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“卡針”、不準(zhǔn)確和錯誤讀數(shù)的傾向有時會成為悲劇的原因。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%），再加上解讀儀表時候產(chǎn)生的視差。這個看起來很小的差異會導(dǎo)致一個典型的核電站每天損失超過10萬美元的可銷售電量。

圖1：在工業(yè)環(huán)境中長期占據(jù)工業(yè)主要產(chǎn)品的模擬量儀表正在被替換。圖片來源：OTEK公司

工業(yè)不會一直依賴19世紀(jì)后期的計量技術(shù)。這就是為什么我們在Otek公司被一位核電站的經(jīng)理挑戰(zhàn)，要求開發(fā)一個與我們的新技術(shù)儀表（NTM）相同、但沒有微處理器的數(shù)字儀表時很感興趣的原因。作為信號驅(qū)動的儀表，NTM由電流回路（4至20mA或10至50mA）或其測量的交流/直流信號供電。

結(jié)果研發(fā)出了不需要微處理器或控制輸出的固態(tài)模擬量儀表（SSAM）。SSAM僅僅用于顯示，而NTM既用于顯示也用于控制。兩個系列都可以外部供電，而且?guī)砹肆硪粋€好處是發(fā)生的信號故障后可提供長約30秒的故障報警，這樣就消除了危險的“卡針”現(xiàn)象。

網(wǎng)絡(luò)安全要求

如果想要成功實施數(shù)字化升級，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（例如美國核管理委員會的最新法規(guī)）。這樣做可能會花費數(shù)百萬美元以及數(shù)年的時間才能實施完成。否則，如果工廠經(jīng)理維持使用+/-5%的模擬量儀表，他們只能以低于最佳效率運行，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現(xiàn)所需要的性能？幸運的是，十多年以前，Otek公司曾經(jīng)試驗過一款僅靠硬件的柱狀圖數(shù)字化儀表。在經(jīng)過瘋狂地搜索2004年的文檔記錄和原型電路試驗板之后，我們僅用了兩周時間就研發(fā)出了一個不需要微處理器的、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級別的分類在進行評估。一個新的LED電子儀表的種類就這樣產(chǎn)生了，它不需要微處理器對交流和直流信號進行測量、顯示、控制和傳輸，而且其精度可以達(dá)到0.1%，相比之下模擬量儀表的精度只有5%。

無微處理器以及無供電的SSAM系列可以用作基本的柱狀圖（類似模擬量儀表），作為柱狀數(shù)字圖（類似過時的數(shù)字鍵），或者作為多功能儀表，這是可以在現(xiàn)場進行配置的。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，再進行任何所需要的標(biāo)定操作。

圖2：因為對微處理器的使用帶來了網(wǎng)絡(luò)安全和監(jiān)管方面的挑戰(zhàn)，對模擬量儀表的使用在某些應(yīng)用場合和工業(yè)中會持續(xù)下去。

可靠性與成本的考量

在一家核工業(yè)企業(yè)的無供電技術(shù)展示活動中，一位經(jīng)理問到：“儀控經(jīng)理該如何決定是否對儀控室進行數(shù)字化？”這也是我們的客戶在實際應(yīng)用中經(jīng)常會問到的問題。

考慮到使用電流回路往往是最簡單的、最可靠的傳輸模擬量信號的方式。因此，給客戶的建議可選項包括：1）只替換模擬量儀表；2）增加一個數(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2）和選項3）都需要符合網(wǎng)絡(luò)安全要求。選項1）則不需要符合網(wǎng)絡(luò)安全的要求，因為沒有微控制器或I/O串口可非法入侵。

采用第一種方法，僅僅替換模擬量儀表，需要的執(zhí)行步驟如下：1）將所有的信號和接線都改成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。

一個典型的反應(yīng)堆一天大約能產(chǎn)生出價值100萬美元的電力，因此每提升1%的產(chǎn)能就是每天增加1萬美元的利潤，一年就能多盈利365萬美元。

核電企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

在美國，大約95%的核電站都是在1990年之前建成并投入使用的。一段時間以來，所有的核電站都安全運行在大約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來進行營利的運營。

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行。受到監(jiān)管的工廠通過補貼和提高費率來保證利潤，沒有動力去提高效率。結(jié)果是最近有6家美國的核電站宣布關(guān)閉，未來可能還會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（一個電子儀表的類型），用來替換老的模擬量儀表以防止操作失誤。在福島災(zāi)難之后，Otek公司又推出了NTM系列，用來替換老舊的模擬量儀表并且防止卡針現(xiàn)象。

美國核管理委員會發(fā)布了一個用于保護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，這個指令可能會讓核電廠在每個控制室內(nèi)花費超過兩千萬美元。

儀控室的數(shù)字化建議

在說到數(shù)字化儀控室的時候，核電企業(yè)有6個可選擇的方案：

1.什么也不做，保留現(xiàn)有的老舊模擬量或數(shù)字量儀表，每天大約損失1萬美元，或每年損失365萬美元，每損失1%的效率每天就大概損失100萬美元。

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)，估計成本超過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)，會包括網(wǎng)絡(luò)安全合規(guī)，以及新的儀控室、工程設(shè)計、接線、操作員培訓(xùn)、以及NRC批準(zhǔn)?？赡軙a(chǎn)生大約7500萬美元的成本，以及損失每天1%的收入。投資回報（ROI）會用3年多的時間。

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級別的要求，并不是平面屏幕的。這意味著沒有新接線、沒有I/O串口、沒有電源、以及沒有新建成本。這會節(jié)省大約1.4億美元，不過會增加網(wǎng)絡(luò)安全合規(guī)的成本。投資回報僅僅需要18個月。

5.使用NTM系列或同類產(chǎn)品構(gòu)建一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這和選項3類似，不過成本更低，大約為3500萬美元，而且不會帶來產(chǎn)能的損失或新的施工項目。通常來說效率會從5%提高到8%，那么投資回報大概為一年，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）運營直到退役，但是效率和盈利性更高。

將儀控室進行數(shù)字化升級，以提高安全性和可靠性的需求不僅對核工業(yè)至關(guān)重要，而且對石油和天然氣工業(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)，或在競爭激烈的市場中，一個好的選擇是一次性或根據(jù)需要更換過時的模擬和數(shù)字儀表。

我們努力對長期使用的模擬量儀表做出正確的判斷，但是似乎誰也無法阻擋數(shù)字化時代的來臨。

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