控制系统(DCS)现代化的新途径——与I/O无关的解决方案

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| 图片来源：Emerson

作者 | Aaron Crews

选择与I/O无关（I/O-agnostic）的接口，可以在不更换现有I/O的情况下，升级到最新控制技术。

现在的生产制造企业承受着巨大的压力。这些工厂使用的通常是20到40年前的控制技术。在很多情况下，控制系统已经到了技术支持的末期，这可能会导致诸多问题。

供应链问题使得为老化的控制系统寻找替代部件更困难，从而导致交付周期长、停机时间长。可用的零部件供应商提供的支持往往是有限的，而且缺乏有老旧系统经验的人员，这意味着等待支持的时间很长。自动化技术提供的许多安全和效率提升功能要么难以连接，要么无法适用于旧有的控制系统。

由于公司管理层要求更好的性能、更高的效率和更可持续的运营，所有这些问题都会因之而更加复杂，如果没有合适的自动化技术将很难实现这些目标。因此，越来越多的制造企业在寻求实现控制系统的现代化。很多工厂发现，一些新技术可以在不影响预算或造成长期运营中断的情况下，提供了更多的选择（图1）。



▲图1：现代自动化系统比传统的系统带来了更多的优势，帮助最终用户获得快速的投资回报。

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升级控制系统的原因

与10年前相比，现在的工厂大不相同。如今的工厂不再拥有一批经验丰富、能够直观诊断和管理运营与维护问题的人员，而新加入工厂的年轻员工还需要很长时间才能具备这种经验和直觉。

因此，成功的工厂依赖于自动化系统中内置的决策支持技术。现代控制系统旨在通过直观地集成自动化解决方案，使工厂更安全、更可靠。如今，无处不在的传感组件可监控工厂中的每一项资产，以确保其能达到最佳性能。这些组件将收集到的数据发送给控制室的操作员，并提供可操作的建议，以保持工艺处于最佳运行状态。报警管理软件可消除报警泛滥，使工厂人员更安全，同时帮助他们避免环境事故。先进过程控制（APC）有助于将最佳实践锁定到系统中，这样无论操作员的经验水平如何，工厂和设施都能以最佳状态运行（图2）。



▲图2：现代控制系统更易于利用自动化技术，这些技术帮助制造企业以最佳状态运行。

这些先进的技术有助于工厂以最高效率运行，从而创造竞争优势。但它们也都很难（有时甚至不可能）用传统的控制系统来实现。出于这个原因，许多工厂都在寻求实现控制系统的现代化，以更好地利用其所带来的易于集成的特性，但要做到这一点，通常必须超越传统的现代化方法，寻找更实惠、更高效的解决方案。

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实现控制系统现代化的更好方法

虽然运营团队清楚控制系统现代化有助于解决工厂面临的诸多问题，但许多团队面临着一个难题：具有他们想要和所需功能的控制系统通常来自不同的自动化供应商，而不是他们现有的传统控制系统。

更换控制系统通常意味着重新布线和更换I/O，这将是一个耗时、昂贵且容易出错的过程，有时还会延长停机时间。面对紧张的资本支出预算和对长期生产中断的有限容忍度，项目团队经常难以为他们所需的现代化建立商业案例。

由于需要重新端接成千上万根电线和更换数十个系统机柜，因此更换现有I/O可能是成本高昂、耗时且有风险的。每个正专注于手动将I/O转换到新控制系统的员工，都无法专注于工厂中其它有价值的任务。负责这项任务的人越少，转换所需的时间就越长，从而导致生产损失的增加。

在过去，该问题的唯一解决方案是由同一控制系统的制造商进行渐进式升级，尽管这仍然很耗时，但并没有那么离谱。但这样的策略不太可能提供团队所需的所有最佳实践技术，而且以后工厂想要升级都只能选择该供应商，无论该供应商是否能够提供所需的技术和支持。

当今的I/O技术为制造企业提供了控制系统的新选择和更多的灵活性，而不管他们之前使用的是哪种传统技术。现在，项目团队可以选择与I/O无关（I/O-agnostic）的接口，将新的控制系统直接连接到传统的I/O，而无需拆卸和更换旧的接线和终端。与I/O无关的接口可以减少停机时间，降低升级项目的复杂性，同时还可以降低资本支出成本。

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大幅缩短项目升级的时间

传统的项目升级通常需要人数众多的大型项目团队，在新的控制系统上线之前，将旧I/O转换为新I/O。通常，转换数万个端子可能需要数周或数月的人工劳动（一般取决于迁移团队的规模和技能）。

使用与I/O无关的接口，项目团队无需在启动新的控制系统之前转换老旧I/O。相反，与I/O无关的接口是旧组件和新控制系统之间的桥梁。该团队只需更换现有控制器和操作员接口组件，通过连接到I/O无关接口的通信电缆来连接新控制器。使用这种策略，团队可以选择其项目升级的规模和进度：逐个控制器、逐个控制台或按照设施区域进行（图3）。



▲图3：与I/O无关的解决方案为过程制造商提供了一个新途径，可以在不更换现有I/O的情况下，采用其所选供应商提供的最新控制技术。

例如，对于由50个控制器节点控制2万个I/O的工厂，要实现自动化系统的现代化可能需要数月或数年的时间。这一过程以往可能需要数十名技术人员，在数小时内追踪、更换和重新端接电线。

采用与I/O无关的新解决方案可以显著缩短项目升级的时间。而且，项目团队可以单独更换控制器，保留传统的I/O，以获得现代控制系统所带来的好处，而无需进行全面拆卸和更换，也就没有相应的成本和麻烦。

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缓解企业现有的成本压力

任何一个项目团队的预算都不是无限的，但由于工厂在提高产量、效率和可持续性方面面临着越来越大的压力，现在的项目资源往往比过去更加有限。团队的其它关键项目资金来源相同，在现代化项目每多花一元，其它项目就会减少一元。

许多项目团队正在寻找与I/O无关的解决方案，这些解决方案为他们提供了实现系统现代化所需的财政灵活性，而不会影响其它关键任务。该团队无需花费大量的资本支出来拆除和更换旧的I/O，因此可以将该项成本从项目预算中剔除。

由于I/O无关接口使团队能够按照自己的时间表切换I/O，因此他们可以选择在切换完成后的工厂运行期间更换传统I/O。此策略将I/O费用更换转移到运营预算中。

控制系统现代化通常本身就是一个省钱的选择。支持老旧系统的成本通常很高。很少有公司拥有一批具有几十年前的控制技术经验的人员，即使有这方面的专家往往也很昂贵，而且需要等待很长的时间。如果一个机组或车间因为由于需要等待技术人员而停机，那么这将是一个昂贵的提议。

升级到现代控制系统后，工厂可以获得更多可用的支持人员。无论工厂是聘用接受过最新控制技术培训的新技术人员，还是依靠可信赖的自动化供应商提供的顾问支持，现代系统的支持通常都更加方便、高效和经济。

考虑一家拥有数十万个I/O点的制造企业。整个控制系统的现代化将是一项艰巨的任务，即使有必要也不太可能启动这样的项目。在这种情况下，实施与I/O无关的解决方案，可以让企业将所有工厂转移到新的、高效的控制技术上，同时保留更换成本最高的I/O部分。

将其作为运营预算的一部分，企业不仅可以在未来5到10年内逐步实现 I/O 过渡，从而获得经济效益，而且还能利用新控制技术的优势，获得更好的性能和更高的产量，从而更容易达到更高的基准，并快速获得投资回报。

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消除控制系统升级的障碍

在一个预算紧张、人员短缺、持续制造需求不断增加的世界里，控制系统的项目升级似乎遥不可及。有时，让老旧系统继续运行或稍作更新，似乎是唯一的解决方案。

事实上，与I/O无关的接口正在改变实现控制系统现代化的范式。如今的工厂可以在保留现有I/O的同时，从最佳实践技术中获益，如报警管理、先进的过程控制、预测性维护等。这有助于消除与实现系统现代化相关的很大一部分成本、时间和风险。

关键概念：

■ 学习如何借助数字孪生来运行虚拟的安全场景。

■ 了解如何使用审计和智能传感器来提高安全性和电气系统性能。

思考一下：

您的工厂采用哪些方法提升电气系统的安全性？

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