DCS控制系統：遷移還是升級？

　　當過(guò)程控制平臺需要升級時(shí)，用戶(hù)比從前有更多的選擇，可以增加器件，也可以系統級的更新，當然也可以在兩者之間。

　　最近，一個(gè)自動(dòng)化產(chǎn)品供應商和用戶(hù)團體的發(fā)言人述說(shuō)了一個(gè)很有意思的統計結果。他說(shuō)道：運行在當今工廠(chǎng)中50%的DCS平臺（集散控制系統）都至少有20年的歷史了。鑒于這點(diǎn)，不難理解為什么很多人都在考慮控制系統的升級，因為公司正面臨著(zhù)設備老化帶來(lái)的成本持續增加和競爭的壓力。
　　
　　是否僅僅因為你的控制系統已經(jīng)有20年的歷史，走完了它壽命的一半，就開(kāi)始考慮更換它呢？這不是必須的，就好比你思考購買(mǎi)一輛1987年的二手車(chē)。老化的DCS系統可能仍能完美地完成過(guò)程控制，但是就和二手車(chē)一樣，他需要更多的維護，而且肯定比新型設計缺少一些功能，即使你認為那些新功能并不重要，最終你要面臨是很多零件越來(lái)越難買(mǎi)到，維護系統變得越來(lái)越花錢(qián)。

　　服役時(shí)間問(wèn)題對于升級系統無(wú)疑是關(guān)鍵問(wèn)題，功能問(wèn)題其實(shí)也不容忽視。有些功能可以給你帶來(lái)增值，但新型系統不一定具有所有這些功能。
　　
　　控制系統的升級有兩個(gè)主要原因：系統老化和功能需求。
　　
　　第一個(gè)也是最重要的推動(dòng)系統更新的原因是系統老化。當一個(gè)平臺已經(jīng)失效，而且供應商不再對其提供支持，那么繼續使用它的風(fēng)險是很大的。新更換的硬件也很容易出問(wèn)題，用戶(hù)只好靠不斷更換零件來(lái)茍延殘喘，一旦系統的某個(gè)零件停產(chǎn)，無(wú)法更換，整個(gè)過(guò)程單元就報廢了。
　　
　　然而，一些工廠(chǎng)經(jīng)理不得不經(jīng)歷一個(gè)艱難的過(guò)程。Rockwell Automation公司老式DCS系統升級項目的經(jīng)理Mike Vernak說(shuō)道：“僅僅因為老化就更新是很困難的。工廠(chǎng)經(jīng)理時(shí)常對他工廠(chǎng)的工程師說(shuō)：‘如果系統仍在工作，沒(méi)有停機，我是不會(huì )僅僅因為系統老化就花錢(qián)換新系統的。’當然，如果系統停機，ROI很容易計算，但是沒(méi)有停機，根本無(wú)從計算ROI。”
　　
　　系統老化帶來(lái)最顯著(zhù)的影響是性能的不可靠。然而，還有一些側面影響，包括知識結構老化。Vernak補充道：“公司發(fā)現為那些有20或者25年歷史的老系統維持一個(gè)技術(shù)團隊很困難，特別是OEM廠(chǎng)商，有時(shí)根本沒(méi)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(tīng)到如同‘那個(gè)系統比我還老，大學(xué)里根本沒(méi)教過(guò)。’之類(lèi)的話(huà)，他們確實(shí)不知道如何對付這些設備，如果要對他們重新培訓，代價(jià)也是很昂貴的。我看到有些公司的工廠(chǎng)中有多種DCS系統和PLC系統，很難想象每年工廠(chǎng)經(jīng)理為了多種控制系統而維持多個(gè)技術(shù)團隊是多么昂貴。”
　　
　　第二個(gè)系統更新的原因是功能需求。不一定要很老的系統才會(huì )缺乏一些很有用的功能。例如，如果系統不具有I/O能力，無(wú)法完成HART診斷，就可能不支持資產(chǎn)管理程序。還有可能系統的連通性不足，無(wú)法與企業(yè)級系統集成。
　　
　　ABB負責控制系統更新的全球業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理John Murray說(shuō)道：他的團隊對公司升級控制平臺的原因進(jìn)行了調查。“調查結果令我們很驚訝，超過(guò)50%的受訪(fǎng)者說(shuō)他們考慮升級系統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，人們明白他們應該從何入手，進(jìn)行改進(jìn)。這種說(shuō)法是老生常談了，但的確是卓有成效。一些例如資產(chǎn)管理、信息管理和數據挖掘之類(lèi)的解決方案，如果應用得當，確實(shí)可以帶來(lái)很大的優(yōu)點(diǎn)。那些我們稱(chēng)之為傳統控制系統的，不得不添加這些功能。”
　　
　　Vernak同意這種說(shuō)法，他補充道：“大多數的用戶(hù)并不是因為系統老化而更新系統，而是因為系統缺乏某些能力。這并不意味著(zhù)這個(gè)系統已經(jīng)不能控制這個(gè)過(guò)程了，它意味著(zhù)從現有系統無(wú)法得到需要的數據，進(jìn)而導致無(wú)法做出更好的決策。”
　　
　　“因為系統的固有特性，它很難獲得數據，或者無(wú)法從獲得的數據中選擇所需信息。這些系統無(wú)法和現代IT系統、現代數據歸檔設備很好地接口。很多無(wú)法和專(zhuān)用系統接口，無(wú)法完成更高級的過(guò)程控制，哪怕完成了，代價(jià)也很昂貴。這就是功能缺乏。”
　　
　　老式的系統是基于孤立的功能而設計，所以網(wǎng)絡(luò )安全通常涉及不多或者根本沒(méi)有考慮。Siemens公司市場(chǎng)經(jīng)理Ken Keiser說(shuō)道：“很多人錯誤地認為老式系統是安全的，因為它已經(jīng)工作了那么久。當最初安裝的時(shí)候，系統可能是完全孤立的，但是隨著(zhù)時(shí)間的推移，可能某些人在某些地方增加了現代的布線(xiàn)，或者將其與數據歸檔設備連接，而此數據歸檔設備又剛好與網(wǎng)絡(luò )相連了。在20年的時(shí)間歷程里，你永遠也無(wú)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。老式系統的一個(gè)缺點(diǎn)就是你不知道技術(shù)已發(fā)展到什么程度，你沒(méi)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(shuō)道：“人人都希望提高效益，但是你必須讓客戶(hù)明確他們到底要什么?？蛻?hù)對自己亟需解決的問(wèn)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(gè)新特性、新功能，或者僅僅為了改進(jìn)性能而增加一個(gè)控制器，一旦他們明確需求，就會(huì )對這些改進(jìn)有一個(gè)直觀(guān)的認識。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(guò)程鋪平了道路。”
　　
　　“如果你的目標或者計劃十分龐大，那么你一定會(huì )有‘我該如何評估這么多費用？’的煩惱。關(guān)鍵是將問(wèn)題分解，每個(gè)人明確自己的問(wèn)題，共同獲得最佳解決方案。”
　　
　　沒(méi)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(gè)很可能失效但是無(wú)法修復的老式系統對管理層來(lái)說(shuō)很容易接受，特別當老式系統失效會(huì )影響生產(chǎn)的時(shí)候。
　　
　　困難的地方是如何證明系統失效會(huì )發(fā)生，有時(shí)還有更困難的地方。一次升級會(huì )帶來(lái)某些新的功能，而你賦予這次升級的價(jià)值，將取決于你說(shuō)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(wèn)題，在升級之初，你可以自問(wèn)：

什么都不做會(huì )付出什么，如果做了，你又期望獲得什么？
計劃外的停機會(huì )帶來(lái)多少損失？
你維護老式系統的實(shí)際花費是多少？
通過(guò)零件供應商或者e Bay購買(mǎi)替換的零件，花了多少錢(qián)？
失當響應會(huì )帶來(lái)多少成本增加？
　　
　　其次是積極的一面：新系統帶來(lái)的額外收益是什么？更新的操作效率價(jià)值何在？是否你可以應用更先進(jìn)的控制策略？從現場(chǎng)獲得的HART信號有什么價(jià)值？Ochsner說(shuō)道：“我們審視這些問(wèn)題的答案，然后幫助客戶(hù)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(dòng)，也可以是整體更換。通常，系統越老，變化越大。老式系統集成度更高，而且不具有開(kāi)放的體系結構，這使得僅僅更換系統的一部分變得很困難。更先進(jìn)的方法趨向于模塊化，允許根據技術(shù)的更新做相應的改動(dòng)。
　　
　　通常系統更新都從HMI開(kāi)始，這不僅僅增加了圖形處理功能，而且作為數據通道上的主要連接點(diǎn)，HMI為更高層系統提供了接口，并為先進(jìn)的控制策略提供了實(shí)現機制。
　　
　　Siemens公司的Keiser說(shuō)道：“對于DCS系統來(lái)說(shuō)，HMI是最先增添的器件，這源自一些內部或者外部的需求。當客戶(hù)向我們尋求幫助時(shí)，通常是因為他們的控制系統有一些特定的問(wèn)題，有可能是控制器的問(wèn)題，但更多的是控制器數據可見(jiàn)性的問(wèn)題，這其實(shí)就是HMI的問(wèn)題。”
　　
　　Keiser說(shuō)道，更換一個(gè)HMI不困難，也不貴，所以作為系統升級的第一步是相對合適的。他說(shuō)道：“雖然有了新的外觀(guān)和感覺(jué)，但是具體的設備是不變的，過(guò)程自然也沒(méi)有變化，過(guò)程控制沒(méi)有變化，所以，所有的設備、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(lái)自于同一個(gè)供應商的新型系統。其他時(shí)候，變化可能更大，老式系統轉移到了完全不同的平臺。
　　
　　ABB控制系統升級全球商務(wù)發(fā)展經(jīng)理Mark Bitto說(shuō)道：“當問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫，系統無(wú)法滿(mǎn)足商務(wù)需求，更激進(jìn)的解決方案往往是唯一的方案。但即使那樣，你也應該考慮是否可以節省開(kāi)支。受否可以保持布線(xiàn)不變？是否可以保持端子不變？是否有什么方法可以減少開(kāi)支？”
　　
　　整體更換在很多方面都會(huì )帶來(lái)副作用，必須審慎采用。
　　
　　Keiser說(shuō)道：“如果客戶(hù)不想再采用逐步更新的方式，那必然有原因。他們會(huì )說(shuō)：‘我們不再采購這個(gè)供應商的東西了，我們需要其他的方法。’我可以想象，這個(gè)客戶(hù)曾經(jīng)考慮過(guò)采取循序漸進(jìn)的更新方式，但考慮得越多，他越發(fā)現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(zhuān)用I/O卡可以安裝到老式系統上，提供新平臺的連通性。這種方法可以保留已有布線(xiàn)，又可以加快更新過(guò)程。

避免停機
　
　　然而，更新的程度可能受制約于對工廠(chǎng)產(chǎn)量的要求。全面更換必然帶來(lái)停機時(shí)間，計劃內和計劃外的，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(shí)候，關(guān)斷一個(gè)過(guò)程通常比維持它正常運行更昂貴。所以大多數時(shí)候，客戶(hù)以單元或者控制器為單位做系統更新，維持系統網(wǎng)絡(luò )和其他基礎結構不變，以確保平滑過(guò)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、執行升級
　　
　　一旦你決定采取某種特定的方法，那就要開(kāi)始明確細節了。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(shuō)道：“很可惜，文檔狀態(tài)通常都不樂(lè )觀(guān)，我們需要精確完整的文檔，細致到現場(chǎng)每一個(gè)控制器編號和I/O編號。”
　　
　　Invensys Process Systems公司的系統升級顧問(wèn)Graham Bennett有很多項目經(jīng)驗，建議與用戶(hù)分擔責任。
　　
　　Bennett說(shuō)道：“我們將工作分解成標準流程，包括預升級、升級、后續工作。我們任務(wù)條目不會(huì )造成遺留問(wèn)題，每個(gè)人負責幾個(gè)條目，嚴格執行。其中一件事就是確保任何第三方協(xié)議的功能性。”
　　
　　經(jīng)過(guò)仔細思考和認證執行的升級項目所帶來(lái)最終收益是巨大的?？梢詫刂颇芰?、數據挖掘、操作員接口、給料使用、產(chǎn)品質(zhì)量和其他很多方面帶來(lái)提升。但是所有這些都依賴(lài)于你對過(guò)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：結合迥異系統
　
　　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(chǎng)是世界最大的鋅和鉛熔煉和精煉廠(chǎng)，包括Waneta水壩和傳輸系統。Trail的冶金廠(chǎng)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(chǎng)、當地用戶(hù)和美國提供電能。
　　
　　Rob Zwick從事過(guò)程控作工作，他做了諸多努力，旨在將全公司設施移植到統一平臺上。正如他描述：“我們擁有5家工廠(chǎng)，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]變成一個(gè)統一平臺。”
　　
　　Zwick說(shuō)道：“我們棄用了Honeywell和Fisher Provox，到今年年底，Foxboro系統將處理我們75%的I/O工作。我們所有的工廠(chǎng)都將使用統一的平臺，使用來(lái)自Foxboro的硬件和軟件。”
　　
　　維護和培訓問(wèn)題是驅使我們統一平臺的主要動(dòng)力。老式平臺的零部件難以獲取也是一個(gè)原因，可能由此導致的非預期停機，無(wú)疑給公司帶來(lái)風(fēng)險。當然，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：“我們現在正在做第四次升級，我們的工廠(chǎng)一天24小時(shí)一周7天滿(mǎn)負荷運轉，所有的工廠(chǎng)都緊密相連，所以我們要十分謹慎地在工廠(chǎng)中選擇停機的時(shí)機。我們每個(gè)月都有幾個(gè)小時(shí)的停機維護時(shí)間，我們盡量能在這些時(shí)間里完成升級。”

決定
　　
　　在評價(jià)階段，Zwick和他的同事考慮多種可能性，并得到了有趣的結論。他反映到：“平臺間的功能特性已經(jīng)很難區分，所以，在技術(shù)層面上評價(jià)DCS的優(yōu)劣實(shí)際上是很困難的。”
　　
　　所有的公司都在努力改進(jìn)和現代化其硬件和軟件。Zwick說(shuō)道：“Foxboro公司在加拿大礦業(yè)和金屬業(yè)有著(zhù)豐富的經(jīng)驗，其他公司就差一點(diǎn)。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(jué)平臺之間的區別更多來(lái)自于歷史遺留問(wèn)題，而不是功能特性問(wèn)題。”

老式連接
　　
　　Foxboro公司的專(zhuān)用I/O卡提供了老式系統和新型系統之間的接口，這幫助完成了系統升級。Invensys Process Systems公司的升級顧問(wèn)Graham Bennett描述了其方法：
　　
　　他說(shuō)：“我們保留了所有的現場(chǎng)布線(xiàn)，包括集線(xiàn)機柜，以及集線(xiàn)機柜和老供應商的I/O相連的電纜。我們將連接斷開(kāi)，使用新的接口卡一塊一塊更換，當然這些接口卡是按照老供應商產(chǎn)品的規格設計的。”
　　
　　Bennett補充道：“由于是一個(gè)一個(gè)的順序，沒(méi)有必要改變外型尺寸，每一個(gè)現場(chǎng)的I/O端點(diǎn)都與原來(lái)的I/O卡排列在一起。”
　　
　　Zwick已經(jīng)準備好了進(jìn)行下一次升級。他說(shuō)道：“這次是個(gè)大工程，我們有12個(gè)小時(shí)，完成4000個(gè)I/O端點(diǎn)的改造，分秒必爭，每一個(gè)小時(shí)停產(chǎn)意味著(zhù)$100,000的損失。”
　
市政設施公司的歷史遺留問(wèn)題：選擇正確的工具
　　
　　Colorado Springs Utilities是市政設施集團，為居民和商戶(hù)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(chǎng)、多家風(fēng)力發(fā)電廠(chǎng)、還有燃氣渦輪發(fā)電廠(chǎng)。它還運營(yíng)著(zhù)54 MW 的George Birdsall工廠(chǎng)，有傳統的燃氣發(fā)電鍋爐，擁有12小時(shí)的緊急狀態(tài)儲備和峰值容量。
　　
　　Birdsall工廠(chǎng)建于19世紀50年代中期，還保留著(zhù)原來(lái)的鍋爐和渦輪。因此，他缺乏新型工廠(chǎng)的高效，由于成本原因不再作為基荷容量。然而，由于當地不斷增加的電能需求，它每年的工作時(shí)間都在增加。Brent Richardson是工廠(chǎng)經(jīng)理，近期著(zhù)手控制系統升級工作。
　　
　　此工廠(chǎng)自從1991年就使用Rosemount RS3 DCS，當他得知此平臺的OEM支持只剩下10年，他決定尋求替代方案?？紤]到Birdsall規模不大，I/O端點(diǎn)少于150個(gè)，而且使用較簡(jiǎn)單的控制策略，Richardson和他的同事決定尋找多個(gè)選擇。
　　
　　Richardson說(shuō)道：“因為DCS的效率和速度，我們對DCS很熟悉也很滿(mǎn)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(chǎng)有一套ABB系統，所以我們將其考慮在內。我們也參考了自來(lái)水廠(chǎng)的經(jīng)驗，它所有的過(guò)程控制都由Allen-Bradley ControLogix PLC完成。當我們關(guān)注新型基于PLC的系統的效率和速度時(shí)，我們發(fā)現實(shí)際上它比我們現在正在使用的控制設備快10倍。”
　　
　　使用和自來(lái)水廠(chǎng)相同的系統的想法很吸引人，它可以作為系統升級的原型論證，之后4年還可以應用于水利發(fā)電廠(chǎng)。
　　
　　Richardson補充道：“有很多系統可以完成這個(gè)工作，我們希望這個(gè)系統可以控制所有的工廠(chǎng)，包括水電廠(chǎng)。PLC系統能滿(mǎn)足需要，可以和我們其他所有的工廠(chǎng)整合。當我將其應用于我的系統內，我對采用自來(lái)水廠(chǎng)的ControLogix 平臺的這個(gè)想法更加確定，因為它們都是標準化設備，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(huì )帶給我們巨大的價(jià)值，因此我不準備再使用獨立的平臺。”