新的自動化系統如何在製程控制上創造優勢
- 林稼弘
許多製程工廠迄今仍使用舊型的分散式控制系統(DCS)。在DCS達到其使用壽命時,就需要更新為新的自動化系統。洛克威爾自動化的製程技術顧問Michael Vernak指出,新的自動化系統能夠提升製程效能。與舊有DCS不同的是,其可提供許多最新技術的製程控制功能,以及其所伴隨的效益。
新自動化系統在幾項關鍵領域,包括效能、整合及成本等方面,都較舊有DCS來得更優異。例如新自動化系統可讓使用者以多種方式執行更為強大的製程控制。
在新自動化系統中,基本PID控制演算法將比舊有系統更為精進,能夠快速反應並改善所有標準PID迴路的控制能力。PID迴路通常會內建自動調校功能,以提供較佳的調校參數初始值,便於進行持續調整及改良。
除了基本PID演算法之外,現代化的自動化系統還包括其他管理控制選項,例如PID Enhanced(PID改良版)及附加元件指示說明。PID改良版使用PID方程式的速度形式演算法,代表迴路會處理錯誤的變更,以變更輸出。附加元件指示說明(使用者建立的自訂指示說明)則將常用的功能或裝置控制項封裝在一起。
新自動化系統也具有內建的進階製程控制(APC)功能,像是以模型為基礎的功能組塊和模糊邏輯,藉此也能讓使用者建立專屬的APC應用程式。
這些工具的關鍵元件是能夠以各種不同方式相互連結,藉以開發APC應用程式的標準及自訂功能組塊。結合了標準及自訂APC功能組塊,讓使用者得以控制無法藉由簡單PID或其他管理控制方法(例如PID改良版或附加元件指示說明等方式)調整至可接受等級的迴路。
與舊有DCS相比,新自動化系統能提供更佳的警報及事件處理能力。如此得以改善操作人員效能,並對負責分析工廠作業和改善效能的工廠工程師提供更有助益的資料。警報處理改良包括可處理警報優先順序以減少警報氾濫,並利於判斷根本原因的能力。
工廠人員可使用含有時間戳記的警報及事件詳細清單,以分析程序混亂及其他異常情況。這種分析類型可更為快速判斷根本原因,讓維護人員修正根源問題。
新自動化系統也可讓程式設計師以外的人員建立各種不同報告,以便於識讀的格式提供資料。報告形式改良能更清晰地呈現工廠效能,創造更多改善營運的機會。然而透過舊有的DCS,通常很難建立報告。
在效能方面,新自動化系統發生故障的情況也比舊有DCS來得少。此外,供應商可對其最新的自動化系統供應方案加入新功能及性能,而且通常是以低成本或不需費用的方式提供這些附加功能,尤其是軟體相關的升級。相較之下,舊有的DCS則只能獲得廠商概略的支援。傳統DCS常是以舊型的硬體和軟體所建立,因此難以找到支援人員。
具備整合能力
新自動化系統因為採用業界標準的資料交換通訊協定及介面(例如EtherNet/IP和OPC),因此便於與像是APC之類的協力廠商應用程式整合。在舊式DCS上,整合通常需要自訂編碼,以及採購和施行昂貴的硬體通訊閘道。
與協力廠商應用程式整合有許多優點,整合之後即可在企業內立即提供資料。例如最受歡迎的整合方法之一,就是以瀏覽器為基礎,並以自動化系統做為網頁伺服器的存取方式。使用者可透過任何瀏覽器存取自動化系統資料,而毋須在其個人電腦或行動裝置上安裝軟體。
整合也能對相關各方提供資料,而不同使用者群組的存取等級也會不同。上層管理階層可能只想要檢視特定的高階操作參數,而工廠工程師可能需要完整的存取能力,包括能夠變更自動化系統的設定值。
將協力廠商應用程式整合至新自動化系統的另一項優點,在於可免除手動資料輸入。舊有的DCS中,由於應用程式之間的整合通常相當困難而昂貴,因此以手動資料輸入做為將資料從協力廠商應用程式傳送至DCS的方法。從手動轉為電子資料輸入,能夠降低人力成本、增加精確性及改善資料交換的速度。
新自動化系統也與製造執行系統(MES)軟體整合— 包括人機介面(HMI)、資料庫及資訊收集模組程式,以及其他套件,像是資產管理、警報及事件處理、資料分析、模擬、非線性迴路調校、廠房效能監控及垂直市場製程控制。
這些專門化的套件需要與自動化系統互通資料,而且通常是以高速進行。這些套件也和現代自動化系統的HMI相同,多半是以PC為基礎。新自動化系統中的控制器可能並非PC式,但也會透過最佳化而與以PC為基礎的應用程式進行通訊。
根據Vernak表示,現代自動化系統的設計皆已包含對現代化通訊硬體和軟體標準的支援。通常會提供多個乙太網路連接埠,並具備對EtherNet/IP和Modbus TCP/IP等通訊協定的支援。不過相較之下,舊式的DCS通常不包括乙太網路通訊連接埠,而必須仰賴舊型且速度較慢的序列介面。
透過支援各種不同的通訊協定,能讓使用者運用智慧儀器、分析器、閥門、馬達啟動器和變頻器。智慧裝置包括高速、雙向、數位資料連結,例如可讓這些裝置在自動化系統內交換多個資料點的EtherNet/IP。
除了程序變數之外,智慧裝置也可以傳送關於裝置運作狀況、診斷及校正資訊等資料。因此,自動化系統能將命令傳送至裝置,以進行校正和其他動作,包括開啟及關閉智慧閥門。
舊式的DCS則不具備連接多種智慧裝置的能力,尤其是具有不同通訊協定的裝置。在許多情況下都需要使用通訊閘道,如此一來會增加解決方案的成本。
為降低成本而設計
舊式的DCS通常無法以最佳的方式管理現代化的製程廠房。這種未盡完美的效能可能會對工廠帶來許多額外的成本,包括像是經常停機等顯著的成本,以及其他潛藏的成本。
舉例來說,這類潛藏成本包括未能充分發揮最大效能的處理量設計、品質不良及過度的能源消耗。對於警報及意外事件的回應時間較長, 以及對於廠房運作及維護人員的過度需求,也是其他的潛藏成本。
現代自動化系統可藉由免除這些成本,更有效益地運用各種必要投資。此外, 也能帶來諸如改善安全性、更佳的遠端存取及預測性維護等其他優點。(本文由洛克威爾提供,林稼弘整理)