自动化

为弹性而构建的自动化

弹性自动化产品和实践是使用传感器,布线,配电,控制器,网络,执行器和软件集成到自动化系统中的大多数工业应用的必要性。

由Bill Dehner. 5月6日,2021年
礼貌:自动化指导

学习目标

  • 获取产品和实践的帮助使电气、仪表和控制设计更具弹性。
  • 考虑可靠性边际在自动化设计中。
  • 也要注意执行器和编程考虑自动化弹性时。

数字系统在工作的时候非常棒,大多数时候都是这样。然而,许多人都经历过,当数字控制停止工作时,需要重新启动或修复移动设备、个人电脑或其他更重要的设备。有时这些问题只是一个小麻烦或造成最小的生产力损失,但对于关键系统,这类故障的后果要严重得多。

建造工业自动化系统以搅拌产品,最大限度地减少浪费,保护设备,并使工人安全 - 长时间,长时间的关注。弹性的一个定义是能够调整或恢复以改变或逆境。大多数人都会同意自动化系统弹性是可取的,但这种最佳成本和成本如何?

由于自动化系统由独特而相互关联的传感器构建,接线,配电,控制器,网络,软件以及更多,任何应用的最佳弹性解决方案涉及许多考虑因素和权衡。

了解实用自动化产品和实践可以帮助设计师在弹性,成本和复杂性之间找到合适的平衡。

产品,实践有助于电气,仪表和控制设计

许多行业组的电气,仪器和控制(EIC)设计学科,因为它们密切相关。电气涉及配电和布线系统。仪器是指用于条件监测的传感器。控件包括自动化系统在物理设备上采用的硬件和编程,并扩展到可编程逻辑控制器(PLC)的网络,人机接口(HMIS)以及常用于工业自动化的其他组件。

智能EIC设计是工业设备和流程可靠和弹性自动化的必要条件,并且跨越每个项目的许多方面。EIC产品选择应考虑:

  • 采摘产品旨在幸存下来的目标环境,可能会经历极端的温度,水分,污染物,电噪声和其他危险。
  • 确保产品供应商在不利条件下保持强烈关注测试设备。
  • 寻找相关行业认证,如承销商实验室(UL)或美国航运局(ABS)。
  • 选择具有使其在有问题的情况下表现出色的属性或设计特性的设备。
图1:自动化程度的产品系列工业控制器平台已经受到极端测试,如这里所示的冷操作环境,以确保其在额定条件下可靠地执行。礼貌:自动化指导

图1:自动化程度的产品系列工业控制器平台已经受到极端测试,如这里所示的冷操作环境,以确保其在额定条件下可靠地执行。礼貌:自动化指导

自动化设计可靠性边缘

设计人员经常确定设备会遇到的最坏情况的操作环境。然而,选择由供应商测试的设备以超越预期操作条件超过及更高的预期操作条件提供额外的可靠性余量(图1)。

根据设备类型,操作特性,如电压,以及将使用的应用程序,有许多评级机构提供第三方认证或标准。为工业自动化使用具有UL评级的设备或船用船用使用的ABS评级,提供了额外的可靠性保证。

设计人员还可以选择可根据工业环境中面临的特定挑战提供额外内置保护的设备,这是一种电气噪音。标准的单端PLC输入/输出(I / O)模块使用最简单且最昂贵的信令方法,但在附近有焊工,变压器,发电机和可变频率电机驱动器产生大量电气的设备时可能无法按预期运行噪音。通过选择提供差分I / O的模块,通过取消在这些高EMI环境中的线路上引起的任何电噪声来保护信号精度(图2)。

可靠的产品只有在使用良好的实践实施时才能提供可靠的自动化系统。即使是通用自动化,设计师也应该遵循国家电气规范(NEC)等规范,以及ANSI和ISA等标准,以确保满足最低要求。

个人设计实践将分段应用于特定区域可能无法提供最佳的整体可靠性。代码,标准和规格通常基于满足基本安全性和性能需求所需的最低要求。设计人员必须在微观和宏观层面接近弹性。

自动化可靠性,冗余,弹性

弹性系统是使用可靠的产品设计和构建的,并且在某些情况下通过应用冗余配置。没有必要尝试从不可靠的部分创建弹性系统。即使当设备提供必要的可靠性时,也有设计,冗余和安装实践,可以提高系统弹性。

冗余是系统元素的重复,以提高可靠性,可以是一个关键策略,在EIC系统的每个部分以不同程度实现的。但是,冗余增加了成本,设备和实施工作,并且对于较小的系统可能并不实用。

图2:提供了一些自动化Direct PLC产品系列提供的差分I / O,其成本略高于标准的单端I / O,但通过取消通用工业设备的I / O信号上引起的电噪声来提高可靠性。礼貌:自动化指导

图2:提供了一些自动化Direct PLC产品系列提供的差分I / O,其成本略高于标准的单端I / O,但通过取消通用工业设备的I / O信号上引起的电噪声来提高可靠性。礼貌:自动化指导

电气冗余

对于最关键的系统,电源可以由一次和二次电路提供,当其中一个电路出现故障时,可以自动切换,也可以不自动切换。双回路也提高了人员服务电源馈电的能力。

许多自动化系统在控制面板等关键位置中包含不间断电源(UPS)。如果上游电源发生故障,UPS可以为下游设备提供AC或DC电源。此外,UPS为下游设备提供了一定程度的电力质量滤波,并且如果有问题,因此用户可以响应,可以向控制系统发出信号。AC电涌保护,特别是对于电源和仪表导体,保护昂贵的电子设备免受公用事业电涌或闪电事件的影响。

器件,电缆和连接器必须安装在机箱和滚道中,以在某些情况下提供机械保护,抗振性甚至电磁干扰(EMI)和射频(RF)屏蔽。EMI和RF对于低压数字通信和信号线和电缆特别有问题,因此必须设计和安装这些电路以提供距噪声产生电源电路的距离。玻璃纤维外壳可以保护装置免受元件的保护,但接地的铁钢外壳为这些器件提供额外的EMI / RF保护。

仪器冗余

在临界测量位置,可以安装两种仪器以进行冗余。有时乐器是相同的,但甚至更好地安装不同的技术。两种三种配置提供了更大的测量可靠性。例如,可以用主超声波发射器和辅助潜水器和辅助潜水器提供重要的罐电平,并且由高浮动开关提供额外的保护。

控制和网络冗余

工业PLC非常可靠,一些平台也提供处理器冗余。对于许多中等和小系统,冗余PLC的费用和复杂性不需要。

相反,将重点放在工业网络上可能会更有效率,因为这些网络更容易发生故障,因为它们延伸到受保护的控制柜之外,有时延伸距离很长,而且通常是在具有挑战性的工厂环境中。有了正确的设备,就有可能设计出自愈环结构的网络。该环安装在通过设备或设施的路径上,它可以承受单点故障,并在出现问题时通知操作人员。这允许在第二次故障发生之前解决问题,这可能导致整个网络无法运行。

虽然无线网络不得被认为比有线解决方案更可靠,但是当用作备用网络连接时,Wi-Fi可以提高可靠性,使得具有移动设备的用户可以访问设备而不打开控制面板或进行物理连接。

HMI冗余

位于现场或控制室的HMI通常可以通过两个或更多个单位并联操作来实现冗余的形式。一种更具吸引力的方法,通过最新的HMI可以实现,是将一个或两个硬件HMI安装为自动化系统的一部分,但是使用远程访问方法和移动设备访问这些。

事实上,本地HMI可以是“无头”的,这意味着它安装在一个受保护的控制面板中,而不连接到物理显示器。用户可以通过移动设备访问无头人机界面,而不是将显示器安装在具有挑战性的室外或危险位置(图3)。

图3:移动人机界面(HMI)解决方案,可以使用本地HMIS实现,其中包含或不具有显示器,或者可以是较大的软件解决方案的一部分,提供了一种易于部署的方式来提高可视化冗余。礼貌:自动化指导

图3:移动人机界面(HMI)解决方案,可以使用本地HMIS实现,其中包含或不具有显示器,或者可以是较大的软件解决方案的一部分,提供了一种易于部署的方式来提高可视化冗余。礼貌:自动化指导

自动化弹性的其他考虑因素:执行器,编程

自动化弹性的整体策略考虑了许多其他因素。良好的物理设计和软件与其他EIC改进一起工作,提供整个系统的弹性。

现场硬件和致动器,如用于提供运动的电机和气缸,必须以适当的速度,力和精度移动,并且应该使用安全性,以确保它们保持可靠。例如,适当的气缸缓冲是保护机器和气缸免受行程结束冲击损伤和过度振动的一种方式。预防性维护和监控工作,无论是在变速箱中更换油,更新PLC固件或监控设备和控制面板还可以提高弹性。

弹性的其他方面通常由编程方法决定。用户界面,特别是人机界面,必须配置便于操作人员直观使用,提供清晰的指示和报警,以便他们快速响应和及时纠正问题。一些弹性PLC编程实践是简单的,如节省操作设定值,以便在机器经历电源循环时保存。其他概念则更加复杂,例如开发逻辑来识别操作问题,然后自动适应这些问题或通知用户。

工业自动化弹性谱

对每个应用的工业自动化弹性的正确解决方案是不同的,但选择产品和设计方法的策略是相同的。今天的设计人员具有广泛的设备和技术,可以选择为每个项目创造适当的平衡。

最小,最经济的项目可以简单地依靠固体产品,遵循良好的基本实践。随着设备和系统的规模,复杂性和关键性增长,有更多的机会投资更先进的电气,仪器,控制产品和设计实践,以提供更大水平的系统弹性。这些级别的冗余是实现改善的弹性的主要方法。特别是,近年来提供冗余网络和HMIS的技术得到了改善,可以以低成本提供改善的弹性。

比尔德纳是技术营销工程师,aUtomationDirect.。由内容经理马克·t·霍斯克编辑,控制工程,CFE媒体和技术,Mhoske@cfemedia.com。

关键词:自动弹性,电气弹性,冗余设计

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比尔德纳
作者生物:Bill Dehner为石油和天然气,电力和包装工业设计和安装工业控制系统的大部分。他有一个BSEE,来自USAF的航空电子助理学位,目前正在为技术营销工程师为自动化程度工作。