20多年以前，EdwardWeston先生發(fā)明了模擬面板儀表（APM）。該儀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、不精確性和脆弱性給抵消了。不僅如此，其讀數(shù)還很容易造成誤解。

儀表對(duì)“卡針”、不準(zhǔn)確和錯(cuò)誤讀數(shù)的傾向有時(shí)會(huì)成為悲劇的原因。這種固有的不準(zhǔn)確性導(dǎo)致軍事和核電工業(yè)在所有讀數(shù)上采用預(yù)防性的約5％至10％的安全系數(shù)。大多數(shù)APM的精度僅為+/-5%（如果你在+/-10英寸的距離上直視這些儀表的話可以達(dá)到+/-2%），再加上解讀儀表時(shí)候產(chǎn)生的視差。這個(gè)看起來(lái)很小的差異會(huì)導(dǎo)致一個(gè)典型的核電站每天損失超過(guò)10萬(wàn)美元的可銷售電量。

圖1：在工業(yè)環(huán)境中長(zhǎng)期占據(jù)工業(yè)主要產(chǎn)品的模擬量?jī)x表正在被替換。圖片來(lái)源：OTEK公司

工業(yè)不會(huì)一直依賴19世紀(jì)后期的計(jì)量技術(shù)。這就是為什么我們?cè)贠tek公司被一位核電站的經(jīng)理挑戰(zhàn)，要求開發(fā)一個(gè)與我們的新技術(shù)儀表（NTM）相同、但沒(méi)有微處理器的數(shù)字儀表時(shí)很感興趣的原因。作為信號(hào)驅(qū)動(dòng)的儀表，NTM由電流回路（4至20mA或10至50mA）或其測(cè)量的交流/直流信號(hào)供電。

結(jié)果研發(fā)出了不需要微處理器或控制輸出的固態(tài)模擬量?jī)x表（SSAM）。SSAM僅僅用于顯示，而NTM既用于顯示也用于控制。兩個(gè)系列都可以外部供電，而且?guī)?lái)了另一個(gè)好處是發(fā)生的信號(hào)故障后可提供長(zhǎng)約30秒的故障報(bào)警，這樣就消除了危險(xiǎn)的“卡針”現(xiàn)象。

網(wǎng)絡(luò)安全要求

如果想要成功實(shí)施數(shù)字化升級(jí)，核電站的儀表控制室一定要符合最新的網(wǎng)絡(luò)安全規(guī)定（例如美國(guó)核管理委員會(huì)的最新法規(guī)）。這樣做可能會(huì)花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)美元以及數(shù)年的時(shí)間才能實(shí)施完成。否則，如果工廠經(jīng)理維持使用+/-5%的模擬量?jī)x表，他們只能以低于最佳效率運(yùn)行，在極端的情況下他們甚至?xí)p失最佳電能輸出的8%到10%。

那么，到底怎么才可以在不使用微處理器的情況下實(shí)現(xiàn)所需要的性能？幸運(yùn)的是，十多年以前，Otek公司曾經(jīng)試驗(yàn)過(guò)一款僅靠硬件的柱狀圖數(shù)字化儀表。在經(jīng)過(guò)瘋狂地搜索2004年的文檔記錄和原型電路試驗(yàn)板之后，我們僅用了兩周時(shí)間就研發(fā)出了一個(gè)不需要微處理器的、僅靠4到20毫安（大約5到60毫瓦）的電流回路供電的多種顏色的柱狀圖數(shù)字儀表。

盡管我們還沒(méi)有代替Weston先生的發(fā)明，但它解決了工廠經(jīng)理所面臨的挑戰(zhàn)，而且現(xiàn)在依據(jù)1E級(jí)別的分類在進(jìn)行評(píng)估。一個(gè)新的LED電子儀表的種類就這樣產(chǎn)生了，它不需要微處理器對(duì)交流和直流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量、顯示、控制和傳輸，而且其精度可以達(dá)到0.1%，相比之下模擬量?jī)x表的精度只有5%。

無(wú)微處理器以及無(wú)供電的SSAM系列可以用作基本的柱狀圖（類似模擬量?jī)x表），作為柱狀數(shù)字圖（類似過(guò)時(shí)的數(shù)字鍵），或者作為多功能儀表，這是可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行配置的。如果外殼是一樣的，所需要的僅僅是更換刻度板和插件模塊，再進(jìn)行任何所需要的標(biāo)定操作。

圖2：因?yàn)閷?duì)微處理器的使用帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò)安全和監(jiān)管方面的挑戰(zhàn)，對(duì)模擬量?jī)x表的使用在某些應(yīng)用場(chǎng)合和工業(yè)中會(huì)持續(xù)下去。

可靠性與成本的考量

在一家核工業(yè)企業(yè)的無(wú)供電技術(shù)展示活動(dòng)中，一位經(jīng)理問(wèn)到：“儀控經(jīng)理該如何決定是否對(duì)儀控室進(jìn)行數(shù)字化？”這也是我們的客戶在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)問(wèn)到的問(wèn)題。

考慮到使用電流回路往往是最簡(jiǎn)單的、最可靠的傳輸模擬量信號(hào)的方式。因此，給客戶的建議可選項(xiàng)包括：1）只替換模擬量?jī)x表；2）增加一個(gè)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)；或者3）增加帶有三倍冗余的管理控制。然而，選項(xiàng)2）和選項(xiàng)3）都需要符合網(wǎng)絡(luò)安全要求。選項(xiàng)1）則不需要符合網(wǎng)絡(luò)安全的要求，因?yàn)闆](méi)有微控制器或I/O串口可非法入侵。

采用第一種方法，僅僅替換模擬量?jī)x表，需要的執(zhí)行步驟如下：1）將所有的信號(hào)和接線都改成4到20毫安；2）安裝最好的4到20毫安變送器；或者3）安裝SSAM或同類設(shè)備。使用接線一一對(duì)應(yīng)和儀表盤相兼容的陷入式功能，現(xiàn)有的接線和儀表盤是可以再利用的。

一個(gè)典型的反應(yīng)堆一天大約能產(chǎn)生出價(jià)值100萬(wàn)美元的電力，因此每提升1%的產(chǎn)能就是每天增加1萬(wàn)美元的利潤(rùn)，一年就能多盈利365萬(wàn)美元。

核電企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

在美國(guó)，大約95%的核電站都是在1990年之前建成并投入使用的。一段時(shí)間以來(lái)，所有的核電站都安全運(yùn)行在大約90%的效率下。只有很少的政府規(guī)定允許利用目前三分之一的人員和花費(fèi)來(lái)進(jìn)行營(yíng)利的運(yùn)營(yíng)。

如今，鑒于1986年切爾諾貝利核電站和2011年福島核電站的災(zāi)難在監(jiān)管環(huán)境方面累積的影響，以及最近的網(wǎng)絡(luò)安全規(guī)定，意味著大多數(shù)監(jiān)管缺失的工廠可能面臨虧本運(yùn)行。受到監(jiān)管的工廠通過(guò)補(bǔ)貼和提高費(fèi)率來(lái)保證利潤(rùn)，沒(méi)有動(dòng)力去提高效率。結(jié)果是最近有6家美國(guó)的核電站宣布關(guān)閉，未來(lái)可能還會(huì)有更多這樣的核電站。

切爾諾貝利災(zāi)難之后，Otek公司開發(fā)出了HiQ系列（一個(gè)電子儀表的類型），用來(lái)替換老的模擬量?jī)x表以防止操作失誤。在福島災(zāi)難之后，Otek公司又推出了NTM系列，用來(lái)替換老舊的模擬量?jī)x表并且防止卡針現(xiàn)象。

美國(guó)核管理委員會(huì)發(fā)布了一個(gè)用于保護(hù)工廠免受恐怖主義者襲擊的網(wǎng)絡(luò)安全指令。如果核電廠采用任何關(guān)鍵的基于微處理器的數(shù)字化設(shè)備，這個(gè)指令可能會(huì)讓核電廠在每個(gè)控制室內(nèi)花費(fèi)超過(guò)兩千萬(wàn)美元。

儀控室的數(shù)字化建議

在說(shuō)到數(shù)字化儀控室的時(shí)候，核電企業(yè)有6個(gè)可選擇的方案：

1.什么也不做，保留現(xiàn)有的老舊模擬量或數(shù)字量?jī)x表，每天大約損失1萬(wàn)美元，或每年損失365萬(wàn)美元，每損失1%的效率每天就大概損失100萬(wàn)美元。

2.采用平面屏幕和三倍冗余的監(jiān)管控制，獲取與網(wǎng)絡(luò)安全規(guī)定方面的合規(guī)，估計(jì)成本超過(guò)2億美元，這意味著可能要等待7年才能盈利。

3.改用平面屏幕和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，會(huì)包括網(wǎng)絡(luò)安全合規(guī)，以及新的儀控室、工程設(shè)計(jì)、接線、操作員培訓(xùn)、以及NRC批準(zhǔn)?？赡軙?huì)產(chǎn)生大約7500萬(wàn)美元的成本，以及損失每天1%的收入。投資回報(bào)（ROI）會(huì)用3年多的時(shí)間。

4.使用NTM系列或者同類產(chǎn)品替換陳舊的儀表，這些新的儀表是符合SCADA/DAS/DCS1E級(jí)別的要求，并不是平面屏幕的。這意味著沒(méi)有新接線、沒(méi)有I/O串口、沒(méi)有電源、以及沒(méi)有新建成本。這會(huì)節(jié)省大約1.4億美元，不過(guò)會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)安全合規(guī)的成本。投資回報(bào)僅僅需要18個(gè)月。

5.使用NTM系列或同類產(chǎn)品構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這和選項(xiàng)3類似，不過(guò)成本更低，大約為3500萬(wàn)美元，而且不會(huì)帶來(lái)產(chǎn)能的損失或新的施工項(xiàng)目。通常來(lái)說(shuō)效率會(huì)從5%提高到8%，那么投資回報(bào)大概為一年，還包括網(wǎng)絡(luò)安全的合規(guī)成本。

6.使用SSAM或同類替換模擬量，而且向往常一樣（手動(dòng)）運(yùn)營(yíng)直到退役，但是效率和盈利性更高。

將儀控室進(jìn)行數(shù)字化升級(jí)，以提高安全性和可靠性的需求不僅對(duì)核工業(yè)至關(guān)重要，而且對(duì)石油和天然氣工業(yè)、電力工業(yè)或使用模擬儀表的任何其他工業(yè)也至關(guān)重要。對(duì)于處理具有有限操作壽命的反應(yīng)堆的非規(guī)范公用事業(yè)，或在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中，一個(gè)好的選擇是一次性或根據(jù)需要更換過(guò)時(shí)的模擬和數(shù)字儀表。

我們努力對(duì)長(zhǎng)期使用的模擬量?jī)x表做出正確的判斷，但是似乎誰(shuí)也無(wú)法阻擋數(shù)字化時(shí)代的來(lái)臨。

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