DCS控制系統：遷移還是升級？

　　當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，也可以系統級的更新，當然也可以在兩者之間。

　　最近，一個自動化產品供應商和用戶團體的發言人述說了一個很有意思的統計結果。他說道：運行在當今工廠中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，不難理解為什么很多人都在考慮控制系統的升級，因為公司正面臨著設備老化帶來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越難買到，維護系統變得越來越花錢。

　　服役時間問題對于升級系統無疑是關鍵問題，功能問題其實也不容忽視。有些功能可以給你帶來增值，但新型系統不一定具有所有這些功能。
　　
　　控制系統的升級有兩個主要原因：系統老化和功能需求。
　　
　　第一個也是最重要的推動系統更新的原因是系統老化。當一個平臺已經失效，而且供應商不再對其提供支持，那么繼續使用它的風險是很大的。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，一旦系統的某個零件停產，無法更換，整個過程單元就報廢了。
　　
　　然而，一些工廠經理不得不經歷一個艱難的過程。Rockwell Automation公司老式DCS系統升級項目的經理Mike Vernak說道：“僅僅因為老化就更新是很困難的。工廠經理時常對他工廠的工程師說：‘如果系統仍在工作，沒有停機，我是不會僅僅因為系統老化就花錢換新系統的。’當然，如果系統停機，ROI很容易計算，但是沒有停機，根本無從計算ROI。”
　　
　　系統老化帶來最顯著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：“公司發現為那些有20或者25年歷史的老系統維持一個技術團隊很困難，特別是OEM廠商，有時根本沒有技術人員，可能是由于人員流失或者退休。剛畢業的22歲或者24歲的大學生根本不懂得那些技術。我聽到如同‘那個系統比我還老，大學里根本沒教過。’之類的話，他們確實不知道如何對付這些設備，如果要對他們重新培訓，代價也是很昂貴的。我看到有些公司的工廠中有多種DCS系統和PLC系統，很難想象每年工廠經理為了多種控制系統而維持多個技術團隊是多么昂貴。”
　　
　　第二個系統更新的原因是功能需求。不一定要很老的系統才會缺乏一些很有用的功能。例如，如果系統不具有I/O能力，無法完成HART診斷，就可能不支持資產管理程序。還有可能系統的連通性不足，無法與企業級系統集成。
　　
　　ABB負責控制系統更新的全球業務開發經理John Murray說道：他的團隊對公司升級控制平臺的原因進行了調查。“調查結果令我們很驚訝，超過50%的受訪者說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。一些例如資產管理、信息管理和數據挖掘之類的解決方案，如果應用得當，確實可以帶來很大的優點。那些我們稱之為傳統控制系統的，不得不添加這些功能。”
　　
　　Vernak同意這種說法，他補充道：“大多數的用戶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。這并不意味著這個系統已經不能控制這個過程了，它意味著從現有系統無法得到需要的數據，進而導致無法做出更好的決策。”
　　
　　“因為系統的固有特性，它很難獲得數據，或者無法從獲得的數據中選擇所需信息。這些系統無法和現代IT系統、現代數據歸檔設備很好地接口。很多無法和專用系統接口，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。”
　　
　　老式的系統是基于孤立的功能而設計，所以網絡安全通常涉及不多或者根本沒有考慮。Siemens公司市場經理Ken Keiser說道：“很多人錯誤地認為老式系統是安全的，因為它已經工作了那么久。當最初安裝的時候，系統可能是完全孤立的，但是隨著時間的推移，可能某些人在某些地方增加了現代的布線，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絡相連了。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。老式系統的一個缺點就是你不知道技術已發展到什么程度，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。客戶對自己亟需解決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識。然后就可以量化經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的老式系統對管理層來說很容易接受，特別當老式系統失效會影響生產的時候。
　　
　　困難的地方是如何證明系統失效會發生，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？
你維護老式系統的實際花費是多少？
通過零件供應商或者e Bay購買替換的零件，花了多少錢？
失當響應會帶來多少成本增加？
　　
　　其次是積極的一面：新系統帶來的額外收益是什么？更新的操作效率價值何在？是否你可以應用更先進的控制策略？從現場獲得的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，系統越老，變化越大。老式系統集成度更高，而且不具有開放的體系結構，這使得僅僅更換系統的一部分變得很困難。更先進的方法趨向于模塊化，允許根據技術的更新做相應的改動。
　　
　　通常系統更新都從HMI開始，這不僅僅增加了圖形處理功能，而且作為數據通道上的主要連接點，HMI為更高層系統提供了接口，并為先進的控制策略提供了實現機制。
　　
　　Siemens公司的Keiser說道：“對于DCS系統來說，HMI是最先增添的器件，這源自一些內部或者外部的需求。當客戶向我們尋求幫助時，通常是因為他們的控制系統有一些特定的問題，有可能是控制器的問題，但更多的是控制器數據可見性的問題，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，所有的設備、知識和技術都保持不變。”
　　
　　某些情況下，升級可能包括使用來自于同一個供應商的新型系統。其他時候，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發展經理Mark Bitto說道：“當問題已經迫在眉睫，系統無法滿足商務需求，更激進的解決方案往往是唯一的方案。但即使那樣，你也應該考慮是否可以節省開支。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，這個客戶曾經考慮過采取循序漸進的更新方式，但考慮得越多，他越發現自己不得不邁一大步。小公司更有可能采取這樣的方式，大型的化學公司卻不是，他們更喜歡低風險的方法。”

　　專用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，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量的要求。全面更換必然帶來停機時間，計劃內和計劃外的，而逐步的更新可以降低這種風險。
　　
　　Honeywell公司的Ochsner建議道：“在做升級的時候，關斷一個過程通常比維持它正常運行更昂貴。所以大多數時候，客戶以單元或者控制器為單位做系統更新，維持系統網絡和其他基礎結構不變，以確保平滑過渡。”她補充道：“這種方法從上至下，先替換HMI，然后是網絡，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最先關注的是文檔狀態，Oschsner說道：“很可惜，文檔狀態通常都不樂觀，我們需要精確完整的文檔，細致到現場每一個控制器編號和I/O編號。”
　　
　　Invensys Process Systems公司的系統升級顧問Graham Bennett有很多項目經驗，建議與用戶分擔責任。
　　
　　Bennett說道：“我們將工作分解成標準流程，包括預升級、升級、后續工作。我們任務條目不會造成遺留問題，每個人負責幾個條目，嚴格執行。其中一件事就是確保任何第三方協議的功能性。”
　　
　　經過仔細思考和認證執行的升級項目所帶來最終收益是巨大的?？梢詫刂颇芰?、數據挖掘、操作員接口、給料使用、產品質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、金屬和化學公司，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。Trail的冶金廠生產精煉鋅和鉛，還有其他多種金屬、化學品和肥料產品。Waneta大壩為工廠、當地用戶和美國提供電能。
　　
　　Rob Zwick從事過程控作工作，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，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]變成一個統一平臺。”
　　
　　Zwick說道：“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。我們所有的工廠都將使用統一的平臺，使用來自Foxboro的硬件和軟件。”
　　
　　維護和培訓問題是驅使我們統一平臺的主要動力。老式平臺的零部件難以獲取也是一個原因，可能由此導致的非預期停機，無疑給公司帶來風險。當然，生產不能停止，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，我們的工廠一天24小時一周7天滿負荷運轉，所有的工廠都緊密相連，所以我們要十分謹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，并得到了有趣的結論。他反映到：“平臺間的功能特性已經很難區分，所以，在技術層面上評價DCS的優劣實際上是很困難的。”
　　
　　所有的公司都在努力改進和現代化其硬件和軟件。Zwick說道：“Foxboro公司在加拿大礦業和金屬業有著豐富的經驗，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域有更大的份額，我感覺平臺之間的區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Graham Bennett描述了其方法：
　　
　　他說：“我們保留了所有的現場布線，包括集線機柜，以及集線機柜和老供應商的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，當然這些接口卡是按照老供應商產品的規格設計的。”
　　
　　Bennett補充道：“由于是一個一個的順序，沒有必要改變外型尺寸，每一個現場的I/O端點都與原來的I/O卡排列在一起。”
　　
　　Zwick已經準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，每一個小時停產意味著$100,000的損失。”
　
市政設施公司的歷史遺留問題：選擇正確的工具
　　
　　Colorado Springs Utilities是市政設施集團，為居民和商戶提供電力、天然氣、水和廢水處理服務。電站分公司有一小部分火力發電廠、多家風力發電廠、還有燃氣渦輪發電廠。它還運營著54 MW 的George Birdsall工廠，有傳統的燃氣發電鍋爐，擁有12小時的緊急狀態儲備和峰值容量。
　　
　　Birdsall工廠建于19世紀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，由于當地不斷增加的電能需求，它每年的工作時間都在增加。Brent Richardson是工廠經理，近期著手控制系統升級工作。
　　
　　此工廠自從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。考慮到Birdsall規模不大，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發電廠有一套ABB系統，所以我們將其考慮在內。我們也參考了自來水廠的經驗，它所有的過程控制都由Allen-Bradley ControLogix PLC完成。當我們關注新型基于PLC的系統的效率和速度時，我們發現實際上它比我們現在正在使用的控制設備快10倍。”
　　
　　使用和自來水廠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電廠。
　　
　　Richardson補充道：“有很多系統可以完成這個工作，我們希望這個系統可以控制所有的工廠，包括水電廠。PLC系統能滿足需要，可以和我們其他所有的工廠整合。當我將其應用于我的系統內，我對采用自來水廠的ControLogix 平臺的這個想法更加確定，因為它們都是標準化設備，我可以使用它們的資源，包括5到6名經驗豐富的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，因此我不準備再使用獨立的平臺。”