带你了解实现自动化系统平稳升级的10个要素

如果你正在升级你的自动化系统，或者考虑在不久的将来实施这一工作，那你的注意力可能主要放在人机界面、控制器和I/O接口上。这是正确的，因为在实施系统迁移过程中，这些都是关键部件。但是，一个自动化系统，不仅只有这些硬件部件。在计划阶段，如果没有给予足够重视的话，那些次要方面可能会引起许多问题。

在进行重要的自动化升级工程之前，进行一个前期准备工作（FEL）评估，是检查自动化系统所有方面最好的方法之一。FEL评估是一种用于评估自动化系统升级或其它工程的各个方面的分析技术。

由于经常没有足够的人手，大多数最终用户与外部服务提供商一起完成FEL评估。优秀适的服务提供商应可以完成很多自动化系统升级工程的FEL评估，因此能帮助最终用户以一种最优的方式完成周密的研究。

FEL评估能帮助制定预算，为验证项目提供数据。它还能暴露出潜在的问题，为迁移过时的、基于DCS或PLC的自动化系统这一令人望而生畏的任务做准备提供帮助。简而言之，它能提供一条成功通向你既定目标的捷径。

在大多数情况下，在FEL评估上投入的时间和精力直接与整个项目的成功率成正比。不幸的是，很多最终用户认为这一阶段只是自动化系统升级时的可选任务，有时甚至是累赘。在FEL评估方面投入的缩减CONTROLENGINEERINGChina版权所有，不仅会增加风险，还会丧失改进以及增进长期稳定性的机会。反之，一个周详的FEL评估能确定潜在的问题，这有助于确保达到项目目标。

在自动化系统升级工程的初期，应将智能仪表连接至新自动化系统并测试其兼容性。

10个不容忽视因素

当自动化系统升级的主体结构开发完成后，主要部件一般包括人机界面、控制器和I/O接口。在计划和预算阶段，大部分时间和精力也都花费在这些关键的部件上，这对系统主体之外的那些辅助系统可能会造成一定的损害。表1列出了正确执行的FEL评估需要重点关注的10个方面，并在下文中进行详细讨论。

表1自动化系统FEL评估的10个要素

现场设备和基础设施

现场设备和接线主要包含四个部分：

电缆、护线管、导线槽;

盘台、机柜、编组盘台和接线盒;

仪表，包括嵌入式设备、分析仪表、传感器等;

机械设备，包括电动机、阀门、驱动器和其它现场设备。

应检查所有这些物项，以确定可接受的物理状态和适用的文档。此外CONTROLENGINEERING China版权所有，必须对仪表和机械装置进行检查和测试，以确保与新自动化系统I/O以及数字通讯接口的适当连接。

在FEL过程中，应对现场接线，包括端子、标签和接地的整体状况进行评估。如果任何方面不能满足标准要求或者没有处于良好的工作状态，则应制定相应的计划和预算来矫正任何不足和缺陷。

各种现场设备，比如电动机、阀门、行程开关通过硬接线连接至自动化系统的输入端，当自动化系统上电运行后，各个部件的状态也就可以确定了。所以必须测试这些设备和输入之间的接口，以确保适当的电压水平和电气隔离。

类似的，阀门、电动机和状态灯由自动化系统的输出驱动。同样必须确保兼容性，每个输出才可以驱动相关设备。

与自动化系统模拟量I/O的接口，可能会是一个容易出问题的方面。在一个回路连接中，老自动化系统的一个4-20mA的输出可能比新自动化系统的4-20mA输出能驱动更多的仪表。如果在FEL评估过程中发现这个问题，这是一个小问题，但是如果在调试过程中发现，则是一个大问题。而且，必须对模拟量输入进行兼容性检查，有时需要对其进行测试。例如，在老DCS系统中适用的热电偶类型不再广泛使用，因此在新自动化系统中可能就不支持。

大多数工厂将智能仪表和分析仪器通过自己的网络连接至自动化系统，这是在FEL评估过程中，必须仔细考虑的另外一个方面。

网络基础设施和连接性

现代自动化系统在不同的层面与一系列其它系统和部件连接，包括：

控制层：过程装置中的辅助控制系统、排放监视系统、楼宇自动化系统等;

企业层：历史库、MES、ERP、公司网络等;

现场设备层：HART、Fieldbus、Profbus、DeviceNet等;

其它：实验室系统、远程存取、分析仪器、先进过程控制设备等。

必须对物理设施，包括光纤/铜缆骨干网、网络设备、无线硬件设备以及其它物项进行检查，确定可接受的物理状态以及适用的文档。正如兼容性问题所涉及的一样，即使新自动化系统支持同老系统几乎一样的协议，这也仅仅是第一步。

为确保通讯能正常进行，应在每个层面对主要接口进行测试，使其性能等于或者超过现有系统。不管是直接通讯还是通过协议转换器，新自动化系统必须能够支持现有的各种通讯协议。在某些情况下，对无法和新自动化系统接口的系统或部件进行升级甚至是更换，可能更经济。

例如，如果有一小部分仪表使用的现场总线协议与绝大多数仪表的不同，相较于通过增加协议转换器将其连接至新自动化系统而言，更好的方式也许是更换这些“异类”。

老自动化系统的控制器和智能设备，如仪表和驱动器，经常由同一家供应商提供。如果新自动化系统采购自不同的供应商，即使采用名义上一样的通讯协议，在绝大多数情况下，它同智能仪表之间的数字接口在功能上也有很多限制。在运行这些功能受限的系统时，必须尽早制定相应的预案，或者是更换智能设备。

辅助系统和空间要求

应将新自动化系统的部件布置在特定区域，一般是老系统所处的主控室内。应从以下各方面进行检查确保该区域满足新系统规范书以及后续运行和维护的需求：

动力需求，包括UPS;

空气调节系统需求;

物理空间布局需求;

主控室人因工程。

UPS和其它动力系统必须有足够的容量处理新自动化系统部件。类似的，空气调节系统必须在能够为操作员维持舒适的工作环境的情况下，保持新电子设备的冷却。

必须有足够的整体空间来布置和安装新系统部件，包括控制硬件和操作员站。许多老自动化系统的控制台，无法在新自动化系统中使用，或者即使能用也必须做大的修改。

一个经常被忽略的方面是调试计划及其对辅助系统和空间需求的影响。许多新旧系统迁移调试计划要求新旧系统同时运行。很明显，这影响重大，需要周详的计划以适应两个系统同时运行。一般需要临时增加辅助动力系统以及过渡的安装空间。

关键文档

新自动化系统的安装，包括与现场设备、网络基础设施以及辅助系统的所有接口和连接，需要对文件和图纸做很多变更。

为了确保新自动化系统运行和维护的成功，必须对某些关键的文件进行审查和定期更新。一些最重要的文件包括P&ID图、控制回路图、I/O数据库、系统组态、软件程序、软件文档、补丁要求、功能规格书、控制系统说明书以及编程和设计规范。

拆除，安装和调试

一个周详的FEL的评估需审查必要的拆除、安装和调试服务，以确保在预算、计划以及人力资源等方面考虑这些活动。生产设施一般按照日常运营来配置人员，可能没有足够的人员来实施大的工程。因此，FEL评估应确定所需要的人员，为雇佣更多人员做准备。

调试计划是任何自动化系统升级的关键部分。一般而言需要列出的主要项目包括停机计划、缩短停工期的计划以及新旧系统热迁移期间的利用。考虑到其它与安装和调试相关的活动，可能还需要追加一些人员。还应制定预案应对安装和调试期间所造成的生产产量的降低。

在FEL评估中，还应对与安装、调试相关的施工及设计活动进行审查和规划，这样才能确保这些活动的正确执行。需要实施的关键活动包括制定新的电缆和电缆槽架计划、仪表和现场设备图纸、盘台机柜的设计、回路图、电机原理图，点位图以及详细安装图。

合规和异常情况管理

需要对为了适应自动化系统的升级而做的变更进行审查，以确保这些变更满足标准、法规和运行规程的要求。必须对安全仪表系统（SIS）进行审查以确保其仍然维持了所有的SIL安全等级。需要进行保护层分析（LOPA），必须将环境健康和安全规程维持在可接受的水平。

必须满足当前诸如NEC、NFPA和FDA标准、法规的要求，有时根据NEC和NFPA监管条例的要求需要得到许可和进行检查。同样，FDA对验证系统的监管条例包含了非常严格的条款，在对生产药品的设备进行任何更改的时候必须遵循这些条款。许多食品和饮料工厂在进行修改和升级的时候，也必须遵循FDA的监管条例，只是降低了执行的标准。

老自动化系统有某些非正式或正式的机制来处理异常工况。与之类似，新自动化系统也必须有处理异常工况的机制。通过简单的利用内置于自动化系统的特性CONTROLENGINEERINGChina版权所有，同时利用现有的异常工况管理、图形和报警管理标准以及最优实践，经常可以在这方面获得提升。

事实上，FEL应当评估所有可能改进的方面，包括ASM，因为这能确保对新系统的投资获得最大回报。

改进方面

新自动化系统所具有的特性和功能，一般是过时的、基于DCS或PLC的系统所没有的，这就使得可以改进现有的运行。自动化系统的升级提供了一个绝佳的机会，可以对现有运行和习惯做法进行改进，从而获得进一步的提升。

把在老自动化系统时运行在手动模式下的过程和系统改为自动控制，是改进的主要方面。如果由于工厂没有足够部件或设备，仍然需要手动运行，那么这些设备就需要升级或更换。比如，为了实现特定回路的自动控制，需要修改或更换开关阀使其能像控制阀一样工作。

在其它案例中，在老系统中不易实现自动控制的地方，在新自动化系统中也许可以实现自动化。新自动化系统一般具有内置的先进过程控制特性，使其自动控制复杂回路。改手动控制为自动控制，减少所需运行人员的干预，进而降低人因故障，避免停机，改进生产，提高产出，带来短期和长远的投资回报。

很多老自动化系统，为工厂操作人员提供数据和图像的是过时的图形显示系统，分辨率低，显示屏质量低劣，没有足够大的屏幕。反之，新自动化系统可以充分利用过去几十年在操作员界面、硬件和软件上发生的巨大进步，来降低运行人员的疲劳，方便培训新运行人员，改进异常工况的管理。

自动化系统的升级能用一个更易于使用、维护的系统来代替过时的系统，意味着同时也是提高运行性能的理想时机。如果仅简单的做一个类似替换，那就丧失了巨大的机会。为了充分利用系统升级，降低风险，必须进行周详的FEL评估，检查受升级影响的各个方面，包括那些HMI、控制器和I/O之外的方面。