艾默生 控制室以外

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《Control Engineering Asia》2014年3-4月刊登的文章“第二层自动化”中指出，迄今为止，仪表一直在为安全地控制工厂提供越来越好的过程关键型测量。它还讨论了目前工厂的现代化改造方式，即使用“第二层自动化”获得“普适传感”，成为“智能工厂”。通过部署大量无线传感器（其中有许多为非侵入式），覆盖现有工厂“缺失的测量”，从而使工厂更可靠、能效更高、更环保并成为更安全的工作场所。

在通过普适传感收集的测量数据中，有一些被传递给控制室的操作人员，以帮助其更好地掌握当前情况，但是大部分新信息将传达到控制室以外的人员，送至负责可靠性和维护、能效、健康、安全和环境（HS&E）的部门办公室。

历史库中的数据将传达到团队的每一个成员，帮助他们掌握当前情况。

工厂历史库集成

无线传感器网络网关能够同时与多个系统集成。因此，同一网络中的无线变送器可以将它们的数据发送到控制系统和单独的辅助系统（例如资产管理系统（AMS）的软件应用部分）或工厂历史库。AMS应用可以使用HART-IP协议集成，而历史库常常使用OPC集成。控制系统可以使用Modbus/RTU通过RS485，或使用Modbus/TCP通过以太网集成。许多公司的IT部门为避免使用TCP/IP时的网络安全问题，往往优先使用Modbus/RTU进行DCS集成。

工厂历史库又被称为工厂信息管理系统（PIMS），它与遍布工厂所有区域的多个无线传感器网络以及控制系统、安全系统、计量系统和包装单元等（来自许多不同的供应商）集成，以便从所有这些来源收集数据。由于无线网关通过代理支持OPC，传感器数据可以集成到来自任何制造商的任何工厂历史库，无论新旧，这是因为大部分工厂历史库均支持OPC。因此，可以使用普适传感实现任何工厂的现代化。

工厂历史库的选择通常不依赖于DCS，这是因为历史库应用于整个企业。工厂历史库可以覆盖跨国公司在世界各地的多个工厂，每个工厂通常有不同品牌、不同代系的控制系统。跨国公司可以通过历史库，从企业层面访问公司在世界各地的所有工厂的每个控制系统中的数据（针对时区进行了调整），以便对工厂性能进行比较，从而找到最佳实践方案。

许多类型的过程应用软件支持OPC，因此也可以通过其OPC服务器直接与无线网关集成。

工厂历史库服务器实时存储所有工厂数据，数十年中可能存储多达数百万个标签。这些随时间的推移而累积的大量信息，通常被称为“大数据”。

为了使大数据更易管理，可以根据工厂的组织结构，按资产（例如热交换器或泵）来管理数据并进行结构分级，这将便于日后不同部门的工作人员顺利检索到正确的信息。

历史库的分析功能包括简单平均数、累加、基于方程的计算、高级计算、报警和统计质量控制（SQC），用于将原始数据转换为可操作信息和通知。可以对多个来源的数据，例如来自控制系统的过程变量和无线网络中的传感器提供的过程设备测量值，进行集中分析、比较并建立关联。也就是说，可以对多个传感器的测量值进行整合，以便计算资产的状态，并且可以整合多个资产的状态信息，从而计算工厂的关键性能指标（KPI）。如要进行设备诊断，以便根据状态进行维护，则此分析功能不失为理想选择。此外，它还可以通过电子邮件和即时通讯发出通知。

通过工厂历史库，专用的第三方应用（例如能源管理软件）可以访问所有潜在数据源（例如控制系统和无线传感器网络）的实时数据或历史数据。此集成能力是能源管理的理想选择。

工厂信息历史库带来了控制室以外的信息，由于可以从企业网络客户端计算机访问历史库服务器，使得负责维护、可靠性、能源管理和HS&E的部门可以从所在办公室的桌面上访问所需数据。根据岗位要求授予数据访问权限。历史库中提供了来自新传感器的所有时间数据，并显示在每个人的桌面屏幕上。公司可以建立企业操作中心，在那里可以看到整个时区内的任何工厂的数据。这有助于全球工厂的维护、可靠性、能效和HS&E性能的标杆管理，此外，主题专家（SME）可以访问此信息并与各地的工厂共享他们的专业技能，以便解决泵、热交换器和其他资产的问题。

工厂历史库的报告应用可以获得来自DCS、无线网关和其他数据源的数据，使用MS-Excel或网络浏览器，以电子数据表或数据透视表的形式，或作为面板（包含指示表图像和趋势）或记分卡发布基于岗位的报告。在企业内部，还可以通过门户网站查看数据网页，门户网站十分适合控制室以外的跨部门合作。

可靠性和维护

大部分工厂的可靠性工程师和维护主管在计划日常维护和安排过程设备（例如泵、热交换器和非过程压缩机）的检修时，不能访问他们需要的大部分数据，这是因为这些资产没有被测量或没有用软件进行管理。有些数据是在现场巡视时，使用便携式振动测试仪和温度计进行测量并手动记录到记事本上，或从指示表、液位玻璃视窗和变截面流量计人工读取并记录到日志表上的。许多点根本没有检查到。然后，数据被输入电子数据表，用于计算设备性能。然而，这样的检查不仅频率很低、耗时长，而且由于没有同时采样温差点、数据难以辨认以及数据表丢失，因此容易出错。

如今，工厂使用安装在过程设备上的振动、温度和压力无线变送器测量故障的这些先行指标，并将原始数据录入工厂历史库。而在此之前，这些测量值一直缺失。历史库的实时分析组件使用为每类过程设备（例如泵、热交换器和压缩机等）创建的特定软件算法，根据来自设备传感器的原始数据和来自控制系统的过程变量，计算设备状态。

例如，计算每个热交换器管束的热负荷，并在热负荷过高时发出通知。其他设备，例如风扇/鼓风机、气冷式交换器、冷却塔、搅拌器和传送带，具有其他性能指标。此设备级别的诊断将“哑”设备转变为“智能设备”。这些信息将被整合到计算机桌面上每日、每周和每月的维护和可靠性报告中，甚至可实时查看。

如此一来，可靠性工程师和维护主管可以获取所需的报告，并能从办公室的历史库客户端软件中检查整个工厂所有设备的当前状态，或随时通过门户网站确定设备是否需要清洁、进一步检查、维修或其他修正操作，并安排相应的维护，从而确保设备保持良好状态。在检修之前，可以检查所有设备的状态以便确定哪些设备需要全面检修而哪些设备不需要，这样可以最大程度缩短运行中断时间，同时又不会忽略真正需要维修的设备。甚至可以推迟检修。它是以软件为中心的维护计划。必须写入工作流程，以便为分析工作发现的每个问题提供建议操作。

从现场层面来看，可以比较不同工厂设备之间用途相似的设备类型的维护和可靠性信息，从而找到最佳实践方案。从企业层面来看，可以比较不同现场的可靠性数据。企业运营中心的SME可以使用最少的人员远程监测现场资产，无需专人在场，并且由于可以直接访问数据，因此能更好地提供建议。

历史库并未取代资产管理系统中的机械健康监测软件，因为振动专家需要使用该系统进行振动频谱和波形分析。

能效

大部分现场的能源管理人员都不能访问减少能源浪费所必需的信息，这是因为能耗不是按设备来计算的，并且没有连接到软件。因此，缺乏这些能源测量值。即使可用数据极少，也必须手动输入到电子数据表中。

此外，无法发现蒸汽疏水阀故障和泄压阀泄漏，因为它们没有被测量或没有通过软件管理。有些数据是在现场巡视时，使用便携式振动测试仪和温度计手动收集的。许多点根本没有检查到。由于检查频率通常很低，此类看不见的能源损失会持续数月之久。发生故障的蒸汽疏水阀降低了热效率，并可能导致设备损坏。

如今，整个工厂都已部署了用于计量各类能耗（例如蒸汽、压缩空气、燃料和水）的无线变送器，可将原始数据录入工厂历史库。此外，还能测量耗电量。为了从控制系统和无线传感器网络获取原始计量数据，使用了与历史库集成的实时能源管理系统分析组件，用于将各设备的能耗收集到能源计算中心。这些信息将构成能源管理人员桌面上的每日、每周和每月的能源报告。目标能耗是根据生产和环境条件，使用历史数据或第一原则算法动态计算得出的。当能耗超过目标值时，将发出性能通知。

声波变送器也用于测量温度，安装在蒸汽疏水阀和泄压阀上。关于泄压阀泄漏的信息汇总也纳入历史库生成的每日、每周、每月能源报告中，并且可以实时查看。历史库的实时分析组件可用于计算泄压阀损失。

能源管理人员可以识别整个工厂当前的能源消耗位置和数量，以及消耗的成本。能源管理系统分析组件可以识别能耗超过目标值的位置和时间，便于发现并减少能源浪费。另一方面，能源管理人员还可以获悉最佳性能周期，并使操作可重复。从现场层面来看，可以比较相似工厂设备的能耗，从而找到最佳实践方案。从企业层面来看，可以比较不同现场的性能数据。

当发现泄压阀泄漏时，可以安排泄压阀的全面检修，从而防止高成本的产品被浪费。可以将蒸汽疏水阀故障报告转交至负责蒸汽疏水阀更换的第三方维修公司，以确保尽可能快地更换蒸汽疏水阀，停止生产成本高昂的蒸汽被浪费。不要将蒸汽疏水阀监测成本与蒸汽疏水阀的成本进行比较，而应与浪费的蒸汽的成本进行比较，这一点十分重要。蒸汽疏水阀可以工作数年而不出问题，但如果发生故障，可能要到一年以后的下一次检查才能被发现，在此期间，每个发生故障的蒸汽疏水阀每年浪费的蒸汽价值可达数千美元。通过及时发现蒸汽疏水阀故障节约的金额远远超过解决方案本身的成本。

历史库并未取代蒸汽疏水阀监测软件，仍需要使用蒸汽疏水阀监测软件，根据声波变送器发送的噪声读数和温度来诊断蒸汽疏水阀。然而，可以使用OPC-A&E将蒸汽疏水阀监测软件与历史库集成，从而在能源报告中包含蒸汽疏水阀故障。历史库的实时分析组件可用于计算蒸汽疏水阀损失。

健康、安全与环境

如果旁通阀或导流阀在验证测试后没有关闭，必须通知DCS控制台的操作员，以便操作员可以派人将其关闭；如果激活了安全淋浴装置或洗眼装置，则他们可以派人协助处于困境中的人员；或者当泄压阀泄放时，他们可以修正过程问题。与此同时，HS&E主管也需要知道旁通阀或导流阀在验证测试后是否关闭，或者安全喷淋装置或洗眼装置是否已激活，以便记录事件。如果泄压阀已泄放，则只能等到下一次检查泄压阀时才能发现，而这可能是在数天以后。如果确实启动了泄放，但不知道持续了多长时间，则不能正确地估计泄放量。此外，储罐周围或浮顶上的碳氢化合物泄漏可能无法察觉，并可能导致火灾。最后，许多工厂依靠现场操作员带着记事本巡检来读取多个刻度表、玻璃视窗和不同区域的仪表，并通过浸量尺进行液位测量或手动采集产品样本。

如今，现场已使用无线变送器进行了改造，这些变送器用于获取上述缺失的测量值，可将原始数据传输到控制系统和工厂历史库。操作员可以使用控制系统中的信息。历史库中的信息可汇总为每日、每周和每月报告，供HS&E主管查看。

普适传感与工厂历史库的结合可帮助HS&E主管达到法定排放报告要求，并能轻松确认旁通阀和其他阀门是否停留在错误位置。它还实现了安全喷淋装置和洗眼装置定期功能检查记录的自动化。

过去，现场操作员需要经常带着记事本记录刻度表、玻璃视窗和不同区域的仪表读数，并用浸量尺测量液位或手动采集样本，通过减少这些工作，可从两方面受益：工作人员暴露于现场的时间减少，而且他们能将精力集中在附加值更高的工作上。从企业层面来看，可以比较不同现场的HS&E事件和合规流程。

集成操作

集成操作概念主要用在石油和天然气的生产中，但是此概念的部分内容也适用于下游和其他过程工业。世界各地的企业运营及工程师中心与现场之间的远程连接使得主题专家（SME）能够远程查看任何资产，从而协助进行诊断和故障排除等。也就是说，处于中心位置的SME可以为许多现场没有SME的工厂提供支持。这可以通过用于工厂数据和视频会议的安全宽带互联网连接来实现。

许多工厂正在为工厂设备安装WirelessHART网关，以便支持普适传感策略的部署。无线传感器数据被集成到现有控制系统和工厂历史库。此外，还需要用于资产监测和能量管理的历史库模块。或者，也可以使用具有资产监测软件的全新资产管理系统。

工厂现代化改造不需要系统升级。使用TCP/IP或串行通信即可将无线网关与现有系统集成。应注意的是，无需为传感器分配IP地址即可从世界各地访问它们的数据，它们只需要数字通信和唯一标识符，而这正是物联网（IoT）的基础。在将来，这一非过程关键型数据可以存储在“云”服务器上，并且授权人员可以从任何位置访问这些数据。由于WirelessHART通信可以使用部署大范围维护、可靠性、能效和HS&E应用所需的传感器，因此整个工厂只需要一种类型的无线网关。一旦部署了此类无线架构，所有工厂部门就可以共享数据。