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仪控室数字化升级,应该换掉所有的模拟量仪表吗?

来源:控制工程网2019.02.15阅读 11424

  120多年以前,Edward Weston先生发明了模拟面板仪表(APM)。该仪表的易用性和低廉的制造成本很不幸地往往被其不可靠性、不精确性和脆弱性给抵消了。不仅如此,其读数还很容易造成误解。
  仪表对“卡针”、不准确和错误读数的倾向有时会成为悲剧的原因。这种固有的不准确性导致军事和核电工业在所有读数上采用预防性的约5%至10%的安全系数。大多数APM的精度仅为+/-5%(如果你在+/-10英寸的距离上直视这些仪表的话可以达到+/-2%),再加上解读仪表时候产生的视差。这个看起来很小的差异会导致一个典型的核电站每天损失超过10万美元的可销售电量。

图1:在工业环境中长期占据工业主要产品的模拟量仪表正在被替换。图片来源:OTEK公司

  工业不会一直依赖19世纪后期的计量技术。这就是为什么我们在Otek公司被一位核电站的经理挑战,要求开发一个与我们的新技术仪表(NTM)相同、但没有微处理器的数字仪表时很感兴趣的原因。 作为信号驱动的仪表,NTM由电流回路(4至20 mA或10至50 mA)或其测量的交流/直流信号供电。
  结果研发出了不需要微处理器或控制输出的固态模拟量仪表(SSAM)。SSAM仅仅用于显示,而NTM既用于显示也用于控制。两个系列都可以外部供电,而且带来了另一个好处是发生的信号故障后可提供长约30秒的故障报警,这样就消除了危险的“卡针”现象。
  网络安全要求
  如果想要成功实施数字化升级,核电站的仪表控制室一定要符合最新的网络安全规定(例如美国核管理委员会的最新法规)。这样做可能会花费数百万美元以及数年的时间才能实施完成。否则,如果工厂经理维持使用+/-5%的模拟量仪表,他们只能以低于最佳效率运行,在极端的情况下他们甚至会损失最佳电能输出的8%到10%。
  那么,到底怎么才可以在不使用微处理器的情况下实现所需要的性能?幸运的是,十多年以前,Otek公司曾经试验过一款仅靠硬件的柱状图数字化仪表。在经过疯狂地搜索2004年的文档记录和原型电路试验板之后,我们仅用了两周时间就研发出了一个不需要微处理器的、仅靠4到20毫安(大约5到60毫瓦)的电流回路供电的多种颜色的柱状图数字仪表。
  尽管我们还没有代替Weston先生的发明,但它解决了工厂经理所面临的挑战,而且现在依据1E级别的分类在进行评估。一个新的LED电子仪表的种类就这样产生了,它不需要微处理器对交流和直流信号进行测量、显示、控制和传输,而且其精度可以达到0.1%,相比之下模拟量仪表的精度只有5%。
  无微处理器以及无供电的SSAM系列可以用作基本的柱状图(类似模拟量仪表),作为柱状数字图(类似过时的数字键),或者作为多功能仪表,这是可以在现场进行配置的。如果外壳是一样的,所需要的仅仅是更换刻度板和插件模块www.cechina.cn,再进行任何所需要的标定操作。

图2:因为对微处理器的使用带来了网络安全和监管方面的挑战,对模拟量仪表的使用在某些应用场合和工业中会持续下去。

  可靠性与成本的考量
  在一家核工业企业的无供电技术展示活动中,一位经理问到:“仪控经理该如何决定是否对仪控室进行数字化?”这也是我们的客户在实际应用中经常会问到的问题。
  考虑到使用电流回路往往是最简单的、最可靠的传输模拟量信号的方式。因此,给客户的建议可选项包括:1)只替换模拟量仪表;2)增加一个数据获取系统;或者3)增加带有三倍冗余的管理控制。然而,选项2)和选项3)都需要符合网络安全要求。选项1)则不需要符合网络安全的要求,因为没有微控制器或I/O串口可非法入侵。
  采用第一种方法,仅仅替换模拟量仪表,需要的执行步骤如下:1)将所有的信号和接线都改成4到20毫安;2)安装最好的4到20毫安变送器;或者3)安装SSAM或同类设备。使用接线一一对应和仪表盘相兼容的陷入式功能,现有的接线和仪表盘是可以再利用的。
  一个典型的反应堆一天大约能产生出价值100万美元的电力,因此每提升1%的产能就是每天增加1万美元的利润,一年就能多盈利365万美元。
  核电企业面临的挑战
  在美国,大约95%的核电站都是在1990年之前建成并投入使用的。一段时间以来,所有的核电站都安全运行在大约90%的效率下。只有很少的政府规定允许利用目前三分之一的人员和花费来进行营利的运营。
  如今,鉴于1986年切尔诺贝利核电站和2011年福岛核电站的灾难在监管环境方面累积的影响,以及最近的网络安全规定,意味着大多数监管缺失的工厂可能面临亏本运行。受到监管的工厂通过补贴和提高费率来保证利润,没有动力去提高效率。结果是最近有6家美国的核电站宣布关闭,未来可能还会有更多这样的核电站。
  切尔诺贝利灾难之后,Otek公司开发出了HiQ系列(一个电子仪表的类型),用来替换老的模拟量仪表以防止操作失误。在福岛灾难之后,Otek公司又推出了NTM系列,用来替换老旧的模拟量仪表并且防止卡针现象。
  美国核管理委员会发布了一个用于保护工厂免受恐怖主义者袭击的网络安全指令。如果核电厂采用任何关键的基于微处理器的数字化设备,这个指令可能会让核电厂在每个控制室内花费超过两千万美元。
  仪控室的数字化建议
  在说到数字化仪控室的时候,核电企业有6个可选择的方案:
  1.什么也不做www.cechina.cn,保留现有的老旧模拟量或数字量仪表CONTROL ENGINEERING China版权所有,每天大约损失1万美元,或每年损失365万美元,每损失1%的效率每天就大概损失100万美元。
  2.采用平面屏幕和三倍冗余的监管控制,获取与网络安全规定方面的合规,估计成本超过2亿美元,这意味着可能要等待7年才能盈利。
  3.改用平面屏幕和数据采集系统,会包括网络安全合规,以及新的仪控室、工程设计、接线、操作员培训、以及NRC批准。可能会产生大约7500万美元的成本,以及损失每天1%的收入。投资回报(ROI)会用3年多的时间。
  4.使用NTM系列或者同类产品替换陈旧的仪表,这些新的仪表是符合SCADA/DAS/DCS1E级别的要求www.cechina.cn,并不是平面屏幕的。这意味着没有新接线、没有I/O串口、没有电源、以及没有新建成本。这会节省大约1.4亿美元,不过会增加网络安全合规的成本。投资回报仅仅需要18个月。
  5.使用NTM系列或同类产品构建一个数据采集系统。这和选项3类似,不过成本更低,大约为3500万美元,而且不会带来产能的损失或新的施工项目。通常来说效率会从5%提高到8%,那么投资回报大概为一年,还包括网络安全的合规成本。
  6.使用SSAM或同类替换模拟量,而且向往常一样(手动)运营直到退役CONTROL ENGINEERING China版权所有,但是效率和盈利性更高。
  将仪控室进行数字化升级,以提高安全性和可靠性的需求不仅对核工业至关重要,而且对石油和天然气工业、电力工业或使用模拟仪表的任何其他工业也至关重要。对于处理具有有限操作寿命的反应堆的非规范公用事业,或在竞争激烈的市场中,一个好的选择是一次性或根据需要更换过时的模拟和数字仪表。
  我们努力对长期使用的模拟量仪表做出正确的判断,但是似乎谁也无法阻挡数字化时代的来临。(作者:Otto P. Fest) 

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