浅析仪表和控制系统现代化的挑战

作者 | Kevin Finnan

仪表和控制系统运行人员正在着手应对日益老化的工业设备，这些设备使其无法充分利用现代技术优势，如获得实时信息，从而影响其做出更好的决策。

在今天的商业世界，需求是动态的。我们的沟通、信息交流、收集数据、分析和报告的方式已经经历了许多变化。现在，这个步伐正在加快。企业的经营者们开始思考，是该更新技术，还是面对落后所带来的的后果？

使用老化的仪表和控制系统运行是工厂管理面临的一大挑战。工厂的经营者往往面临各种各样与老化相关的问题，如传感器未校准、脉冲线堵塞、虚假停机、阀门卡塞和执行器故障等。其结果是系统的可靠性不足，工厂安全受到威胁。

此外，随着公司数字化转型的推进，老化的仪表和控制系统可能会出问题。旧平台不仅无法提供数字化转型企业所期望的更多数据，在新商业环境中甚至可能无法进行通信。此外，由于现在没有一个系统是通过隐蔽来实现安全的，因此它可能会带来网络安全风险。

制造企业在考虑仪表和控制系统现代化时都需要考虑哪些问题呢？建议仔细思考如下几个问题（如图1所示）例如，继续运营和维护老化的系统是否值得？新系统的好处和附加值是什么？更严重的是，继续运行现有系统，是否可以确保安全？

▲图1：边缘应用最好建立在硬件、软件和网络产品的成熟平台上，这样用户可以轻松连接众多OT设备和系统，并将其与IT资源无缝连接。

01

仪表和控制系统现代化的挑战

仪表控制系统现代化改造项目通常被视为基础设施项目。一种趋势是简单地确定分布式控制系统（DCS）的范围，同时忽略所连接设备的其它风险或问题，这些设备也可能是过时的。许多管理者将现代改造化项目视为纯粹的防御性举措。主要目标是克服旧系统或仪表的缺陷，但在其它方面保持装置或工厂的原样。

如果唯一期望的结果是改造现状，这种“以点带面”的方法可能会成功。许多项目都是按照这一原则设计的。该方法的问题是错失重大机会。这可能再次阻碍数字化转型，并带来网络安全风险。也可能会使未来的技术升级或向开放体系结构过渡变得更困难。

实施此类项目是一项重要的工作，只有经过精心规划才能取得成功，因为项目失败带来的后果会很严重。成本可能失控，生产可能中断。配置不当的系统或仪器，可能会在控制过程中出问题。另一方面，如果规划得当，现代化改造项目甚至是大规模系统的迁移，都可以在预算内按时分阶段进行，从而显著改善运营。

02

推动实施现代化的三大因素

值得注意的是，20世纪70年代和80年代设计和安装的许多DCS平台，都具有较长的寿命。不幸的是，这些系统正在逐步老化。在很多情况下，许多设备需要升级，或者可能需要完全迁移到新DCS并使工厂实现现代化。

过时的系统；是什么推动了工厂的现代化？以下三个挑战是实施工厂现代化改造项目的主要推动力：

■ 过时的系统；

■ 合规性：健康、安全和环境（HSE）问题；

■ 数字化转型/向卓越运营转型。

01

过时系统的困境

用老化的仪表和控制系统来运营工厂，会给运行人员和生产过程带来一些潜在问题。除了前面提到的与年龄相关的问题外，大多数控制系统的文件，包括工艺和仪表图（P&ID）、控制说明、策略以及控制系统利用率，可能都不是最新的。此外，企业还可能缺乏完整的备件库存，部分零件已不再供应。旧的控制系统平台和仪表，增加了故障和生产中断的风险。它们也缺乏新系统具备的很多功能，也就无法用其来提高工厂的性能。

ARC咨询集团的相关研究显示，自动化系统的故障率数据并不准确，支持信息所提供的实际故障率范围很宽。在很多工厂中，用户确实会跟踪故障，但故障分析不足以帮助准确预测寿期结束。通过观察NASA提出的“浴缸曲线”理论图（请参考图2），“这是否是一个有效的分析”的问题就会产生。对于许多自动化系统而言，沿x轴的时间最终会落在15到50年之间。在确定资产寿命终止时缺乏准确性，使得围绕这一重要领域的决策变得异常困难。

▲图2: “浴缸曲线”风险函数（蓝色实线）是早期风险故障（红色虚线）和损耗故障风险（黄色虚线）的组合，加上一些随机故障的持续风险（绿色实线）。该曲线在可靠性工程中被广泛使用，描述了危险函数的一种特殊形式。

02

合规性：健康、安全和环境（HSE）问题

在当今的工业制造运营中，人们越来越重视健康、安全和环境。但不幸的是，即使安装了安全系统和其它预防措施后，原本认为已经足够了，但许多设施仍继续发生事故。

在过去25年多的时间里，过程工业见证了过程安全标准的不断发展。这些行业标准旨在提供指导和最佳实践，以管理与化学品、碳氢化合物和其它危险材料的制造和处理相关的固有风险。2018年，北美版和国际版本合并，创建了ANSI/ISA-61511-2018/IEC 61511:2016《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》。现在，该标准是全球设计、实施、运营和维护安全仪表系统工作过程的主要驱动力。

▲图3: 仪表控制系统现代化的三大驱动因素

03

数字化转型/向卓越运营转型

根据ARC咨询集团的说法，对于许多工厂业主来说，仅仅是陈旧过时，并不能证明实施大型资本升级项目是合理的。相反，提升功能和系统性能以提高运营的卓越性，是影响融资决策的主要标准。

03

推动工厂实现现代化的新机遇

提升功能是工厂实施最新技术和创新能力的概念，可以应对特定行业中与技术相关的各种挑战。为了应对未来的这些挑战，可能需要新技术或创新。如果仪表和系统的安装基础无法支持新技术，则可能需要升级甚至完全将其更换。在这种情况下，这些“未来平台”可能会推动工厂实现现代化。

▲图4: 典型的工厂和设备的生命周期

01

网络安全

控制系统的不断发展，使组织能够长期保护设备和控制策略方面的投资。然而，几十年前的控制器与当前技术的接口，也使该设备容易受到间接攻击。所有这些系统都有一个共同点：它们在获得支持方面存在差距。这使其比当代系统更脆弱。

现代系统支持新的网络安全方法，这些与工业资产保险、HSE和灾难恢复策略的一致性，通常会导致超过预算周期。网络安全战略已从需要解决的问题转变为需要管理的风险。当企业以这种方式看待网络安全时，就消除了神秘感，成为管理层可以采取行动的问题。

新仪表控制系统适应不断发展、威胁不断变化的网络安全形势。管理层不需要再为技术问题分心，从而可以专注于应对风险。

02

不断发展的劳动力

对于过程工业来说，寻找经验丰富的人员已经是一项重大挑战。一家大型炼油公司的高管表示，当大量运行人员退休时，公司可能会失去多年的宝贵经验。

研究表明，造成计划外停机的最大原因是操作失误或人为失误，占到过程工业计划外停机总数的42%。然而，有一些方法可以帮助运行人员在压力增加时做出最佳决策，例如在启动、过渡或出现异常情况时。随着对人身安全、绩效管理、持续改进和培训的日益重视，公司正在对员工进行投资，并渴望应用新兴技术。

03

控制室的设计

设计合理的控制室会让人感到放松和安全。因此，运行人员和管理人员可以完全专注于工厂的运营和稳定性。数据完整性和数据可用性的改进，加快了各部门之间的通信，从而优化了总体运营。

04

模块化的流程自动化

部署模块化的流程自动化（MPA） 的好处比人们想象的要多得多。MPA将标准操作程序数字化，这对实现安全和提高效率至关重要。MPA有助于确保在过程中，保留经验丰富的运行人员的专业知识，并为新运行人员提供更多了解过程的机会。完成的关键绩效指标，可能包括大幅减少运行人员操作的次数、每个运行人员处理的报警数量以及过程过渡期间的稳定时间。

此外，数字化程序可以用数字孪生作为补充。数字孪生实时模拟运行人员，并结合了对过程、标准操作程序和多种情况下人类行为的深入了解。高级决策支持允许测试“如果”和“什么是最好的”场景，以确定可用的策略，这些策略不仅可以提高运行人员性能，还可以提高质量、安全性、过程正常运行时间和过程性能。

在过程控制系统中大量使用手动运行程序的公司，也可以使用数字孪生作为从半自动操作到完全自主操作的过渡。由于MPA解决方案可与现有系统结合使用，从而可以为现代化改造项目提供灵活性。

05

人机界面

安全高效的运营，取决于在工况达到不安全或不期望的生产条件之前，运行人员快速识别潜在工艺偏差的能力。

现代人机界面（HMI）符合异常情况管理（ASM）联盟的建议，包括用于澄清过程操作的标准化的符号库。现代HMI支持当今移动设备用户所期望的功能，如增强现实和虚拟现实（AR/VR）功能，这些功能增强了运营人员的体验。

今天的系统还完全支持自主远程操作。尽管在COVID-19爆发之前大部分功能都可用，但疫情加速了最终用户的接受。在现代制造业中，操作员和技术人员已经不是必须出现在现场。

06

操作员培训系统

鉴于许多操作员退休所带来的挑战，特别是那些熟悉高效和安全操作的运行人员，趁早培训新操作员，让经验丰富的操作员成功传授知识变得至关重要。

现在的过程模拟器通过描述实际的过程操作（包括问题和异常场景）提供了出色的解决方案。模拟器提高了运行人员响应的质量，并提高了对过程混乱和事件所采取行动的及时性。如果数字孪生与操作员培训系统一起使用，则可以根据实际事件定期更新。

07

报警管理

现代改造化项目通常为提高报警管理质量和效率提供了绝佳机会。报警管理和报警系统合理化，可以大大减少运行人员必须做出响应的报警数量。预防运行人员信息过载，确保他们对重要报警做出适当和及时的反应。

08

协作移动机器人

尽管取得了这些进展，制造商仍然面临着人员配置方面的困难。与此同时，对员工福利和人身安全的担忧也在增加。协作移动机器人是一种新兴的解决方案。机器人可以代替人类操作员或技术人员，冒险进入危险区域进行检查。无人机可以在存在高危工况的环境进行操作。现在的视听和传感技术可以模仿人类的感知，使机器人变得更有效。

先进过程控制的优势现代系统使将人工智能和数字孪生等新技术注入架构变得更容易。最终用户可以用可靠的投资回报跟踪记录，来证明先进过程控制（APC）的合理性。

▲图5：MPA将所有运营商的最佳程序合并为最佳实践标准操作程序。

到目前为止，由于世界上几乎所有的工业过程都处于自动控制之下，APC是合乎逻辑的下一步。很多设施都实施了APC，而且取得了不同程度的成功。现在，APC主题专家已经学会了如何取得可靠的结果。

多变量控制（MVC）是APC平台的关键部分。它实现了最佳的过程稳定性，并提高了生产率。MVC通过使用过程动态模型进行预测控制来实现这一目标，事实证明，这些模型可以提高产量，节省能源并减少质量浪费。

如今，更加用户友好的先进控制和实时优化工具，在保持盈利、竞争性运营方面发挥着更大的作用。APC解决方案为过程装置带来了诸多优点，例如：提高过程产量；提高吞吐量；降低能耗以及提高过程稳定性。

04

升级系统的好处

由于技术进步的步伐不断加快，工厂经营者发现维护老化或过时的仪表和控制系统变得更加困难。尽管其中很多系统运行得更可靠，持续时间也比预期长，但现在它们带来了太多的风险。这不仅包括网络安全，还包括HSE问题以及可持续性方面的新期望。

新的需求，如支持数字化转型和满足不断发展的劳动力新需求的举措，使管理层能证明对仪表控制系统现代化的投资是合理的。如果新系统能够部署先进过程控制（APC）等技术，那么由此产生的运营改进可以用来证明成本的合理性。

关键概念： 

■ 实现仪表和控制系统现代化的项目通常被视为基础设施项目。

■ 实现现代化的三个驱动因素是过时的系统、合规性和数字化转型。

■ 先进过程控制系统是一种经证实的技术， 最终用户可以获得满意的投资回报率。

编辑：黄飞