來網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)。

制造企業(yè)在考慮儀表和控制系統(tǒng)現(xiàn)代化時(shí)都需要考慮哪些問題呢？建議仔細(xì)思考如下幾個(gè)問題（如圖1所示）例如，繼續(xù)運(yùn)營和維護(hù)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(yán)重的是，繼續(xù)運(yùn)行現(xiàn)有系統(tǒng)，是否可以確保安全？

▲圖1：邊緣應(yīng)用最好建立在硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的成熟平臺(tái)上，這樣用戶可以輕松連接眾多OT設(shè)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(xiàng)目通常被視為基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)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(shí)忽略所連接設(shè)備的其它風(fēng)險(xiǎn)或問題，這些設(shè)備也可能是過時(shí)的。許多管理者將現(xiàn)代改造化項(xiàng)目視為純粹的防御性舉措。主要目標(biāo)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(jié)果是改造現(xiàn)狀，這種“以點(diǎn)帶面”的方法可能會(huì)成功。許多項(xiàng)目都是按照這一原則設(shè)計(jì)的。該方法的問題是錯(cuò)失重大機(jī)會(huì)。這可能再次阻礙數(shù)字化轉(zhuǎn)型，并帶來網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)。也可能會(huì)使未來的技術(shù)升級或向開放體系結(jié)構(gòu)過渡變得更困難。

實(shí)施此類項(xiàng)目是一項(xiàng)重要的工作，只有經(jīng)過精心規(guī)劃才能取得成功，因?yàn)轫?xiàng)目失敗帶來的后果會(huì)很嚴(yán)重。成本可能失控，生產(chǎn)可能中斷。配置不當(dāng)?shù)南到y(tǒng)或儀器，可能會(huì)在控制過程中出問題。另一方面，如果規(guī)劃得當(dāng)，現(xiàn)代化改造項(xiàng)目甚至是大規(guī)模系統(tǒng)的遷移，都可以在預(yù)算內(nèi)按時(shí)分階段進(jìn)行，從而顯著改善運(yùn)營。

02

推動(dòng)實(shí)施現(xiàn)代化的三大因素

值得注意的是，20世紀(jì)70年代和80年代設(shè)計(jì)和安裝的許多DCS平臺(tái)，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(shè)備需要升級，或者可能需要完全遷移到新DCS并使工廠實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化。

過時(shí)的系統(tǒng)；是什么推動(dòng)了工廠的現(xiàn)代化？以下三個(gè)挑戰(zhàn)是實(shí)施工廠現(xiàn)代化改造項(xiàng)目的主要推動(dòng)力：

■?過時(shí)的系統(tǒng)；

■?合規(guī)性：健康、安全和環(huán)境（HSE）問題；

■?數(shù)字化轉(zhuǎn)型/向卓越運(yùn)營轉(zhuǎn)型。

01

過時(shí)系統(tǒng)的困境

用老化的儀表和控制系統(tǒng)來運(yùn)營工廠，會(huì)給運(yùn)行人員和生產(chǎn)過程帶來一些潛在問題。除了前面提到的與年齡相關(guān)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(yīng)。舊的控制系統(tǒng)平臺(tái)和儀表，增加了故障和生產(chǎn)中斷的風(fēng)險(xiǎn)。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(tuán)的相關(guān)研究顯示，自動(dòng)化系統(tǒng)的故障率數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確，支持信息所提供的實(shí)際故障率范圍很寬。在很多工廠中，用戶確實(shí)會(huì)跟蹤故障，但故障分析不足以幫助準(zhǔn)確預(yù)測壽期結(jié)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(gè)有效的分析”的問題就會(huì)產(chǎn)生。對于許多自動(dòng)化系統(tǒng)而言，沿x軸的時(shí)間最終會(huì)落在15到50年之間。在確定資產(chǎn)壽命終止時(shí)缺乏準(zhǔn)確性，使得圍繞這一重要領(lǐng)域的決策變得異常困難。

▲圖2: “浴缸曲線”風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)（藍(lán)色實(shí)線）是早期風(fēng)險(xiǎn)故障（紅色虛線）和損耗故障風(fēng)險(xiǎn)（黃色虛線）的組合，加上一些隨機(jī)故障的持續(xù)風(fēng)險(xiǎn)（綠色實(shí)線）。該曲線在可靠性工程中被廣泛使用，描述了危險(xiǎn)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(dāng)今的工業(yè)制造運(yùn)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(yù)防措施后，原本認(rèn)為已經(jīng)足夠了，但許多設(shè)施仍繼續(xù)發(fā)生事故。

在過去25年多的時(shí)間里，過程工業(yè)見證了過程安全標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展。這些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)旨在提供指導(dǎo)和最佳實(shí)踐，以管理與化學(xué)品、碳?xì)浠衔锖推渌ｋU(xiǎn)材料的制造和處理相關(guān)的固有風(fēng)險(xiǎn)。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(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》。現(xiàn)在，該標(biāo)準(zhǔn)是全球設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)營和維護(hù)安全儀表系統(tǒng)工作過程的主要驅(qū)動(dòng)力。

▲圖3: 儀表控制系統(tǒng)現(xiàn)代化的三大驅(qū)動(dòng)因素

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數(shù)字化轉(zhuǎn)型/向卓越運(yùn)營轉(zhuǎn)型

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

03

推動(dòng)工廠實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的新機(jī)遇

提升功能是工廠實(shí)施最新技術(shù)和創(chuàng)新能力的概念，可以應(yīng)對特定行業(yè)中與技術(shù)相關(guān)的各種挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對未來的這些挑戰(zhàn)，可能需要新技術(shù)或創(chuàng)新。如果儀表和系統(tǒng)的安裝基礎(chǔ)無法支持新技術(shù)，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(tái)”可能會(huì)推動(dòng)工廠實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化。

▲圖4: 典型的工廠和設(shè)備的生命周期

01

網(wǎng)絡(luò)安全

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

現(xiàn)代系統(tǒng)支持新的網(wǎng)絡(luò)安全方法，這些與工業(yè)資產(chǎn)保險(xiǎn)、HSE和災(zāi)難恢復(fù)策略的一致性，通常會(huì)導(dǎo)致超過預(yù)算周期。網(wǎng)絡(luò)安全戰(zhàn)略已從需要解決的問題轉(zhuǎn)變?yōu)樾枰芾淼娘L(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)企業(yè)以這種方式看待網(wǎng)絡(luò)安全時(shí)，就消除了神秘感，成為管理層可以采取行動(dòng)的問題。

新儀表控制系統(tǒng)適應(yīng)不斷發(fā)展、威脅不斷變化的網(wǎng)絡(luò)安全形勢。管理層不需要再為技術(shù)問題分心，從而可以專注于應(yīng)對風(fēng)險(xiǎn)。

02

不斷發(fā)展的勞動(dòng)力

對于過程工業(yè)來說，尋找經(jīng)驗(yàn)豐富的人員已經(jīng)是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。一家大型煉油公司的高管表示，當(dāng)大量運(yùn)行人員退休時(shí)，公司可能會(huì)失去多年的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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

03

控制室的設(shè)計(jì)

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

04

模塊化的流程自動(dòng)化

部署模塊化的流程自動(dòng)化（MPA） 的好處比人們想象的要多得多。MPA將標(biāo)準(zhǔn)操作程序數(shù)字化，這對實(shí)現(xiàn)安全和提高效率至關(guān)重要。MPA有助于確保在過程中，保留經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)行人員的專業(yè)知識(shí)，并為新運(yùn)行人員提供更多了解過程的機(jī)會(huì)。完成的關(guān)鍵績效指標(biāo)，可能包括大幅減少運(yùn)行人員操作的次數(shù)、每個(gè)運(yùn)行人員處理的報(bào)警數(shù)量以及過程過渡期間的穩(wěn)定時(shí)間。

此外，數(shù)字化程序可以用數(shù)字孿生作為補(bǔ)充。數(shù)字孿生實(shí)時(shí)模擬運(yùn)行人員，并結(jié)合了對過程、標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行人員性能，還可以提高質(zhì)量、安全性、過程正常運(yùn)行時(shí)間和過程性能。

在過程控制系統(tǒng)中大量使用手動(dòng)運(yùn)行程序的公司，也可以使用數(shù)字孿生作為從半自動(dòng)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(jié)合使用，從而可以為現(xiàn)代化改造項(xiàng)目提供靈活性。

05

人機(jī)界面

安全高效的運(yùn)營，取決于在工況達(dá)到不安全或不期望的生產(chǎn)條件之前，運(yùn)行人員快速識(shí)別潛在工藝偏差的能力。

現(xiàn)代人機(jī)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(biāo)準(zhǔn)化的符號(hào)庫。現(xiàn)代HMI支持當(dāng)今移動(dòng)設(shè)備用戶所期望的功能，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）功能，這些功能增強(qiáng)了運(yùn)營人員的體驗(yàn)。

今天的系統(tǒng)還完全支持自主遠(yuǎn)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(shù)人員已經(jīng)不是必須出現(xiàn)在現(xiàn)場。

06

操作員培訓(xùn)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(yùn)行人員，趁早培訓(xùn)新操作員，讓經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員成功傳授知識(shí)變得至關(guān)重要。

現(xiàn)在的過程模擬器通過描述實(shí)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(yùn)行人員響應(yīng)的質(zhì)量，并提高了對過程混亂和事件所采取行動(dòng)的及時(shí)性。如果數(shù)字孿生與操作員培訓(xùn)系統(tǒng)一起使用，則可以根據(jù)實(shí)際事件定期更新。

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報(bào)警管理

現(xiàn)代改造化項(xiàng)目通常為提高報(bào)警管理質(zhì)量和效率提供了絕佳機(jī)會(huì)。報(bào)警管理和報(bào)警系統(tǒng)合理化，可以大大減少運(yùn)行人員必須做出響應(yīng)的報(bào)警數(shù)量。預(yù)防運(yùn)行人員信息過載，確保他們對重要報(bào)警做出適當(dāng)和及時(shí)的反應(yīng)。

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協(xié)作移動(dòng)機(jī)器人

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

先進(jìn)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(shù)注入架構(gòu)變得更容易。最終用戶可以用可靠的投資回報(bào)跟蹤記錄，來證明先進(jìn)過程控制（APC）的合理性。

▲圖5：MPA將所有運(yùn)營商的最佳程序合并為最佳實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)控制之下，APC是合乎邏輯的下一步。很多設(shè)施都實(shí)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(jīng)學(xué)會(huì)了如何取得可靠的結(jié)果。

多變量控制（MVC）是APC平臺(tái)的關(guān)鍵部分。它實(shí)現(xiàn)了最佳的過程穩(wěn)定性，并提高了生產(chǎn)率。MVC通過使用過程動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行預(yù)測控制來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，事實(shí)證明，這些模型可以提高產(chǎn)量，節(jié)省能源并減少質(zhì)量浪費(fèi)。

如今，更加用戶友好的先進(jìn)控制和實(shí)時(shí)優(yōu)化工具，在保持盈利、競爭性運(yùn)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(diǎn)，例如：提高過程產(chǎn)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(shù)進(jìn)步的步伐不斷加快，工廠經(jīng)營者發(fā)現(xiàn)維護(hù)老化或過時(shí)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(yùn)行得更可靠，持續(xù)時(shí)間也比預(yù)期長，但現(xiàn)在它們帶來了太多的風(fēng)險(xiǎn)。這不僅包括網(wǎng)絡(luò)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?jǐn)?shù)字化轉(zhuǎn)型和滿足不斷發(fā)展的勞動(dòng)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(jìn)過程控制（APC）等技術(shù)，那么由此產(chǎn)生的運(yùn)營改進(jìn)可以用來證明成本的合理性。

關(guān)鍵概念：?

■ 實(shí)現(xiàn)儀表和控制系統(tǒng)現(xiàn)代化的項(xiàng)目通常被視為基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。

■?實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的三個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是過時(shí)的系統(tǒng)、合規(guī)性和數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

■?先進(jìn)過程控制系統(tǒng)是一種經(jīng)證實(shí)的技術(shù)， 最終用戶可以獲得滿意的投資回報(bào)率。

編輯：黃飛