用西门子公司PCS 7 DCS系统进行的分阶段现代化改造帮助
项目概况：
采用分阶段对现有装置进行升级改造的方法，国民淀粉和化学公司与西门子能源和自动化公司在北卡罗来那州索尔兹伯里的一座新建工厂一起分工合作不但提高了产品质量，与此同时还将循环时间缩短到原来的一半。该项目使用的装置包括西门子公司的PCS7分散控制系统，用于使生产抗潮湿、防裂的胶粘剂树脂的过程实现自动化。你在遍及全球的移动电话、笔记本电脑、PDA以及其它电子设备所使用的微芯片里都能够发现这种胶粘剂树脂。
如果下次你不小心失手把移动电话掉到了地上而它依旧工作正常的话，你应该多谢国民淀粉和化学公司这些企业。今天人们制造的几乎每一部移动电话都包含有半导体芯片，而半导体芯片都是由国民淀粉和化学公司的电子材料分部提供的具有很高柔韧性，同时抗潮湿、防碎裂的胶粘树脂构成的。这种专用的树脂同时也提高了芯片的可靠性，在世界各地的笔记本电脑、PDA以及其它电子设备里面你都可以找到这类电子芯片。
Jeff Mueller是位于北卡罗来那州索尔兹伯里的国民淀粉工厂和研发机构的工程经理，很多专用树脂都是在那里生产的。
“在国民淀粉公司，可靠性是我们最优先考虑的问题。我们对客户的吸引力都依赖于此，”Mueller说道。“非计划停车会立竿见影的为我们增加多达数百万美元的损失，并且会使我们的客户转而寻找其它供应商。”
Mueller说除了可靠性以外，国民淀粉公司在生产过程中优先考虑的其它问题还包括减少产品从工厂到市场的时间，采用最先进的技术以便保持公司的竞争力。他还补充说重复性也是非常关键的：“一个芯片制造商需要在其生产流水线上投资巨额的金钱，他们要求我们提供的产品能够通过注射器进行精确的分配。这就是为什么产品的一致性会如此重要。”
技术路线图
在2002年，Mueller开发了一个分阶段的生产控制技术路线图来解决公司生产的急迫需求。这个路线图将会作为一个指导方针帮助公司提高产品的重复性，延长公司化学生产工厂现有硬件基础设备的生命周期。并且还要规划一个新的、邻近的生产设施。
国民淀粉公司确信与一个自动化和控制产品供应商结成合作伙伴对于这个路线图的成功具有至关重要的作用。为了挑选合适的自动化和控制伙伴，国民淀粉公司、美国控制公司（CCA）以及WESCO过程自动化公司联合制定了一个评估矩阵，其中列出了九个挑选的原则：费用、总体技术能力、操作员友好程度、程序员友好程度、开放的通讯标准、TI505原有控制平台硬件的利用、TI505程序的转化和再利用、以前在ICI公司（国民淀粉公司的母公司）的使用情况、批量配方控制能力。
三家知名的过程自动化供应商受到邀请向一个评估委员会作介绍，这个评估委员会将会依据国民淀粉公司的优先性矩阵原则对三家公司进行比较。
“当一家供应商向我们推荐一个现在还没有产品化的方案时，”Mueller说道。“我多次听到‘不久’这个单词。例如他们说不久就会有一个解决方案能够允许我们转换成批量配方。当我听到他们这样说的时候，我真的感到很紧张。”
“当我们想要通过数据来作出决定的时候，我们设计了一个优先级矩阵，”Mueller说道。“我们找来了以后将会使用这些系统的人，让他们根据重要性来分等级排列这些原则。当供应商作介绍的时候，我们就把这些矩阵填写好。西门子公司的SIMATIC PCS7分散控制系统（DCS）是我们选择的最好控制系统。”
分阶段实现的方式使停车时间最少
为了尽量减少对现有操作的干扰，同时为其它改进建立一种清晰的途径，国民淀粉公司采用了一种分阶段移植到西门子公司PCS7 DCS系统的方法。
现有的控制系统使用不同版本的软件和硬件运行。为了使用一种新的控制系统，必须使现有系统处于一种共通的状态，然后就可以进行移植工作。这个策略最大程度的减少了搞乱生产过程的风险，同时还允许国民淀粉公司对所有的反应器都采用一致的移植计划。
这个路线图的第一个阶段是2003年执行的。Mueller说公司决定进行标准化，将两个435PLC转换成来自于西门子能源和自动化公司的SIMATIC545和505控制器，这两个控制器控制着一台刮膜式蒸发器和旋转圆盘式干燥机。
“移植到545控制器的改造使我们能够把所有的PLC标准化，并且对下一步改造的各种选择项进行评估。其目的是在新的系统当中利用现有的硬件。”
改造的第二阶段于2004年进行，其中心内容是在现有的有机化学工厂里增加一个新的反应器系列。Mueller说这是为了获得使用PCS7DCS系统的经验，为了获得用PROFIBUS通讯网络与测量设备和控制设备进行连接的经验。
“我们从低风险的项目开始改造，希望最大程度的减少使生产过程混乱的风险，”Mueller说道。“这个策略使得我们可以采用模块化的编程方式，并且以之作为将来系统的一个模板，也作为将来实现批量配方管理的一个垫脚石。”
新反应器系列的安装工作也包括PCS7DCS系统的安装，该系统使用了冗余的SIMATIC S7-417H控制器。安装工作还包括西门子公司的PCS7操作员站（OS），这些操作员站通过遍布整个有机化工厂的以太网进行连接。
“工厂的操作员们已经对PCS7人机接口设备的外观、操作感觉以及功能非常熟悉，”Mueller说道。“这个系统的设计宗旨就是看起来与我们现有的人机接口平台类似，这样对操作员来说新旧系统的差别就非常微小了。同时新系统又提供了更加强大的功能，它使操作人员能够查看是否某些东西被联锁了，或者同时调出历史数据和趋势数据。他们非常喜欢新的系统。”
在2005年，PCS7系统通过新反应器系列的开车证明了自己的性能，同时Mueller也开始执行路线图的第三个阶段－把系统从西门子公司的SIMATIC 545和505控制器改造成为西门子公司的PCS7 DCS系统。在2005年，现有反应器系列当中的一个反应器以及一个旋转圆盘式干燥机的DCS系统改造成功完成。
通过每次把一个反应器的自动化系统软件和硬件改造成为PCS7系统，Mueller能够确信生产过程不会受到干扰。他现在还能够开发标准化的功能模块和控制模块，这些功能模块能够支持批量配方过程，还可以作为模板用于将来的系统。剩下的反应器系列将会在今后的两年中被升级为西门子公司的PCS7 DCS系统。
现场总线的好处
在北卡罗来那州索尔兹伯里的制造工厂，国民淀粉公司希望通过保留所有的现场仪表以及TI545 I/O模板获得最高的资产回报率，这将作为升级到PCS7的改造工作的一部分。替换所有的硬件和控制系统将会是非常昂贵的。
不过，Mueller说因为PROFIBUS PA的开放性，他能够保留原来的仪表标准，这是通过与包括E+H、rosemount、Mettler-Toledo、OhmartVega在内的仪表供应商长期以来的合作建立的标准。
另外，由于国民淀粉公司采用PROFIBUS实现了标准化连接，SIMATIC 505、SIMATIC S7、S-417H控制器都采用PROFIBUS进行连接，公司在传统的接线环节上也节省了大量的资金。
“我们节约了数额巨大的资金，”Mueller说道。“所有的这些接线，所有返回到这些卡板的输入和输出信号，现在从硬件上都可以通过一根信号电缆进行传送，这给我们带来了难以置信的节省。”
国民淀粉还利用了PROFIBUS通讯网络和PCS7平台赋予的新的、先进的诊断功能，包括跟踪记录仪表的更换。
由于现有的工厂是CLASS I DIV 2的爆炸危险环境，因此考虑了本质安全系统作为预防措施。Mueller说他现在有几个可选择方案来满足防爆规范的要求。他可以把接线全部封闭在防爆穿线管里边，这是一种非常费事的方法，同时也非常昂贵。他也可以采用保护性的隔离式安全栅或者安装带有内建本质安全结构的硬件设备。
“西门子公司有具备内建本质安全功能的硬件设备，其运行电流非常低，”Mueller解释说。“PROFIBUS PA和ET200 iS I/O模件的连接是专门为本质安全区域的使用而设计的，可以应用在电气危险场合。这对于我们是个优点。当我们在处理故障的时候，我们不需要担心是否会击穿一个隔离式的安全栅，不需要来来回回的查找一个损坏的保险丝。其结果是，我们节约了相当可观的时间和金钱。”
扩展和其它
随着现有化学生产工厂的全部三个改造阶段的完成，Mueller重新检讨了路线图的目标－提高产品的重复性、降低生产费用以及继续建设一座新的工厂，在这座新厂里将要使用自动化的批量过程生产专用的化学品。
新的Emanate有机化工厂坐落在离现有化学工厂一百五十英尺远的地方，其建造工作开始于2005年，完成于2006年。
新工厂的基本架构是西门子公司的全集成自动化系统，它包括PCS7
DCS系统、批量配方软件和PROFIBUS通讯网络。
控制室里的S7-417H处理器通过光导纤维缆线连接到现有控制室里的一个相同的控制器。这使得每个装置的生产控制都可以在失去电源或者电源发生浪涌的时候从一个地点切换到另一个地点。
新工厂还包括全系列的西门子公司电气系统组件，其中包括电气开关装置、马达控制中心、变频驱动装置、断路器盘、导线和电缆、仪表和控制阀等。
结果
Emanate工厂于2006年投产，于2007年初启动另外的反应器系列的计划也已经在制定当中。Mueller说Emanate的第一个合格批次产品达到了预期的循环时间要求，这同以前的操作过程相比是一个巨大的进步。
“与现有的工厂相比，我们的生产时间减少了一半，”Mueller说道。“我们也预见到产品质量的大幅度提高，包括批量配方系统使产品粘度变化量减少。整个自动化系统都来自同一家供应商也是非常令人高兴的，这样我们就可以确信所有的部件都能够良好的兼容工作。”
采用分阶段对现有装置进行升级改造的方法，国民淀粉和化学公司与西门子能源和自动化公司在北卡罗来那州索尔兹伯里的一座新建工厂一起分工合作不但提高了产品质量，与此同时还将循环时间缩短到原来的一半。该项目使用的装置包括西门子公司的PCS7分散控制系统，用于使生产抗潮湿、防裂的胶粘剂树脂的过程实现自动化。你在遍及全球的移动电话、笔记本电脑、PDA以及其它电子设备所使用的微芯片里都能够发现这种胶粘剂树脂。
如果下次你不小心失手把移动电话掉到了地上而它依旧工作正常的话，你应该多谢国民淀粉和化学公司这些企业。今天人们制造的几乎每一部移动电话都包含有半导体芯片，而半导体芯片都是由国民淀粉和化学公司的电子材料分部提供的具有很高柔韧性，同时抗潮湿、防碎裂的胶粘树脂构成的。这种专用的树脂同时也提高了芯片的可靠性，在世界各地的笔记本电脑、PDA以及其它电子设备里面你都可以找到这类电子芯片。
Jeff Mueller是位于北卡罗来那州索尔兹伯里的国民淀粉工厂和研发机构的工程经理，很多专用树脂都是在那里生产的。
“在国民淀粉公司，可靠性是我们最优先考虑的问题。我们对客户的吸引力都依赖于此，”Mueller说道。“非计划停车会立竿见影的为我们增加多达数百万美元的损失，并且会使我们的客户转而寻找其它供应商。”
Mueller说除了可靠性以外，国民淀粉公司在生产过程中优先考虑的其它问题还包括减少产品从工厂到市场的时间，采用最先进的技术以便保持公司的竞争力。他还补充说重复性也是非常关键的：“一个芯片制造商需要在其生产流水线上投资巨额的金钱，他们要求我们提供的产品能够通过注射器进行精确的分配。这就是为什么产品的一致性会如此重要。”
技术路线图
在2002年，Mueller开发了一个分阶段的生产控制技术路线图来解决公司生产的急迫需求。这个路线图将会作为一个指导方针帮助公司提高产品的重复性，延长公司化学生产工厂现有硬件基础设备的生命周期。并且还要规划一个新的、邻近的生产设施。
国民淀粉公司确信与一个自动化和控制产品供应商结成合作伙伴对于这个路线图的成功具有至关重要的作用。为了挑选合适的自动化和控制伙伴，国民淀粉公司、美国控制公司（CCA）以及WESCO过程自动化公司联合制定了一个评估矩阵，其中列出了九个挑选的原则：费用、总体技术能力、操作员友好程度、程序员友好程度、开放的通讯标准、TI505原有控制平台硬件的利用、TI505程序的转化和再利用、以前在ICI公司（国民淀粉公司的母公司）的使用情况、批量配方控制能力。
三家知名的过程自动化供应商受到邀请向一个评估委员会作介绍，这个评估委员会将会依据国民淀粉公司的优先性矩阵原则对三家公司进行比较。
“当一家供应商向我们推荐一个现在还没有产品化的方案时，”Mueller说道。“我多次听到‘不久’这个单词。例如他们说不久就会有一个解决方案能够允许我们转换成批量配方。当我听到他们这样说的时候，我真的感到很紧张。”
“当我们想要通过数据来作出决定的时候，我们设计了一个优先级矩阵，”Mueller说道。“我们找来了以后将会使用这些系统的人，让他们根据重要性来分等级排列这些原则。当供应商作介绍的时候，我们就把这些矩阵填写好。西门子公司的SIMATIC PCS7分散控制系统（DCS）是我们选择的最好控制系统。”
分阶段实现的方式使停车时间最少
为了尽量减少对现有操作的干扰，同时为其它改进建立一种清晰的途径，国民淀粉公司采用了一种分阶段移植到西门子公司PCS7 DCS系统的方法。
现有的控制系统使用不同版本的软件和硬件运行。为了使用一种新的控制系统，必须使现有系统处于一种共通的状态，然后就可以进行移植工作。这个策略最大程度的减少了搞乱生产过程的风险，同时还允许国民淀粉公司对所有的反应器都采用一致的移植计划。
这个路线图的第一个阶段是2003年执行的。Mueller说公司决定进行标准化，将两个435PLC转换成来自于西门子能源和自动化公司的SIMATIC545和505控制器，这两个控制器控制着一台刮膜式蒸发器和旋转圆盘式干燥机。
“移植到545控制器的改造使我们能够把所有的PLC标准化，并且对下一步改造的各种选择项进行评估。其目的是在新的系统当中利用现有的硬件。”
改造的第二阶段于2004年进行，其中心内容是在现有的有机化学工厂里增加一个新的反应器系列。Mueller说这是为了获得使用PCS7DCS系统的经验，为了获得用PROFIBUS通讯网络与测量设备和控制设备进行连接的经验。
“我们从低风险的项目开始改造，希望最大程度的减少使生产过程混乱的风险，”Mueller说道。“这个策略使得我们可以采用模块化的编程方式，并且以之作为将来系统的一个模板，也作为将来实现批量配方管理的一个垫脚石。”
新反应器系列的安装工作也包括PCS7DCS系统的安装，该系统使用了冗余的SIMATIC S7-417H控制器。安装工作还包括西门子公司的PCS7操作员站（OS），这些操作员站通过遍布整个有机化工厂的以太网进行连接。
“工厂的操作员们已经对PCS7人机接口设备的外观、操作感觉以及功能非常熟悉，”Mueller说道。“这个系统的设计宗旨就是看起来与我们现有的人机接口平台类似，这样对操作员来说新旧系统的差别就非常微小了。同时新系统又提供了更加强大的功能，它使操作人员能够查看是否某些东西被联锁了，或者同时调出历史数据和趋势数据。他们非常喜欢新的系统。”
在2005年，PCS7系统通过新反应器系列的开车证明了自己的性能，同时Mueller也开始执行路线图的第三个阶段－把系统从西门子公司的SIMATIC 545和505控制器改造成为西门子公司的PCS7 DCS系统。在2005年，现有反应器系列当中的一个反应器以及一个旋转圆盘式干燥机的DCS系统改造成功完成。
通过每次把一个反应器的自动化系统软件和硬件改造成为PCS7系统，Mueller能够确信生产过程不会受到干扰。他现在还能够开发标准化的功能模块和控制模块，这些功能模块能够支持批量配方过程，还可以作为模板用于将来的系统。剩下的反应器系列将会在今后的两年中被升级为西门子公司的PCS7 DCS系统。
现场总线的好处
在北卡罗来那州索尔兹伯里的制造工厂，国民淀粉公司希望通过保留所有的现场仪表以及TI545 I/O模板获得最高的资产回报率，这将作为升级到PCS7的改造工作的一部分。替换所有的硬件和控制系统将会是非常昂贵的。
不过，Mueller说因为PROFIBUS PA的开放性，他能够保留原来的仪表标准，这是通过与包括E+H、rosemount、Mettler-Toledo、OhmartVega在内的仪表供应商长期以来的合作建立的标准。
另外，由于国民淀粉公司采用PROFIBUS实现了标准化连接，SIMATIC 505、SIMATIC S7、S-417H控制器都采用PROFIBUS进行连接，公司在传统的接线环节上也节省了大量的资金。
“我们节约了数额巨大的资金，”Mueller说道。“所有的这些接线，所有返回到这些卡板的输入和输出信号，现在从硬件上都可以通过一根信号电缆进行传送，这给我们带来了难以置信的节省。”
国民淀粉还利用了PROFIBUS通讯网络和PCS7平台赋予的新的、先进的诊断功能，包括跟踪记录仪表的更换。
由于现有的工厂是CLASS I DIV 2的爆炸危险环境，因此考虑了本质安全系统作为预防措施。Mueller说他现在有几个可选择方案来满足防爆规范的要求。他可以把接线全部封闭在防爆穿线管里边，这是一种非常费事的方法，同时也非常昂贵。他也可以采用保护性的隔离式安全栅或者安装带有内建本质安全结构的硬件设备。
“西门子公司有具备内建本质安全功能的硬件设备，其运行电流非常低，”Mueller解释说。“PROFIBUS PA和ET200 iS I/O模件的连接是专门为本质安全区域的使用而设计的，可以应用在电气危险场合。这对于我们是个优点。当我们在处理故障的时候，我们不需要担心是否会击穿一个隔离式的安全栅，不需要来来回回的查找一个损坏的保险丝。其结果是，我们节约了相当可观的时间和金钱。”
扩展和其它
随着现有化学生产工厂的全部三个改造阶段的完成，Mueller重新检讨了路线图的目标－提高产品的重复性、降低生产费用以及继续建设一座新的工厂，在这座新厂里将要使用自动化的批量过程生产专用的化学品。
新的Emanate有机化工厂坐落在离现有化学工厂一百五十英尺远的地方，其建造工作开始于2005年，完成于2006年。
新工厂的基本架构是西门子公司的全集成自动化系统，它包括PCS7
DCS系统、批量配方软件和PROFIBUS通讯网络。
控制室里的S7-417H处理器通过光导纤维缆线连接到现有控制室里的一个相同的控制器。这使得每个装置的生产控制都可以在失去电源或者电源发生浪涌的时候从一个地点切换到另一个地点。
新工厂还包括全系列的西门子公司电气系统组件，其中包括电气开关装置、马达控制中心、变频驱动装置、断路器盘、导线和电缆、仪表和控制阀等。
结果
Emanate工厂于2006年投产，于2007年初启动另外的反应器系列的计划也已经在制定当中。Mueller说Emanate的第一个合格批次产品达到了预期的循环时间要求，这同以前的操作过程相比是一个巨大的进步。
“与现有的工厂相比，我们的生产时间减少了一半，”Mueller说道。“我们也预见到产品质量的大幅度提高，包括批量配方系统使产品粘度变化量减少。整个自动化系统都来自同一家供应商也是非常令人高兴的，这样我们就可以确信所有的部件都能够良好的兼容工作。”
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