如何高效管理自动化系统的升级和改造？

本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2016年8月刊杂志，原标题为：如何高效管理自动化系统的升级和改造？

从微小的调整到大维修，在整个生命周期内，自动化系统将会经历很多变化。提前做好调研和计划，并遵循这些导则，有助于确保系统升级的成功实施。

升级是项复杂的工作，自动化系统的升级更是如此。它们出现的形式各异，每个系统都有其独特的挑战性。分析纷繁复杂的技术和运行事件，对其进行分类排序，同时还要将预算和进度保持在控制之下，确实是一项非常艰巨的任务，但成功升级后收获的效率提升和收益也是巨大的。当你计划升级自动化系统时，可以参考本文中的指导原则。

升级的类型

并不是所有的升级都要同等对待。有些升级，只是简单的更换即可，对运营只有很小或者根本没有影响。其它升级则可能会从根本上改变配置和系统的行为，需要大量的安装、培训和监视工作才能完成升级。通常，升级需要对系统的物理或逻辑结构做些改变。新的应用功能经常混合在一起出现。所以，在考虑最佳管理之前，需要先了解自动化升级的不同类型。

最常见的升级类型是微小的版本/型号的升级，包括系统中硬件或软件部分。这可能包括部件、固件的物理更换，或者服务包升级到商用软件(COTS) 。这些类型的升级改造一般需要很少、甚至无需应用软件的重新更新。除了被更新的部件，自动化基础设施的其余部分一般保持不变。

所有的系统，都是基于某种形式的硬件和软件技术平台。对这些平台的重大升级，即使是同一生产厂家的产品，也可能会导致某种程度的软件重新设计。尽管这些变化，可能仅限于简单的配置和脚本的变化，但是应用软件可能需要完全重新编译。编译工具和预设的升级路径可能使该项工作变得简单，但是整个应用则需要全部重新测试，以确保正常运行。

细节决定成败

虽然微小的部件升级是最简单类型的升级改造，但是并不意味着它一定很简单。如果不小心应对，部件间的细微差异可能会给你造成大的麻烦。

图1：新安装的罗克韦尔自动化ControlLogix PLC替换了老的控制系统硬件。本文所有图片来源：TriCore公司

最常见的升级是控制器处理器和模块的升级（见图1）。在同一产品线内的升级，一般不需要应用程序的变化，或者即便是最糟糕的情况发生，也只需要微小的配置变化。一个需要小心处理的重要因素是处理器固件的变化，可能会影响特定功能的响应。例如，比例—积分—微分（PID）控制逻辑的改变，可能需要重新设定PID的调节参数。当这些变化发生时，生产制造商一般会作记录，但并不总是如此。这种类型的升级完成之后，完整的测试和监视该系统应该是计划的一部分。

向智能部件的升级

另外一种常见的升级，是控制盘台部件的升级。传统的电气/气动部件的更换非常简单明了，可能只需要少量的组装、安装和接线，但是需要停机的时间很少。需要重点关注的是向智能部件的升级。这些设备可以被操作、监视和远程配置，还可以提供各种不同的诊断和维护功能。在大多数情况下，需要对控制系统的地址方案进行升级，以便访问这些设备。还需要对应用软件进行升级，以便解锁和使用升级该功能。传统的控制接线（离散或模拟），一般被网络电缆所取代，而网络电缆在电子噪声、屏蔽以及其它因素方面具有不同的要求。为了运行的可靠，必须考虑这些。

与控制系统的其它部分相比，计算机工作站和服务器的生命周期相对短的多。对硬件、操作系统、历史库、数据库、安装在工作站和服务器上众多COTS软件的升级比较常见。难点在于将各个部分完美的整合到一起。一个非常简单的反病毒软件的升级，就有可能在系统中某个关键部件中导致不可预期的问题。首先，从查看COTS软件经批准的安装规格书开始。然后，在离线状态下升级系统，在将其投入到生产系统之前对其进行完全测试。这是管理升级以及避免出现意外情况的最佳途径。

升级I/O的更换准备

图2：该图显示PLC的I/O机架已经到了寿命的末期，需要进行升级换代。

最后必须考虑的是，升级输入/输出（I/O）子系统的情况（见图2）。该类型几乎自成一类。尽管应用软件需求很小，但是物理安装比较重要。在规划I/O系统升级时，有几个因素需要考虑：

• 系统切换的时间窗有多少？

• 当安装新系统的时候，老I/O系统的一部分是否仍需要运行？

• 现场接线是否可以保持不变，或者也需要更换？

停机窗口的长短，将决定一次性可以更换I/O的数量。如果切换时间比较短，不要丧失信心，总会有办法降低安装时间。

如果物理空间和接线允许，那将整个接线装置完全更换，将是最快的切换方式。将新的接线装置布置在现有装置的旁边，在切换前应集成完毕并进行完全的测试。现有装置内，确保现场端子侧的接线应具有完整的标签。切换开始时，将现有盘台内的现场侧的电缆切断，并将其连接到新装置内端子的现场侧。

如果新装置方案不可行，或者一次仅能更换装置的一部分，那么新盘台的子部件可以预先安装、连接到新的接线端子排上。当停机窗口来临时，将旧盘台端子的现场侧电缆断开，完全移除就盘台，安装新盘台，重新将现场侧的电缆连接到新盘台的端子上。这种更换方法，需要将新盘台的螺栓安装到旧装置上。

如果无法更换部分盘台，那么可以考虑将新I/O系统安装并接线到旧盘台上。这种情况下，你可以保持原有现场端子排不变。如果I/O卡件允许，预先接线和为模块打标签，可以节约时间。如果必须更换现场接线，可预先准备好电缆、打标签、连接到现场设备侧或控制盘台侧，这样就可以加快更换的时间。

平台的改变

硬件/软件平台的改变可能非常困难，即使没有系统功能的改变。最低限度下，所有应用软件即使不需要重新编写，也需要被重新编译。对任何系统来讲，一次安装所需要的停机时间一般来讲会很长。保持现有系统的一部分不变，同时加入新系统的一部分，这是你可能遇到的最困难的情况。可以先从与硬件平台改变有关的物理安装开始着手。

对采用菊花链模式安装的设备，使用公用供电方式，要尽可能的保持系统回路不变，这可以减少你的麻烦。当传感器和仪表输入信号必须在系统间共享的时候，有多种选择。从接线的角度考虑，使用网络在系统间传递信号，是最简单的解决方案，并且不会降低信号的精度。为实现这种方案，可能需要特殊的通讯模块。对某些特别关键或高速参数传输，这可能并不能满足要求。在这种情况下，可选用一个系统来控制和测量信号，并用另外一个系统来请求和监测这些结果。

对于数字输出设备来讲，如果两个设备都应对其进行控制和监测，也有几种选择可以考虑。在旧系统和新系统之间通过网络进行通讯，是比较常用的方法。一个系统在物理上控制设备；另外一个系统则请求驱动或停止驱动该设备。这是最安全的运行模式，当转换过程中出现问题的时候，这也是进行故障诊断、处理最简单的方式。对数字系统和模拟设备来讲，这种方式都能很好的工作。

如果不能使用网络，那么带双触点的中间继电器，则可允许两个系统同时控制单数字量输出设备。在应用该方法时需要特别小心。如果任一系统请求该设备，则它会无条件的激活，除非另有连锁控制。如果接线和设计得当，切换完成时，旧系统就可以从继电器上断开，继电器线圈也可以移除，继电器就成为I/O模块和新系统中现场设备之间的端子块。

模拟输出设备的挑战性要大多了，由于可能降低信号精度，并不太适合这种方法。如果仅是必须从两个设备控制模拟设备，而且两个系统之间无法通过网络连接，并且没有其它方法，那么可以将控制（以及相关的测量，如果必要的话）布置在一个系统中，并将设定值或输出信号通过硬件接线连接起来。尽管其它途径也可实现，但是学校教材一般通过在两个系统的终端安装二-十进制编码模块来实现该功能。

可视化和分析

在软件平台升级过程中，你最可能碰到的情况是可视化和生产制造智能化。可视化软件，可以将过程设备的状态呈现出来，允许人们以各种方式配置或与设备进行交互。设备的描述一般使用图形化，尽管并不总是必须这么做。它们还能显示与工厂车间最近发生的活动相关的趋势、日志和状态数据。

生产制造智能化，源自于系统间或整个企业间的数据交换。历史库、数据库、报告平台是这其中的公共部分。数据可能是从其它系统推送到工厂车间系统，来配置产品配方、调度、清洁以及其它更多事情。从工厂车间获得的公用数据包括生产的产品、产品的数量和消耗的原材料数量。一般情况下，一系列的报告与系统的每个运行区域相关。

好消息是这种类型的平台升级，安装过程中对运行的干扰较小。坏消息是有大量的应用软件修改工作。你很可能需要从零开始重建可视化应用，包括新符号组、编码、编写脚本和查询例行工作。在生产制造智能化方面也是如此，修订工作包括报告的布局、模式、查询以及其它更多事情。

由于所涉及的工作量巨大，这些升级工作的动力一般源于新平台内在的功能需求，而老系统很难或者根本无法实现这些新功能。在启动新系统之前，必须确保现有系统所有必要的运行和信息部分都已经连接到新的系统上。

准备过程包括与所有利益相关方的交流，同时还要对系统的各个方面进行详细的技术分析。这些工作要做的比较彻底，审查所发现的一切。某些不经常使用的屏幕、报告、查询，虽然也许不是利益相关方提及最多的，但是对于系统的运营来讲，有可能是至关重要的。

当准备完成时，为新、旧系统的运营生成一份详细的功能规格书。该规格书应定义所有功能细节，规定系统应作哪些事情，由哪些系统完成这些工作。召集有技术团队、运营人员和任何其它相关人员参加的设计会议，来审查技术规格书（在任何开发工作启动前进行此项工作）。这有利于大家达成共识，为升级改造建立牢固的基础。该技术规格书为项目进度的度量建立基础，并确定系统的性能。

在开发工作结束后，安装工作开始前，进行详细的工厂验收测试，在测试期间，所有的相关人员都有机会接触新系统。在工厂验收测试和系统安装之间留足时间，以便处理在测试期间可能遇到的问题。

当准备好安装时，可以选择完全替换旧系统，或者让两者并列运行一段时间。可视系统的并列运行需要额外的电缆、接线以及临时的操作员工作站。在智能制造侧，可能需要额外的电缆、网关和服务器等基础设施。尽管并列运行总是花费更多的成本，但是如果可供你安装的时间窗口十分紧张，而需要改变的又很多，那就值得考虑。

工业网络的升级

以最简单的形式升级到工业网络，可能就是将现有系统进行扩展。COTS软件中有很多网络通讯流量分析软件，利用任何一种，来识别并记录所有目前连接的设备，以便开始网络升级的准备工作。根据升级的不同，你可能需要重新配置网关或适当的时候安装新网关。当这一切都结束的时候，再一次运行分析软件，确保系统没有冲突或者其它事项。如果发现问题，数据包分析软件可以对其进行分析，提供事情发生的原因。

图3：临时以太网线连接新服务器硬件到现有以太网网络。

对老旧专用系统的升级要复杂一些。你仍然需要从网络准备开始，但是需要多花一些时间来识别安装在网络上的所有设备，以及这些设备的逻辑网络地址和物理位置。老旧系统可能会有一些工具来帮助完成该功能。用文件记录物理电缆的类型和老网络的接线配置，是个很好的经验（见图3）。需要注意，有些老旧网络，对于经由其传输的信息以及连接到网络设备的数量非常敏感。在完成这些登记工作之后，制定升级到新平台的详细计划。

在升级工业网络时，确保使用的电缆类型适合于工业应用环境，尤其要注意电缆长度、屏蔽以及连接的最优实践。除了电缆，还需要注意使用了正确的网络设备类型。最低限度，你需要网络交换机或集线器，如果网络上有多路传输，还需要管理型交换机。

最后需要注意的是，应该在事前而不是在事后考虑系统权限和安全问题。需要考虑的事项包括：物理访问、网络访问、操作系统层安全和应用层安全。安全需要持续不断的努力，通过人员处理以及技术工具两方面的协同工作来保护系统。

改变，是生活的一部分

应该清楚，在整个生命周期，自动化系统可能会经历多次变更。这些变更可以有多种形式——从微小的改变到重大维修。每种类型的升级都有其独特的挑战需要管理。不要低估手头的工作，即使是最简单的自动化升级也可能并不简单。好的计划，再加上一点调查研究，就是通向成功的门票。

作者：David McCarthy