新世代智能化控制系統

— 工程事業群 中鼎 儀控部工程師 連益盛

CTCI中鼎集團深耕自動化控制領域，透過精良技術與客製化理念，為全球客戶提供穩固可靠的系統整合服務，並於煉油廠、石化廠和天然氣等產業累積豐富的實績。本文將介紹控制系統的智能發展，透過CTCI於全球EPC統包專案的執行經驗，剖析控制系統智能發展對EPCKM（設計、採購、建造、試運轉、維護營運）各階段的助益，持續推動專案執行的智能化，為控制系統的演進翻開嶄新的一頁，提供全球客戶更好的智能化服務。

控制系統簡介

分散式控制系統（Distributed Control System，簡稱DCS）為生產製程自動化的關鍵平台。在1980年代，適逢計算機技術跳躍性成長的時代，DCS挾帶其技術能量，成長為擁有自動化精確控制、敏銳性處理速度及穩定化系統架構的當代領導產品，並廣為各產業大量採用，包含煉油、石化與電力、能源等產業均積極引進，使工業控制一舉邁入新紀元。

30年過去，「網路」與「數位」等新科技持續推動著工業控制技術成長，將80年代的傳統控制系統轉換為現場總線（Foundation Fieldbus）控制系統，為傳統控制與現場總線控制系統兼容的世代。近年來，控制系統除兼備傳統控制系統的穩定性，及現場總線控制系統的數位化特點外，更發展出「通用化」、「標準化」等要點，提升了控制系統智能特性；包含以智能型通用輸入/輸出訊號模組（Universal Input/Output Module，簡稱UI/O）、智能錯線盤（Smart Marshalling Cabinet，簡稱SMC）、智能接線箱（Smart Junction Box，簡稱SJB）等新技術所建構之新世代控制系統，進一步讓控制系統以智能化運行來擔負更繁雜的工作，例如儀表自動規劃上線，自動迴路測試等新功能；同時兼具化繁為簡，將各類繁雜多樣的信號模組標準化為通用模組，達到有效降低工廠建置總成本、縮短建置時程及硬體單一化與備品標準化等目的。

控制系統智能演進

智能產品尚未導入前，控制系統最令人頭痛且印象深刻的部分，就是輸入/輸出訊號 （input/output，簡稱I/O）的專一性，與訊號分類衍生出的複雜配線。配線接點如同人體神經元的突觸角色，將現場儀表訊號傳遞至控制器，路徑上半點差錯都不能容許；為了確保訊號傳遞正確，工程師需在連接的路徑上，花費大量心力執行設計規劃與配線施作。

如圖1所示，傳統上規劃現場儀表訊號時，首先將訊號依據不同特性，分類成類比訊號（analog signal）、離散訊號（discrete signal）、RTD訊號（RTD signal）等族群，分別收集到現場對應的接線箱（Junction Box，簡稱JB），並使用多芯主電纜連接進入控制室。訊號此時需再進一步依據I/O卡片配置，以錯線盤（Marshalling Cabinet）錯線後，連接至I/O卡片之指定接點，最終才能正確地由控制器使用。實施上述現場儀表連接控制系統架構，除設計規劃外，施工、維修、以及保養上，均需要投入可觀的時間與人力成本。

1.通用化-UNIVERSAL I/O MODULE

UI/O模組為智能產品的先驅，開發目的在將通用性導入I/O模組，並搭配DICED技術，有效應用智慧型儀表功能（ExxonMobil於2014 Control Engineering期刊提出）。DICED一詞為Detect、Interrogate、Configure、Enable、Document之合稱，意即智慧型儀表接上UI/O模組後，可自動被控制系統智能辨識、連結、並完成儀表規劃，進一步啟動儀表控制功能與智慧選項（例如製程數據單位換算，儀表自我診斷分析等），及產出正確的系統規劃文件。

UI/O模組的「通用化」特性如圖2所示，針對不同種類訊號，模組上的任一個接點皆可將其訊號數位化，經由控制層網路與各控制器連線並跨控制器使用，除提升現場儀表之規劃效能外，亦大量減少跨控制器間之通訊負載，進而強化控制層網路之通訊速度。

2.標準化-SMART MARSHALLING CABINET

因「通用化」特性，配置UI/O模組的盤櫃已進一步發展為「標準化」產品。如圖3所示，傳統的I/O模組盤櫃，需要配合控制器規劃，以及I/O模組卡片配置來客製化；使用UI/O模組後，受惠其通用化特性，I/O模組盤櫃不再需要客製化設計及客製化組裝製造，而以標準化盤櫃取而代之，達到大量降低模組盤櫃之建置時間與組裝人力。

兼具「通用化」性與「標準化」的智能產品，既可以搭配DICED技術，完成智能識別自動規劃任務；亦對EPC專案執行產生效益，此部分將於後段章節介紹。

3.數位智能的擴張-SMART JUNCTION BOX

隨著用戶端需求的提升，數位智能化模組進一步由中央控制室內擴展到現場各個角落；當UI/O模組與通訊模組進一步整合於現場傳統接線箱（JB）中，即發展為智能接線箱（SJB），如圖4左方現場接線箱示意。

如圖，現場各類訊號可就近收集進入SJB，轉化為數位訊號，再經由乙太網路通訊電纜連接至控制系統。這個更兼具使用彈性與標準化的智能產品，提前將儀表類比訊號轉換並進入數位智能領域，除了讓工程師省去複雜繁瑣的錯線規劃（圖4淺色圖件）外，因大量訊號電纜簡化為通訊光纜，精簡了傳統控制系統現場繁重的拉、配線相關施工工作，以及後續的保養、維修需求。

4.未來發展

智能產品除上述的優勢特性外，尚有繼續發展的潛能，可讓數位智能應用範圍更為廣泛。像是UI/O模組能支援更多介面（如Surge Protection Device），SJB能配置於極端環境（如危險區域Zone 1以上，或化學腐蝕性環境）單一UI/O channel可驅動高耗電儀表（如氣體偵測器，或是高功率電磁閥）等。或許不需要另一個30年，在不久的將來，我們就能擁有應用上更「全面化」的控制系統。

智能化控制系統在EPCKM各階段的優勢與彈性

CTCI承攬無數大小國內外專案，實際參與了控制系統從傳統配置，到現今智能化的演進過程，並將控制系統智能產品應用於全球專案執行中，包含近期的CCET橡膠原料製程建廠統包工程，與SABIC特用化學品擴廠統包工程，分別應用了Smart Marshalling Cabinet與Smart Junction Box智能產品，展現了CTCI走在技術尖端的工程實力。

依據使用經驗，彙整成表１，說明控制系統智能發展對EPCKM各階段的助益。

除上述專案，CTCI更於ExxonMobil GCGV乙二醇統包工程，將SJB應用於模組化（Modularization）施工建構。此充分發揮了SJB的優點特性，在模組廠內直接將SJB安裝完成並進一步完成迴路測試，達成模組廠工作最大化及現地最小化，進而縮短現地施工時程及降低施工成本。

結論與展望

新一代控制系統智能發展歷經通用化、標準化、並擴展至廠區室外應用，未來室外廠區不適用數位智能的區域將越來越少，而智能儀表與控制系統智能發展將更趨整合。依此趨勢發展，智能化控制系統與其尖端技術，或將成為製造業應用主流。

善用市場尖端技術，不斷在EPC專案執行工法上創新，是CTCI超前競爭對手的關鍵。控制系統的智能化發展，牽動著工程工法的動態競爭，唯有了解新技術，及時引進新工法，才能在這個瞬息萬變的科技發展世代，能夠預判趨勢、永續維持業界領先地位。

參考資料
1.Universal Process IO, Honeywell, 2012.
2.Electronic Marshalling Overview, Emerson, 2013.
3.自動化領域技術創新, Honeywell, 2020.