20多年以前，EdwardWeston先生發明了模擬面板儀表（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，其讀數還很容易造成誤解。

儀表對“卡針”、不準確和錯誤讀數的傾向有時會成為悲劇的原因。這種固有的不準確性導致軍事和核電工業在所有讀數上采用預防性的約5％至10％的安全系數。大多數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到+/-2%），再加上解讀儀表時候產生的視差。這個看起來很小的差異會導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：在工業環境中長期占據工業主要產品的模擬量儀表正在被替換。圖片來源：OTEK公司

工業不會一直依賴19世紀后期的計量技術。這就是為什么我們在Otek公司被一位核電站的經理挑戰，要求開發一個與我們的新技術儀表（NTM）相同、但沒有微處理器的數字儀表時很感興趣的原因。作為信號驅動的儀表，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。

結果研發出了不需要微處理器或控制輸出的固態模擬量儀表（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，而且帶來了另一個好處是發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”現象。

網絡安全要求

如果想要成功實施數字化升級，核電站的儀表控制室一定要符合最新的網絡安全規定（例如美國核管理委員會的最新法規）。這樣做可能會花費數百萬美元以及數年的時間才能實施完成。否則，如果工廠經理維持使用+/-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會損失最佳電能輸出的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所需要的性能？幸運的是，十多年以前，Otek公司曾經試驗過一款僅靠硬件的柱狀圖數字化儀表。在經過瘋狂地搜索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字儀表。

盡管我們還沒有代替Weston先生的發明，但它解決了工廠經理所面臨的挑戰，而且現在依據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），作為柱狀數字圖（類似過時的數字鍵），或者作為多功能儀表，這是可以在現場進行配置的。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定操作。

圖2：因為對微處理器的使用帶來了網絡安全和監管方面的挑戰，對模擬量儀表的使用在某些應用場合和工業中會持續下去。

可靠性與成本的考量

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

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）增加一個數據獲取系統；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）都需要符合網絡安全要求。選項1）則不需要符合網絡安全的要求，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或同類設備。使用接線一一對應和儀表盤相兼容的陷入式功能，現有的接線和儀表盤是可以再利用的。

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

核電企業面臨的挑戰

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年福島核電站的災難在監管環境方面累積的影響，以及最近的網絡安全規定，意味著大多數監管缺失的工廠可能面臨虧本運行。受到監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。結果是最近有6家美國的核電站宣布關閉，未來可能還會有更多這樣的核電站。

切爾諾貝利災難之后，Otek公司開發出了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象。

美國核管理委員會發布了一個用于保護工廠免受恐怖主義者襲擊的網絡安全指令。如果核電廠采用任何關鍵的基于微處理器的數字化設備，這個指令可能會讓核電廠在每個控制室內花費超過兩千萬美元。

儀控室的數字化建議

在說到數字化儀控室的時候，核電企業有6個可選擇的方案：

1.什么也不做，保留現有的老舊模擬量或數字量儀表，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管控制，獲取與網絡安全規定方面的合規，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.改用平面屏幕和數據采集系統，會包括網絡安全合規，以及新的儀控室、工程設計、接線、操作員培訓、以及NRC批準。可能會產生大約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。這會節省大約1.4億美元，不過會增加網絡安全合規的成本。投資回報僅僅需要18個月。

5.使用NTM系列或同類產品構建一個數據采集系統。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，還包括網絡安全的合規成本。

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。

將儀控室進行數字化升級，以提高安全性和可靠性的需求不僅對核工業至關重要，而且對石油和天然氣工業、電力工業或使用模擬儀表的任何其他工業也至關重要。對于處理具有有限操作壽命的反應堆的非規范公用事業，或在競爭激烈的市場中，一個好的選擇是一次性或根據需要更換過時的模擬和數字儀表。

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字化時代的來臨。

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