作者 |?Kevin Finnan

儀表和控制系統運行人員正在著手應對日益老化的工業設備，這些設備使其無法充分利用現代技術優勢，如獲得實時信息，從而影響其做出更好的決策。

在今天的商業世界，需求是動態的。我們的溝通、信息交流、收集數據、分析和報告的方式已經經歷了許多變化。現在，這個步伐正在加快。企業的經營者們開始思考，是該更新技術，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運行是工廠管理面臨的一大挑戰。工廠的經營者往往面臨各種各樣與老化相關的問題，如傳感器未校準、脈沖線堵塞、虛假停機、閥門卡塞和執行器故障等。其結果是系統的可靠性不足，工廠安全受到威脅。

此外，隨著公司數字化轉型的推進，老化的儀表和控制系統可能會出問題。舊平臺不僅無法提供數字化轉型企業所期望的更多數據，在新商業環境中甚至可能無法進行通信。此外，由于現在沒有一個系統是通過隱蔽來實現安全的，因此它可能會帶來網絡安全風險。

制造企業在考慮儀表和控制系統現代化時都需要考慮哪些問題呢？建議仔細思考如下幾個問題（如圖1所示）例如，繼續運營和維護老化的系統是否值得？新系統的好處和附加值是什么？更嚴重的是，繼續運行現有系統，是否可以確保安全？

▲圖1：邊緣應用最好建立在硬件、軟件和網絡產品的成熟平臺上，這樣用戶可以輕松連接眾多OT設備和系統，并將其與IT資源無縫連接。

01

儀表和控制系統現代化的挑戰

儀表控制系統現代化改造項目通常被視為基礎設施項目。一種趨勢是簡單地確定分布式控制系統（DCS）的范圍，同時忽略所連接設備的其它風險或問題，這些設備也可能是過時的。許多管理者將現代改造化項目視為純粹的防御性舉措。主要目標是克服舊系統或儀表的缺陷，但在其它方面保持裝置或工廠的原樣。

如果唯一期望的結果是改造現狀，這種“以點帶面”的方法可能會成功。許多項目都是按照這一原則設計的。該方法的問題是錯失重大機會。這可能再次阻礙數字化轉型，并帶來網絡安全風險。也可能會使未來的技術升級或向開放體系結構過渡變得更困難。

實施此類項目是一項重要的工作，只有經過精心規劃才能取得成功，因為項目失敗帶來的后果會很嚴重。成本可能失控，生產可能中斷。配置不當的系統或儀器，可能會在控制過程中出問題。另一方面，如果規劃得當，現代化改造項目甚至是大規模系統的遷移，都可以在預算內按時分階段進行，從而顯著改善運營。

02

推動實施現代化的三大因素

值得注意的是，20世紀70年代和80年代設計和安裝的許多DCS平臺，都具有較長的壽命。不幸的是，這些系統正在逐步老化。在很多情況下，許多設備需要升級，或者可能需要完全遷移到新DCS并使工廠實現現代化。

過時的系統；是什么推動了工廠的現代化？以下三個挑戰是實施工廠現代化改造項目的主要推動力：

■?過時的系統；

■?合規性：健康、安全和環境（HSE）問題；

■?數字化轉型/向卓越運營轉型。

01

過時系統的困境

用老化的儀表和控制系統來運營工廠，會給運行人員和生產過程帶來一些潛在問題。除了前面提到的與年齡相關的問題外，大多數控制系統的文件，包括工藝和儀表圖（P&ID）、控制說明、策略以及控制系統利用率，可能都不是最新的。此外，企業還可能缺乏完整的備件庫存，部分零件已不再供應。舊的控制系統平臺和儀表，增加了故障和生產中斷的風險。它們也缺乏新系統具備的很多功能，也就無法用其來提高工廠的性能。

ARC咨詢集團的相關研究顯示，自動化系統的故障率數據并不準確，支持信息所提供的實際故障率范圍很寬。在很多工廠中，用戶確實會跟蹤故障，但故障分析不足以幫助準確預測壽期結束。通過觀察NASA提出的“浴缸曲線”理論圖（請參考圖2），“這是否是一個有效的分析”的問題就會產生。對于許多自動化系統而言，沿x軸的時間最終會落在15到50年之間。在確定資產壽命終止時缺乏準確性，使得圍繞這一重要領域的決策變得異常困難。

▲圖2: “浴缸曲線”風險函數（藍色實線）是早期風險故障（紅色虛線）和損耗故障風險（黃色虛線）的組合，加上一些隨機故障的持續風險（綠色實線）。該曲線在可靠性工程中被廣泛使用，描述了危險函數的一種特殊形式。

02

合規性：健康、安全和環境（HSE）問題

在當今的工業制造運營中，人們越來越重視健康、安全和環境。但不幸的是，即使安裝了安全系統和其它預防措施后，原本認為已經足夠了，但許多設施仍繼續發生事故。

在過去25年多的時間里，過程工業見證了過程安全標準的不斷發展。這些行業標準旨在提供指導和最佳實踐，以管理與化學品、碳氫化合物和其它危險材料的制造和處理相關的固有風險。2018年，北美版和國際版本合并，創建了ANSI/ISA-61511-2018/IEC 61511:2016《過程工業領域安全儀表系統的功能安全》。現在，該標準是全球設計、實施、運營和維護安全儀表系統工作過程的主要驅動力。

▲圖3: 儀表控制系統現代化的三大驅動因素

03

數字化轉型/向卓越運營轉型

根據ARC咨詢集團的說法，對于許多工廠業主來說，僅僅是陳舊過時，并不能證明實施大型資本升級項目是合理的。相反，提升功能和系統性能以提高運營的卓越性，是影響融資決策的主要標準。

03

推動工廠實現現代化的新機遇

提升功能是工廠實施最新技術和創新能力的概念，可以應對特定行業中與技術相關的各種挑戰。為了應對未來的這些挑戰，可能需要新技術或創新。如果儀表和系統的安裝基礎無法支持新技術，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”可能會推動工廠實現現代化。

▲圖4: 典型的工廠和設備的生命周期

01

網絡安全

控制系統的不斷發展，使組織能夠長期保護設備和控制策略方面的投資。然而，幾十年前的控制器與當前技術的接口，也使該設備容易受到間接攻擊。所有這些系統都有一個共同點：它們在獲得支持方面存在差距。這使其比當代系統更脆弱。

現代系統支持新的網絡安全方法，這些與工業資產保險、HSE和災難恢復策略的一致性，通常會導致超過預算周期。網絡安全戰略已從需要解決的問題轉變為需要管理的風險。當企業以這種方式看待網絡安全時，就消除了神秘感，成為管理層可以采取行動的問題。

新儀表控制系統適應不斷發展、威脅不斷變化的網絡安全形勢。管理層不需要再為技術問題分心，從而可以專注于應對風險。

02

不斷發展的勞動力

對于過程工業來說，尋找經驗豐富的人員已經是一項重大挑戰。一家大型煉油公司的高管表示，當大量運行人員退休時，公司可能會失去多年的寶貴經驗。

研究表明，造成計劃外停機的最大原因是操作失誤或人為失誤，占到過程工業計劃外停機總數的42%。然而，有一些方法可以幫助運行人員在壓力增加時做出最佳決策，例如在啟動、過渡或出現異常情況時。隨著對人身安全、績效管理、持續改進和培訓的日益重視，公司正在對員工進行投資，并渴望應用新興技術。

03

控制室的設計

設計合理的控制室會讓人感到放松和安全。因此，運行人員和管理人員可以完全專注于工廠的運營和穩定性。數據完整性和數據可用性的改進，加快了各部門之間的通信，從而優化了總體運營。

04

模塊化的流程自動化

部署模塊化的流程自動化（MPA） 的好處比人們想象的要多得多。MPA將標準操作程序數字化，這對實現安全和提高效率至關重要。MPA有助于確保在過程中，保留經驗豐富的運行人員的專業知識，并為新運行人員提供更多了解過程的機會。完成的關鍵績效指標，可能包括大幅減少運行人員操作的次數、每個運行人員處理的報警數量以及過程過渡期間的穩定時間。

此外，數字化程序可以用數字孿生作為補充。數字孿生實時模擬運行人員，并結合了對過程、標準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行人員性能，還可以提高質量、安全性、過程正常運行時間和過程性能。

在過程控制系統中大量使用手動運行程序的公司，也可以使用數字孿生作為從半自動操作到完全自主操作的過渡。由于MPA解決方案可與現有系統結合使用，從而可以為現代化改造項目提供靈活性。

05

人機界面

安全高效的運營，取決于在工況達到不安全或不期望的生產條件之前，運行人員快速識別潛在工藝偏差的能力。

現代人機界面（HMI）符合異常情況管理（ASM）聯盟的建議，包括用于澄清過程操作的標準化的符號庫。現代HMI支持當今移動設備用戶所期望的功能，如增強現實和虛擬現實（AR/VR）功能，這些功能增強了運營人員的體驗。

今天的系統還完全支持自主遠程操作。盡管在COVID-19爆發之前大部分功能都可用，但疫情加速了最終用戶的接受。在現代制造業中，操作員和技術人員已經不是必須出現在現場。

06

操作員培訓系統

鑒于許多操作員退休所帶來的挑戰，特別是那些熟悉高效和安全操作的運行人員，趁早培訓新操作員，讓經驗豐富的操作員成功傳授知識變得至關重要。

現在的過程模擬器通過描述實際的過程操作（包括問題和異常場景）提供了出色的解決方案。模擬器提高了運行人員響應的質量，并提高了對過程混亂和事件所采取行動的及時性。如果數字孿生與操作員培訓系統一起使用，則可以根據實際事件定期更新。

07

報警管理

現代改造化項目通常為提高報警管理質量和效率提供了絕佳機會。報警管理和報警系統合理化，可以大大減少運行人員必須做出響應的報警數量。預防運行人員信息過載，確保他們對重要報警做出適當和及時的反應。

08

協作移動機器人

盡管取得了這些進展，制造商仍然面臨著人員配置方面的困難。與此同時，對員工福利和人身安全的擔憂也在增加。協作移動機器人是一種新興的解決方案。機器人可以代替人類操作員或技術人員，冒險進入危險區域進行檢查。無人機可以在存在高危工況的環境進行操作。現在的視聽和傳感技術可以模仿人類的感知，使機器人變得更有效。

先進過程控制的優勢現代系統使將人工智能和數字孿生等新技術注入架構變得更容易。最終用戶可以用可靠的投資回報跟蹤記錄，來證明先進過程控制（APC）的合理性。

▲圖5：MPA將所有運營商的最佳程序合并為最佳實踐標準操作程序。

到目前為止，由于世界上幾乎所有的工業過程都處于自動控制之下，APC是合乎邏輯的下一步。很多設施都實施了APC，而且取得了不同程度的成功。現在，APC主題專家已經學會了如何取得可靠的結果。

多變量控制（MVC）是APC平臺的關鍵部分。它實現了最佳的過程穩定性，并提高了生產率。MVC通過使用過程動態模型進行預測控制來實現這一目標，事實證明，這些模型可以提高產量，節省能源并減少質量浪費。

如今，更加用戶友好的先進控制和實時優化工具，在保持盈利、競爭性運營方面發揮著更大的作用。APC解決方案為過程裝置帶來了諸多優點，例如：提高過程產量；提高吞吐量；降低能耗以及提高過程穩定性。

04

升級系統的好處

由于技術進步的步伐不斷加快，工廠經營者發現維護老化或過時的儀表和控制系統變得更加困難。盡管其中很多系統運行得更可靠，持續時間也比預期長，但現在它們帶來了太多的風險。這不僅包括網絡安全，還包括HSE問題以及可持續性方面的新期望。

新的需求，如支持數字化轉型和滿足不斷發展的勞動力新需求的舉措，使管理層能證明對儀表控制系統現代化的投資是合理的。如果新系統能夠部署先進過程控制（APC）等技術，那么由此產生的運營改進可以用來證明成本的合理性。

關鍵概念：?

■ 實現儀表和控制系統現代化的項目通常被視為基礎設施項目。

■?實現現代化的三個驅動因素是過時的系統、合規性和數字化轉型。

■?先進過程控制系統是一種經證實的技術， 最終用戶可以獲得滿意的投資回報率。

編輯：黃飛