工厂自动化系统中的第二层管理网络

我父母的汽车只有3个传感器来向驾驶员提供信息： 油表、温度表和油压报警。他们定期的手动检查胎压、水位和其他液体。在汽车维修厂，维修工使用专门的设备来找到问题所在。 现在的汽车拥有数十个传感器和多种数字通讯网络，提供启动和制动、空调以及其他信息。一些原始信息被显示到面板上共驾驶者所用，更多的信息被拥有不同面板的维修站的维修工所用。 这些网络化的传感器使现代的汽车更加可靠，燃油效率更高，更加环保和安全。现代的工厂面临许多的挑战，也建议采取类似的方法来解决。 现代仪表提供的过程关键参数的测量结果越来越好。这些测量结果帮助我们安全的控制工厂。但是工厂同时还面临环保法规、人员安全、能源消耗等问题，他们必须决定如何应对这些挑战。 所有的这些对于工厂运行非常重要但又不是日常过程操作的问题，被定义为“关键业务”问题。它包括工厂安全，环保、可靠性和能源消耗。 由于这个原因，现有的许多工厂都在进行现代化来解决关键业务问题。这些测量部分是为了控制室的操作员运行工厂所需，但是大部分是为了控制室之外的人所用。这些信息被提供给工厂层面的运行和维护组织，帮助他们使工厂运行更加可靠、环保、安全、能耗更低。 测量信息的缺失 在控制室内的操作员，利用集散控制系统（DCS）和安全仪表系统（SIS），可以得到他们需要的实时数据来完成他们的工作—使工厂安全有效的运行。 数据来源于现有的有线传感器，这些传感器是工厂自动化基础层的一部分，基础层用来实时闭环控制关键过程参数和实现功能安全。在工厂开始建设时，这些就已经存在于P&ID 功能结构上了。 然而，工厂的其他重要人员如维修、可靠性、能源效率和HS&E 部门的人不在控制室中，并且只能的到很少的所需数据。有太多的数据他们无法得到或必须手动收集，这些数据被称为“测量信息缺失”。 而这些缺失的测量数据可以分为主要的3个用途：重要资产可靠性的监测，能源效率的监测以及降低环境和工厂安全风险的HS&E 的监测。 减少停车时间、降低能源成本、减少环境影响、降低人员风险是全世界过程工业的主流趋势。为了获得在这些方面采取措施所需的数据，工厂需要增加自动化的程度。 那么为什么工厂没有为控制系统增加更多的传感器呢？在过去，增加一个新的传感器需要切开和焊接管道或容器，而这只能在大修时进行。进一步讲，必须敷设信号线和供电线，同时在敷设时必须将接线盒和电缆槽打开，这增加了破坏现有电缆的风险。因此，许多改进计划没有得到批准。今天，工厂为 “无处不在的测量”发现了许多革命性的解决方案”。 无线 现在许多传感器是非侵入安装的，例如温度传感器可以夹持在管道的外，无线压力传感器可以安装在现有压力表的接头上，旁路阀和其他手阀的阀位传感器可以安装在执行器的外面，监测疏水器失效和安全阀泄放的声波传感器可以捆绑在管道的外面。 振动传感器可以固定在设备的外壳或者用磁铁粘贴，无需配备管工，因为在安装的过程无需对管道进行切割，省时、省力并减少成本和安装风险。 P&ID 之外的应用要求大多数时候不像P&ID 控制回路和安全功能那样苛刻。对于这些应用来说，贴壁式温度传感器测量的管道表面的温度就足够准确了。同样的，如果振动传感器能够提供所需的数据，非关键机泵和其他设备可能就不需要大型的监测系统。当无线压力传感器取代机械式压力表时，即使是最简单的无线传感器提供的数据也远优于就地压力表。 WirelessHART传感器无需为增加的仪表敷设信号线，可以节约时间和降低损坏现有设备的可能性。WirelessHART传感器也减少了对于电工参与的需求。 遍布工厂的这种传感器组成了一个网格状网络，在这个网络中，每个设备都可以充当路由，因此可以降低对于备用路由的需求，同时也降低了与之相关的网络和电力电缆的需求。 无线传感器同时组成了一个内部互联的设备的网络，一个使工厂能够从现场收集信息来提高工厂的效能的数字建筑。 WirelessHART 网络只需要一个极易安装的网关。只需要HART-IP 就能够加入遍布全厂的WirelessHART网络。它们一起组成了覆盖工厂的自动化“第二层”。 WirelessHART 传感器由长寿命电池供电，这减少了向每个传感器敷设电源线的工作。安装时间再次被减少了，因为安装过程无需电工的参与。如有需要，工厂能够在零风险的情况下安装传感器，这给了工厂在安装传感器方面充分的灵活性和自由。 WirelessHART 信号是完全的数字化信号而不是4-20 mA 信号。因此无需在传感器和控制系统中进行量程组态 也不需要进行5点回路校验。数字传感器在整个量程内都能够提供一样的精度。这些特点然传感器使用更简单，减少了调试错误。 无控制中心 无处不在的传感器提供的大多数的测量数据与维修、可靠性、能源效率、和HS&E 部门有关。这些数据对于维修主管、可靠性工程师、HS&E 管理人员、能源经理甚至是管理疏水器的第三方的服务公司来说都是有用的。 这些人不会坐在控制室中，如果他们必须到控制中通过控制系统操作员才能得到所需的数据和报告是非常不方便的。对于大多数新信息来说，控制系统也不是理想的显示器。 进一步讲，由于控制和安全系统对于过程控制的重要性，系统工程师对于任何对系统的改变都非常小心。如果要对控制系统进行组态来收集新设备的数据或显示新的参数，就必须遵守严格的政策和变更管理程序。许多时候必须要求系统供应商的服务工程师来增加这些功能。虽然非侵入安装传感器和 WirelessHART 传感器是获得数据非常简单，要使这些数据显示在控制系统中却非常的困难。 因此，虽然大多数的新的测量点与工厂的控制和安全系统无关，工厂还是为资产管理的特殊应用如设备监测，能源管理，HS&E建立了第二个单独的系统，这个系统使需要它的数据的人在办公室中就可以得到。 在这个系统下，用户可以捕获特定的时间、查看历史趋势、产生报告和将数据导入Excel表格中。无需为了收集数据而到控制室和打扰操作员。这使数据的到了更有效的应用，使他变成了各个不同部门决策过程中的自然组成部分。大多数的数据是操作员不需要的，因此大多数的数据也不会进入DCS。 例如HS&E管理人员想要知道洗眼器和安全喷淋的动作和健康状况， 安全阀的泄放，旁路阀及其他手阀的状态。 维修员工需要知道阀门是否打开，分析振动和温度传感器的数据以便决定在何处进行手持式仪器的检查。从压力、温度、液位和流量传感器得到的数据也会的到分析以确定现场巡检的路线。维修人员需要将从多种传感器得到的数据集合到一起得到表征全厂过程设备安全性和结垢状况的指标来计划日常维修和下次工厂的大修。 能源效率管理人员需要每个单元的能源消耗数据来跟踪能源的消耗情况。能源效率管理人员也会想知道特定的过程设备是否结垢，因为这会影响能源效率。 使用网页服务器和网页浏览器，员工可以在公司内部的任何地方得到所需的信息和报告。测量的灵活性使通过某人的屏幕来读取新的传感器的数据快捷简便。 资产监测、能源效率和状态监测等资产管理的应用是非过程相关的，因此相对于控制盒安全系统来讲，更具弹性和可变性。对于相关的部门来讲，比起DCS,在独立的第二系统上，他们可以更简单的作出符合他们需要的更改。 来自不同部门的员工能够自由的在全厂范围内增加传感器，在独立的系统上快速的为新设备组态，在办公室的屏幕上获得需数据而无需打扰系统工程师来改变DCS的组态。 获得信息 单独的HMI软件可以生成报警并记录下来，，显示流程根据需要生成趋势图，报告，通过计算、累逻辑处理等功能生成可有的可执行的信息。在HSE办公室单独的HMI软件可以显示工厂数据，降低风险帮助工厂的运营维护工作。 例如当现场洗眼器动作时，能产生报警，通知控制室现场有人需要帮助。也可以监视安全阀的状态，知道安全阀何时动作以及放空时间，使得泄放评估更准确。工厂维修人员可以根据这些数据知道现场旁路阀，手阀的位置，知道这些阀门是否处在不正常的位置。 在维修人员办公室安装的单独的HMI软件可以知道，现场哪些阀门处于非正常状态，也可以知道泵、风机、搅拌器、传送带、马达等的温度振动情况。 维修办公室可以安装专门的资产监视软件，来显示这些热交换器、空冷塔、风箱、泵等健康及运行状态，这要通过一系列计算方法，通过每个设备多个参数的实时数据来实现。

当维修人员发现问题，他们去现场之前首先会查看软件，带着这些数据到现场帮助他们完成现场的维修维护工作。 能源管理办公室可以安装标准的HMI软件，可以报告疏水器、空压机冷凝水的能源管理情况。每个工厂都可以管理起来。有了这些数据，维修人员可以知道哪些设备需要清洗以及维护，以提高设备的能源利用效率。 机械健康监视专家软件可以分析马达、泵、风机、传送带等的震动情况。例如，无线HART震动传感器可以检测到振动设备的震动振幅过大，并将这一报警信息送到DCS。通过HART-IP可以将这些震动数据送到资产管理专业分析软件，有经验的工程师可以进行详细的数据分析。这些先进技术的应用使得工程师在办公室就能对现场的重要设备像涡轮机、压缩机、泵等重要设备进行管理。 工厂通常是在外面请疏水器的维修维护队伍，这些外包公司的专家们使用专门的疏水器监测软件来监测工厂中所有疏水器的工作状态，疏水器的诊断信息通过通过HART-IP通讯协议，将信息送给维护人员，维修人员根据这些诊断信息在疏水器出现故障之前就可以很快地发现问题，避免了能源的浪费。 很多工厂都有信息管理系统PIMS，也被称为历史数据库。很多以前没有办法测量的测点可以通过普适测量的方式将这些信息送到历史数据库。历史数据库除了可以获得历史数据库的数据，也能接收无线HART网络和其他数据源送来的数据，帮助我们用新视角来管理工厂。 普适测量的实时数据可以送到历史数据库经行分析，帮助我们更好的维护工厂，对资产监视及能源管理起到了很大的帮助。对于机械健康监视及疏水器的状态监视需要装有专门的软件才可以。 历史数据库有强大的数据收集的能力，长时间的存储数据评加以分析。这常常被人们称为大数据。通过历史数据库，人们能快速发现数据分析结果，采用合理的维护维修方法。 现代化智能工厂 许多工厂通过无线HART覆盖全厂的过程单元，这可以满足现代工厂的要求。现代化工厂要求安装更多的测点，很多是以前没有办法监测到的。 事实上，无线技术的出现是现代控制系统很好的补充，无线不能替代有线。无线技术帮助工厂很方便地获得更多的传感器数据，并将这些数据连接到已有的控制系统或专门的AMS软件中来。 智能无线技术在现代化工厂的应用，为EPC提供了新的商业机会。现在很多工厂都已经老化，原有的控制系统不能满足工厂的要求，为了更好地管理工厂可以通过自动化的第二层来实现。有了第二层管理网络，使我们的工厂变得更加可靠，提高能源利用效率，更加环保也更安全。 对于一个新的工厂，已经不再像以前那样只管理DCS控制系统及ESD紧急停车系统这些PID中有的控制方案，而是从开始就已经搭建好了无线传感器网络，包含网关的部署以及带有专业分析软件的资产管理系统。这样，工厂就具备了快速安装投产的能力，在今后的改建项目中也更加容易增加测点。