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为自动化系统增加弹性——自动化设计的最高境界

来源:控制工程网2022.01.19阅读 16182

  在大多数情况下,如果数字系统正常工作,执行起来效果都不错。但是,当数字控件停止运行时,许多人都需要重新启动或修复移动设备、PC或更重要的东西。有时,这些问题只是小麻烦或造成较小的损失,但对于关键系统而言,此类故障的后果要严重得多。
  工业自动化系统是为了大量生产产品、减少浪费、保护设备和确保工人安全而建立的,并且该系统可以持续发挥作用,无需过多的关注。对于弹性的一种定义是:调整或恢复以适应变化或逆境的能力。大多数人都会同意:自动化系统的弹性是可取的,但如何更好地实现这一点,成本又是多少?

图1:一些工业控制器平台已经通过极端测试,例如该图所显示的寒冷运营环境,以确保其在额定条件下的可靠运行。本文图片来源:AutomationDirect

  由于自动化系统由独特但相互关联的传感器、布线、配电、控制器、网络、软件等构建而成,因此任何应用的最佳弹性解决方案都会涉及诸多考虑和权衡。了解实用的自动化产品和实践,可以帮助设计人员在弹性、成本和复杂性之间找到平衡点。
  智能化的电气、仪表和控制设计
  电气、仪表和控制(EIC)密切相关,因此许多行业将其设计归为一组。电气涉及配电和布线系统。仪表是指用于状态监测的传感器。控制包括自动化系统在物理设备上运行所需的硬件和编程,并扩展到可编程逻辑控制器(PLC)、人机界面(HMI)和工业自动化常用的其它组件。
  智能化的EIC设计对于实现工业设备和过程的可靠而具有弹性的自动化是必不可少的,它涵盖每个项目的方方面面。EIC产品选择应考虑:
  ● 挑选能够承受目标环境的产品,目标环境可能会遇到极端温度、湿度、污染物、电噪声和其它风险。
  ● 确保产品供应商对恶劣条件下的设备测试保持高度重视。
  ● 寻找相关的行业认证,并确保合规性。
  ● 选择具有特定属性或设计功能的设备:使其能够在事故工况下表现出色。
  自动化设计的可靠性边际
  设计人员通常需要确定设备可能会遇到的最坏运营环境。然而,选择经供应商测试能够在预期的极端运行条件下正常工作的设备,可提供额外的可靠性裕度(图1)。
  根据设备类型、电压等运营特性以及将适用的应用,有许多评级机构提供第三方认证或标准。例如,为工业自动化选择UL等级的设备,为船舶应用选择ABS等级的设备,可提供更高的可靠性。
  设计人员还可以选择那些提供额外内置保护的设备,以应对工业环境中所面临的特定挑战,其中一个主要挑战就是电噪声。标准单模PLC输入/输出(I/O)模块,使用最简单且成本最低的信号处理方法,但当附近有焊机、变压器、发电机和变频器等设备时,会产生大量的电噪声信号,可能无法正常工作。选择差分I/O模块,可以消除这些高电磁干扰(EMI)环境线路上感应的任何电噪声,从而保证信号精度(图2)。

图2:一些PLC产品提供差分I/O,其成本略高于标准单模I/O,但由于其消除了常见工业设备在I/O信号上产生的电噪声,提高了可靠性。

  只有在根据最佳实践实施时,可靠产品才能提供强大的自动化系统。即使对于通用自动化,设计人员也应遵循国家电气法规以及ANSI和ISA等标准,以确保满足最低要求。
  应用于特定区域的单独设计实践,可能无法提供最佳的整体可靠性。法规、标准和规范,通常只提出了最低的要求,以满足基本的安全和性能需求。设计人员必须在微观和宏观两个层面处理弹性问题。
  可靠性、冗余和弹性
  弹性系统是由可靠的产品来设计和构建的,在某些情况下需要使用冗余配置。试图利用可靠性低的部件来创建一个有弹性的系统是没有意义的。即使设备提供了必要的可靠性,也需要可以提高系统弹性的设计、冗余和安装的实践。
  冗余是复制系统部件以提高可靠性,它是一个关键策略,在EIC系统的每个部分都或多或少有所应用。然而,冗余会增加成本、设备和实施工作,而且对于较小的系统来说可能并不实用。
  对于最关键的系统,电源可以由初级和次级电路供电,在其中一个电路故障时,可以自动或手动切换。双回路还提高了人员维修电源的能力。
  很多自动化系统,在控制面板等关键位置配置了不间断电源(UPS)。如果上游电源出现故障,UPS可以为下游设备提供交流或直流电源。此外,在一定程度上,UPS可为下游设备提供电能质量保证,并在出现问题时向控制系统发出报警信号,以便用户做出响应。交流电涌保护,特别是对电源和仪器仪表导体的保护,使昂贵的电子设备免受公用电源浪涌或雷电事件的影响。
  设备、电缆和连接器必须安装在外壳和管道中,以提供机械保护、抗振性,甚至在某些情况下提供EMI和射频(RF)屏蔽。对于低压数字通信、信号线和电缆来说,EMI和RF是个大问题,因此在设计和安装这些电路,必须与产生噪声的电源电路保持一定的距离。玻璃纤维外壳可以保护设备免受这些影响,但如果铁钢外壳接地,则可为这些设备提供额外的EMI/RF保护。
  在关键的测量位置,可以安装两台仪器以实现冗余。有时仪器是相同的,但最好采用不同的技术。例如,一个重要的储罐液位,初级测量可以采用超声波变送器,次级测量则可采用浸入式变送器,并通过高低浮子开关提供额外的保护。
  由于冗余所导致的费用和复杂性,很多中小型系统无法采用冗余的PLC。相反,将重点放在工业网络上可能会更有成效,因为这些网络更容易发生故障,它们往往延伸到受保护的控制柜之外,甚至更远,并且通常在具有挑战性的工厂环境中。
  使用正确的设备,可以在自愈环形配置中设计网络。环网由串联的设备或设施组成,它可以承受单点故障,并在出现问题时通知运行人员。这样就可以在发生二次故障之前解决问题,避免因故障可能导致的整个网络瘫痪。
  虽然无线网络可能不被认为比有线解决方案更可靠,但Wi-Fi作为备用网络连接时可以提高可靠性,使拥有移动设备的用户能够访问设备,而无需打开控制面板或进行物理连接。
  提升工业自动化弹性的正确解决方案对于每个应用都是不同的,但选择产品的策略和设计方法是相同的。今天的设计人员在为每个项目创造正确的平衡时,有大量的设备和技术可以选择。
  随着设备和系统的规模、复杂性和关键性的增加,制造企业有更多的机会投资于更先进的电气、仪表和控制产品和设计实践,以提供更高水平的系统弹性。在这些层面上的冗余是实现改善弹性的主要方式。特别是,近年来,提供冗余网络和人机界面的技术已经得到改善,可以以较低的成本提供更好的弹性。(作者:BillDehner)