数字化升级,工业自动化工程新方法

2022-02-28 09:20:44 江苏省企业技术改造协会 89

随着新的开放流程自动化系统的开发和商业化,制造企业、自动化供应商和工程承包商都面临着采用新的方法开发自动化项目的机遇和挑战。自动化技术的进步为所有利益相关者创造了新的机会,用以降低其控制系统的更换和持续生命周期的成本,并从自动化投资中获得更多价值。然而到目前为止,由于对尝试新事物、投资新技术或改变现有业务实践犹豫不决或观望,因此获益不多,与期望值相距较远。太多的自动化利益攸关者被困在他们一直以来惯用的行事方式的状态中。这种墨守成规的态度使自动化投资的价值难以充分发挥,并且使制造商丧失了认识消除工厂/流程的低效率、将其运营提升到高绩效水平的机会。


本文将集中讨论近些年来工业自动化工程项目实施方法和流程的改善和提升。


传统与弊端


工业自动化工程项目管理的生命周期包括制定工程规格书、供应商选择(招投标)、前期工程设计、安装、调试投运、工厂验收试验(FAT)和启动运行各个阶段(见图1)。在有良好执行保证的前提下,时间跨度一般是两年。虽然在工程总投资中自动化的投资所占比例很小,一般只有百分之几,甚至只占1%,但是作为工厂运行操作状态的测量感知、控制和执行的手段,它对运行的影响和所做的贡献则高达30%以上。

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图1 工业自动化工程项目的工作流程(源自ARC网站)

这种传统的工程项目的工作流程最大的问题在于:1)按照固定的顺序依次执行,前面的阶段如果没有执行完成,后面的阶段无法启动。2)在工程规格书制定完成并冻结以后,前端工程设计所确定的环节和细节(如I/O通道的配置),在工程实施的过程中通常不容许修改或返工。3)具体表现为硬件支持物理需求的物理设计与具体表现为软件支持功能性需求能力的功能设计,二者紧密联系,难以脱钩。形成这些问题的原委主要植根于工业控制系统的专用性,不支持标准化的硬件设计,以及硬件和软件的强力捆绑。


工程项目实施的经验告诉我们,自动化往往是一个关键路径,而且对项目的启动投运时间和移交起着拖后腿的不良影响。为了应付和管理项目成本和保证进度,业主通常面临着从无停歇的挑战;还会遇到在最后的时刻需要更改和添加某些控制和测量手段,不仅直接影响项目的完工时间,而且还导致预算超支。这意味着工程项目实施的可预测性成了一个难解的关键。项目成本超支是失控并导致产生动态变化的诱因,由此造成的资本支出计划、资本回报率和现金流都不可避免地受到这些效率低下的负面影响。在新建的项目中,特别是在大型项目中,至关重要的是使风险最小化、增加灵活性和缩短进度。要尽可能达到这些要求,最重要的是让自动化系统不再成为工程实施的拦路虎。为此工程设计单位、自动化系统供应商和施工单位需要重新评估传统的工程实施和交付模型,在采用新的技术和方法的基础上发展新的项目执行模型,并适应新模型的进展,从方法论的角度改进工程项目实施的工作流程,并予以优化。


自动化工程方法变革的基础和方向


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图2 三种工程项目实施工作流程的比较(源自:Honeywell网站)

过去二十多年来,工业自动化项目实施的基本工作流程几乎没有太多的改变(见图2最上部分)。随着近些年来控制系统软硬件的模块化、云计算和虚拟化等新技术的采用,控制系统正在摆脱长期以来对专用硬件的依赖,与工程项目的实践结合起来,奠定了控制系统设计的灵活性、削减非增值的工程活动以及优化工作流程的基础。于是出现了将物理设计与功能设计分离的工作流程(见图2的中间部分)。显然,这为自动化项目管理和工程实施建立新的模型和方法起着关键作用。


再进一步优化,在模块化和具有互操作性的自动化软硬组件的基础上发展自动化工程项目开发的新方法,软硬解耦在工程设计和实施具体表现为所谓的“后期绑定”,即生产设施的硬件不必从项目启动时与系统工程设计文件紧密配合,据此生成的应用软件可以与生产设施的设计制造并行实施和执行,直到后期才将二者绑定进入调试阶段(见图2的最下面部分)。这一自动化工程项目开发的新方法必将为项目的投资方、工程项目建成后的运营方带来巨大的利益,主要表现在降低项目的成本、削减硬件的占用空间、缩短完成工程的时间,同时也为今后提高运营维护效率打下了坚实的基础。


图3更详尽地描述这一经过优化的工业自动化工程项目在完成制定技术规格书和前期工程设计之后的实施工作流程。基于物理设计与功能设计的分离,功能性设计可独立按下述流程实施:在进行与硬件有关的设计(包括I/O数量、类型、安装地点)、按现场仪表的种类和量程进行I/O地址分配均可在云上进行。之后,可以并行地进行中间编组接线设计(即电缆及其敷设设计)、系统组态、报警组态(依据报警上下限、报警状态和设定值进行)以及控制组态(根据流程仪表图P&ID和功能描述加上报警组态结果进行)。在系统组态和完成中间编组接线设计后要进行系统的现场测试验收(系统FAT),完成后可向业主进行部分交付。在进行系统FAT的同时,可依据示意图和前期工程设计有关操作规程的阐述开展人机界面HMI的组态。等待上述的工作完成之后就可以开展有关各种组态的现场测试验收工作,达到功能性的最终交付的要求。在物理设计完成并经过现场测试验收后,即可将两者进行后期绑定,开展现场的调试投运工作。

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图3 埃克森美孚采用的工程项目实施流程中的后期绑定

综上所述,工业自动化工程项目实施的传统方法必须改变。这既需要与项目相关的工作流程的变革,更需要确保使之工作流程变革成为可能的技术支撑。概括来说,通用的I/O系统和标准化的硬件系统、云基的工程环境和虚拟化的设计、仿真技术就是主要的技术支持(见图4)。以单点I/O(或称为通用I/O)为特征的新一代控制系统为控制系统工程和设计的新方法赋予了高度的灵活性,是实现模块化工程的重要手段。大多数工业自动化供应商都提供“云基工程”功能,创造了一个安全的、虚拟化的、基于云的环境,支持真正的并行工程,允许在不同地点的工程师团队为实施同一个自动化工程项目协同工作。这种运用标准的、模块化硬件和云基虚拟化的新工程方法为后期绑定技术提供了前提条件。从方法论的视角看,只有控制系统的硬件设计、配置可以与软件开发完全脱钩才有可能在工程后期实施硬件和软件的绑定。这样工程师可以在云端的纯虚拟环境中开发系统,并在工程调试投运的时刻将软件部署到硬件系统。它还允许将物理设计与功能设计自动绑定。事实证明这种不是在早期就把硬件系统设计和配置与应用软件的开发绑定,而是延迟到后期才予以绑定,减少并消除了工程计划和预算的风险,并提供了更多的灵活性和敏捷性。据一些供应商提供的真实数据表明,在硬件方面:盘柜、接线盒和桥架的数量可减少66%,接线端子可减少70%,室内占用空间可减少40%,自动化硬件成本可减少30-40%;在工程量和建造计划方面:仪表控制和电气的工程量减少30-40%,建造量减少20-30%,调试投运工作量减少20-30%,自动化的工作周期减少25%。

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图4 工业自动化工程项目实施流程变革的基础

后期绑定对工程项目生命周期产生重大影响,主要在于:1)可以取消硬件FAT(现场验收测试)。由于系统设计完全包含在软件之中,因此通过硬件虚拟化的方式实现验证,而不必在现场重复进行FAT的工作完全可行。另一种表达就是用虚拟化的硬件去验证软件设计的正确性和可靠性。2)为并行的工程设计创造了条件,即使工程设计人员分布在不同的地点,也可以凭借云基的基础结构组成灵活的团队完成控制系统的软件组态、编程和调试。这种新型的项目工程设计实施方法确保了项目执行的某些阶段可以用很少的相互牵连的方式并行地执行,系统的硬件和软件可以同时进行配置和组态,从而导致项目的执行时间可从18-24个月缩短为12-18个月。


I/O的突破


在流程工业中,DCS系统的I/O一直沿用输入输出类型固定、通道也固定的模块,由此派生出的现场接线方式和通过中间编组接线箱进入控制系统的I/O模块的方式也一直沿用至今。常规的I/O模块不论是模拟量输入和输出还是开关量输入和输出,都由其专用的连接点与现场信号连接。这些在前期的工程设计中已经分配好的I/O地址,一旦在工程调试后期不得不有所调整和改变时,就可能产生麻烦的返工问题,从而影响施工的进度和工程成本。这种固定的I/O结构显然难以适应工程后期的改动。在实际工作中后期的改动常常是难以避免的,为此不得不在在项目的前期预留一定数量的I/O通道,也就是说从现场接线到中间编组接线箱,再到DCS的I/O模块以及控制柜都得预留备用的接线和空间。


在流程自动化领域,正是对灵活性和成本效率的需求推动了终端用户采用通用I/O的控制系统和机柜设计。领先的自动化供应商已经开发了新型的I/O系统的解决方案,采用可特征化的I/O(Characterizable I/O)(见图5上部 )和可组态的I/O(Configurable I/O)(见图5下部 )或者是二者的组合,构成所谓通用的I/O。可特征化的I/O是指I/O模块可插在标准机柜的任意插槽中,信号类型取决于插入插槽的硬件模块。可组态的I/O是指I/O模块中每一个信号通道的类型都可以用软件组态而不是依赖硬件予以确定,这提供了极大的灵活性和每个通道的独立性。这类I/O不仅仅有助于为日工程后期更改提供灵活方便的手段,还由于模块所占用的空间小了,功耗低了,发热量也减少了,再加上如果使用现场总线或工业以太网升级成了网络I/O,电缆及其敷设以及现场接线盒、中间接线箱和接线端子的数量都随之有多达66%的降低,施工量的减少又可确保工程的进度。运用网络I/O(如现场总线FF、Profibus PA)也允许在后期调试中增加反馈和辅助测量信号和辅助控制信号,而不必为此另外增加接线。更改I/O连接的仪表设备也无需更换I/O模块,需要增加一些仪表设备也不必再敷设电缆。今后随着现场仪表设备的智能化越来越普遍,所能提供现场信息越来越多,响应还越来越快,也完全没有必要为这些信息的增加担忧传输信息的路径,网络I/O的电缆依然可以发挥作用。所有这些直接和间接的效应已经通过工程实践获得了很大成功,还为硬件设计制造与应用软件的设计调试脱钩,为项目工程的管理由前后阶段的串接方式进化为并行方式创造了前提条件。

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图5 可特征化的I/O(上)可可组态的I/O(下)(源自:ARC网站)

实际上,通用I/O(或称单点I/O或单通道I/O)只是众多I/O系统中的一个主要选项,像常规的多通道I/O、通过现场总线接入I/O 、远程I/O或采用RS 485的串接I/O仍然会在系统中有它们发挥的机会和场合。


I/O 的DICED概念,即自动检测、自动集成、自动组态、自动启用、自动生成文档的概念(Auto-Dedect, Auto-Integrte, Auto-Configure, Auto-Enable, Auto-Document)最初来源于美国埃克森美孚,这将智能I/O推进到更高层次。其实际意义是通过DICED把自动化工程项目中的许多关键要素予以自动化。最早DICED的概念是采取必要的技术手段使基于HART现场总线的仪表设备能实现自调试投用(Self-commissioning),之后一些自动化供应商将这类功能扩展到开关以及数字化的设备。在实用化取得成功后,这项技术把流程自动化系统的调试投用时间大幅减少,估计能节省80%的时间。DICED还为用户大大地简化项目整理竣工文档的工作量,而且会消除出错的人工因素。自动生成现场仪表的安装连接图使得工程设计承包商不必再为此花费精力,而工程施工单位按图连接仪表后,只要将接线与最近的智能化接线盒相接,待到控制系统上电之后仪表回路就能够自动进行调试投用。由于智能化I/O无需在意连接的极性,施工方不会犯接线的错误,因而也不必要再化人工进行检查,使自动化系统达到了“傻瓜机”的水平。当项目完成后操作DICED软件进行不多几个点击就主动生成所需的仪表安装连接的竣工图。


显而易见,采用通用I/O对自动化工程项目的影响不仅仅在于减少了硬件、占用空间和接线,还有一个重大的影响是促使系统结构产生了一个基本的转变,特别是它使系统与硬件相关的工作范畴和系统与软件相关的工作范畴相互分离,因而从自动化工程项目的管理视角看,与软件有关的设计、组态、编程和调试完全可以在硬件设计、配置和制造尚未完成的过程中独立进行,待硬件完成工程验收后再与软件进行绑定,这就是所谓的后期绑定,或者灵活绑定。


从传统的固定I/O,向通用型I/O转化,已经拉开帷幕。


仪表自动化和电气自动化拉手


在工程项目中电气资产占据项目成本中的一个相当大的份额,在许多情形下电力系统的I/O数量不会少于流程自动化系统的I/O数量。因此,电力系统也同样受到项目成本上升、人力资源受限于熟练工和富有经验的工程师的短缺,以及电气资产需要更好的可视化和可操作的信息等的挑战。


正如前面讨论流程自动化系统可以从新型的项目工程和执行方法中得到许多利益,电力系统也同样从中受益。如果工厂和工业设施中占据电功率最大消耗的电气产品(譬如开关设备、驱动设备和马达控制中心MCC),也能将其I/O与系统采用可特征化或可组态的I/O形式,那么不但能像自动化系统那样在工程项目实施的各个阶段采用并行的方式取代串行的方式,迈入了新型的工程执行的生命周期;而且以前分离的工作范围现在整合在一起,编制工程规范书、进行工程设计以及现场测试和调试投运的时间都会有显著的缩短,同时工程数据的复用导致工程量可以减少30%。


这就提出了一个新的挑战,有没有可能把以往按自动化和仪表专业与电气专业这两个孤岛进行单独集成?是否可以一改以往自动化系统和电力系统因为功能性截然不同而分别实施、各自独立负责运行的局面呢?


如果可以集成,那么又应该怎么集成才合理,才能带来期望的收益呢?过去流程的操作人员甚至维护人员缺少了解电力系统的可视化手段,他们并不清楚电力系统的运行状况,也不知道自动化控制系统和设备消耗了多少功率。在一个公共的架构内把自动化产品和电气产品集成起来,导致工厂的维护人员在资产管理的框架下得以优化维护实践,把仪表、仪表装置、电机、变压器、继电保护设备、驱动设备、通信网络和智能化的马达控制中心等统一管理起来,运用适当的软件工具对上述的所有资产实行远程维护,收得降低风险、确保功能安全和信息安全的实效。目前许多供应商提供了对制造过程供电和电气侧的可视化方案,我们应该立足于更主动和更积极的立场将这两个专业领域进行有效的集成,以期收到大幅度降低能耗和降低项目工程成本的效果。


IEC 61850是一个基于以太网、已广泛成功实施自动化系统和电气系统紧密集成的解决方案的基础。这个国际工业标准定义了开关装置中智能电器设备和相应的系统之间的通信,考虑到所有的电气自动化和工程的功能,因此可以认为IEC 61850是集成自动化系统和电力系统的关键技术标准。就像现场总线可以为不同厂家的仪表和控制阀提供较高等级的互操作性一样,IEC 1850标准为不同厂家的电气设备提供了互操作性的保证;而且也具有和现场总线一样的增强的故障诊断和资产管理的能力。

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图6 采用IEC 61850集成自动化系统和电气系统的解决方案(源自:ARC网站)

由图6可知,符合IEC 61850标准的以太网网络,既可以作为电气设备之间的横向集成通信网络(智能化分站间的通信),也可以用作这些电气设备与控制系统服务器之间的纵向集成的通信网络(服务端/客户端机制)。DCS系统的控制站之间可以通过控制网络进行通信,在其下既可以通过现场总线与各种仪表、控制阀通信(如图7所示左面的控制站),也可以通过IEC 61850规范的以太网与各种电气设备通信(如图7所示中间的控制站)。图7示出IEC 61850选择的通信模型采用基于ISO/OSI七层模型的通信模式,其通信栈选用over TCP/IP的 MMS(Manufacturing Message Specification)。

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图7 IEC 61850的通信模型(源自:ABB网站)

目前像ABB、施耐德电气等都有很好的自动化系统和电气系统集成的解决方案和实践经验。有的则通过高级虚拟化工程平台(如Honeywell的Experion PKS系统的工程平台)与第三方的服务器通信连接,执行与基于IEC 61850的电气系统的集成。


焦点:虚拟化工程平台


在产品竞争之外,积极采用工业自动化工程项目实施的新方法,全面提高系统集成和服务质量是主要工业自动化供应商的另一个重要竞争方向。基于虚拟化工程平台的技术服务,已成为这些公司相当大的创收份额。有些公司在应用项目实施新方法之前技术服务占到总营业额的20%左右,应用新方法后就可能达到30%以上,甚至更多。因此,我们看到继Honeywell在8年前推出了LEAP(Lean Project Execution,精益项目执行)之后,ABB推出智能项目(ABB Intelligent ProjectsTM)和自适应项目(ABB Adaptive ProjectsTM),日本横河推出APEX(Agile Project Execution,敏捷项目执行)。其他如西门子、施耐德和爱默生等也有各自的解决方案。为此,各有关公司建立了技术服务的服务器群,竞相开发了私有云工程平台,由多个内部的数据中心运营着数以千计甚至万计的虚拟机,为分布在全世界各地的工程项目服务。据Honeywell前几年发表的数据可知(见图8),其虚拟机的系统能力达到27000台,实际运行达到11000-17000台的规模,每个月有数百个工程项目系统在周转。

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图8 Honeywell公司的私有云工程平台(图源:Honeywell网站)

必须在拥有丰富经验和深度的专业知识的基础上,才可能在流程工业自动化领域运用虚拟化技术,为新建的流程工厂也为现有的流程工厂提供设计、开发和工程实施的虚拟化解决方案。一个完整的解决方案应在充分理解流程自动化设计要求的基础上,协同流程工艺、自动化、仪表、电气、通信、安全(功能安全和信息安全)等多专业的知识和经验,运用IT领域的虚拟化技术构造一个集成的虚拟化环境(包括设计、执行和运行诸阶段的系统数字孪生,即仿真的集成环境),并与为控制和自动化用户提供解决方案的供应商保持一致。换句话说就是必须全面的虚拟化,而不是局部的虚拟化;必须对工程实施的全过程虚拟化,不只是支持应用组态和程序的虚拟化。因此虚拟化技术供应商应该提供下列各种要素:


☆ 经过验证并获得业界公认为行之有效的流程控制系统虚拟化方面的专业知识。

☆ 虚拟化场景必须包括所需的全部硬件和软件的组件。

☆ 由计算机辅助进行虚拟化部署的安装和组态,并且对所支持的节点进行性能指导。

☆ 为虚拟化基础设施提供产品、服务和长期支持的“一站式”服务。

☆ 支持虚拟化的长期战略方法,包括未来产品的路线图。

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图9 建立全局化的工程项目交付模型(来源:Honeywell网站)

利用虚拟化的工程平台实施工程项目的管理和运作,建立在全局化的工程项目交付模型的基础上(见图9)。交付模型要求在技术标准的基础上,通过样板、工作指南、检查清单、标准化的工程数据库和标准化的设计、仿真等工具,按照全局项目管理方法论GPM(Global Project Methodology)的方法、逻辑和顺序实施,在公共的工程平台上自动生成项目的交付成果。在项目执行过程中,进行数据驱动的集成化项目管理,数据包括计划进度、资源、采购、财务和其它有关的数据,管理包括项目计划和调度、资源管理、成本和现金预测管理、更改变动管理、风险管理、场景和项目评估、运行仪表显示等内容。显而易见,这种平台的开发、完善、持续改进和持续服务绝非一日之功,是领域知识、经验、诀窍的长期积累和沉淀,是OT和IT深度融合在此细分行业的体现。


小记:开放自动化与虚拟化工程平台携手共进


将近二十年没有什么变动的工业自动化项目实施方法和流程,由于其在计划进度和工程成本等方面难以控制,现场的工作量巨大致使有效性难以满足要求等原因,多为最终用户所诟病。现今,控制系统的标准化特别是I/O系统的通用化已成为现实可行,加之虚拟化和云基工程平台在工业自动化领域应用的迅速发展,使得工业自动化工程项目执行实施的新方法和新流程在近些年来正在推广运用。一些居于头部地位的工业自动化供应商往往是许多大型项目的主承包商,其系统集成的能力和业绩以及项目实施管理的手段不可避免成为市场竞争、争取项目中标不可或缺的重要因素。国内居于领先地位的DCS厂商鲜见有这方面的报道和信息。


笔者曾撰文指出开放自动化目前开展的三个方面中,除以美国开放流程自动化论坛OPAF倡导的开放自动化标准和以德国NAMUR倡导的NOA(NAMUR Open Automation)和以模块化为主要特征的模块类型包MTP(Modular Type Package)之外,另外一个重要的方面是在模块化和具有互操作性的自动化软硬组件的基础上形成自动化工程项目开发的新方法,软硬解耦在工程设计和实施具体表现为所谓的“后期绑定”。参考国外先进工业国家的技术发展动向,结合国内的具体情况开展开放自动化的机会正等待着、期望着工业自动化的从业人员施展拳脚,这应该也是工业数字化转型大有用武之地的长远之计。


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