可持续、高性价比设计的10个原则:打造更安全、更高效的机器

许多行业的制造商都越来越重视支持可持续发展倡议和推动经济繁荣的机器设计。提高安全性、减少浪费、消耗更少的能源并实现最大投资回报的机器对于任何可持续生产计划的成功都至关重要。建造这样一台机器需要全面分析操作效率、安全性、功能、生产率、材料使用、操作和维护的便利性。遵循这10个最佳实践设计原则，机器制造商可以提供具有成本效益，可持续发展的机器。

许多行业的制造商都越来越重视支持可持续发展倡议和推动经济繁荣的机器设计。提高安全性、减少浪费、消耗更少的能源并实现最大投资回报的机器对于任何可持续生产计划的成功都至关重要。建造这样一台机器需要全面分析操作效率、安全性、功能、生产率、材料使用、操作和维护的便利性。

遵循以下10个最佳实践设计原则，机器制造商可以提供具有成本效益的、可持续的机器:

1)去除不必要的机械驱动部件

简化的机器设计，使用更少的部件，运行效率更高，建造成本更低。老式的机械动力传动和执行机构技术，如链条、齿轮齿条和蜗杆传动，经常阻碍更高效的设计。这些老式设备使用的部件会随着时间的推移而磨损，需要频繁的维护，包括润滑和张紧。

机械制造商越来越依赖复杂的性能和仿真软件来帮助消除许多不必要的部件，包括线轴，以及昂贵的气动和液压。通过这些机电工具，工程师可以分析能源使用情况，构建虚拟原型，并选择最佳的机械设计，以最大限度地提高机器性能。这种方法降低了能源消耗和维护成本，提高了正常运行时间和可靠性，共同降低了机器在其使用寿命内的总拥有成本。

机械制造商也使用直接驱动运动技术来提高机械效率。这项技术的使用创造了更可靠，节能和精确的机器，维护成本更低。对于罗克韦尔自动化的一位客户来说，用直接驱动伺服电机取代电机蜗杆变速箱有助于将机械效率从29%提高到98%。直接驱动技术提高了效率，也使设计人员可以使用更小的伺服驱动器，从而减少能源消耗。

2)尽量减少基本机械部件的质量

在排除了所有非必要的机械部件后，下一步是将所有剩余的必要部件的质量最小化。更广泛的分析、建模和开发工具的可用性使这项任务变得更容易，包括使用先进的应力和应变分析技术测试机器的机械性能包膜的能力。这使得设计师能够评估更轻、更节能的潜在替代材料(除了钢)。

这些设计技术，由航空航天工业推广，最大限度地减少结构部件的重量，而不影响强度。与此同时，对于形状更复杂的结构元件，机械制造商可以使用三维计算机辅助设计和有限元分析工具，并采用更先进的制造设备来塑造和磨铣结构元件的轮廓。这种方法产生了更优化的机械设计，因为结构部件代表了可以消除浪费的关键节点。此外，它直接减少了移动结构质量所需的力，从而能够使用更小的电机和消耗更少能量的驱动器。

3)用电动驱动代替流体动力

在任何可能的情况下，机器制造商应该设计机器使用电气驱动，而不是液压和气动系统。尽管液压和气动解决方案的初始购买价格可能略低，但它们通常与较高的“隐性”成本相关，例如昂贵的液压液回收费用和能源成本。特别是气动系统也会大大提高工厂的噪音水平，增加听力危害，降低员工的舒适度。任何部署电动驱动的机会也将帮助最终用户避免与气动空气泄漏相关的重大能源损失。随着终端用户在制造过程中越来越多地寻求能源效率，新型高性能电动气缸提供了理想的替代方案。

电动气缸将高速、高精度、可重复性和可靠性结合在一起——最近的电动气缸技术进步提高了通用性。此外，他们的模块化设计使他们适合广泛的机器。电动气缸的控制范围从简单的分度器到更复杂的可编程多轴运动控制器，为设计师提供了更多的选择，使他们能够更好地权衡每种解决方案的成本和效益。

4)在机械设计之后，控制系统设计之前进行安全审核

在控制系统设计之前进行安全审计，有助于工程师制定有效的安全解决方案，并在开发过程的早期评估和调查风险。这节省了关键时间，并帮助机器制造商更快地将设备推向市场。此外，由于自动化系统有助于以最有效的方式操作机器和流程，机器的最终用户获得了优化的生产。安全审计确定所需的安全控制系统完整性水平，并有助于指导总体控制体系结构的选择，以实现最佳的安全水平。

5)保护或控制进入活动部件

如果无法通过设计消除危险，机器制造商通常会安装一个固定的物理屏障来保护用户免受危险。当需要经常进入危险区域时，使用非固定的防护，如可拆卸的、摆动的或滑动的门。在非固定防护不切实际的地区，可以使用监控操作员的存在而不是大门状态的防护解决方案。

虽然继电器和其他设备被证明是有效的，但许多安全应用需要一定程度的编程或更复杂的安全逻辑，而这最好通过安全控制器来实现。安全控制器在多步关闭或斜坡下降序列中提供了显著的好处，例如传输线路应用，因为它们通过软件提供必要的逻辑，而不是通过继电器的硬连接逻辑。集成安全控制器是任何需要高级功能的应用程序的理想解决方案，例如区域控制。

通过合理设计的安全控制和防护，设计师减少了访问时间，有助于使机器更安全、更高效。

6)采用一体化安全系统，降低控制系统复杂性

设计师越多地整合系统的标准和安全控制功能，就越有机会减少设备冗余，提高生产力和经济因素。这种集成的控制功能减少了工厂车间使用的独特组件的数量，从而降低了婴儿床库存成本，以及维护团队的培训要求。终端用户还受益于在整个机器生命周期中需要维护和更换的零件更少，浪费更少。

此外，集成控制系统对机器运行和状态具有更广泛的智能，减少了恼人的停机和长时间的重启，进一步提高了机器的效率和生产力。

新的安全速度控制解决方案为有效的控制集成提供了一个很好的例子。通过安全速度控制，安全输入设备，如警卫锁定开关、光幕和紧急停止，直接连接到控制解决方案的速度监控核心。这样就不需要单独的、专用的安全控制器。安全速度控制解决方案提供跨多个平台的使用，有助于降低整体系统成本并提高灵活性，因为它们允许操作员在机器运行时执行维护和其他任务。安全速度控制还有助于增加正常运行时间和降低能源成本，因为机器不需要完全关闭，然后重新启动。

网络提供了另一种集成安全和标准控制的方法。将网络引入工厂给制造商带来了许多好处，包括提高了生产率，减少了布线和安装，改善了诊断，更容易获取工厂数据。使用现有网络来包含安全信息，可以扩展这些好处，允许在一个标准网络上通过一套硬件和线路实现整个自动化过程的无缝通信。

7)将控制和接口设备分布在使用点附近

虽然传统上一些控制组件位于机器上，但技术的进步使整个控制系统更接近应用点成为可能。标准自动化组件——包括控制器、电机启动器、驱动器、传感器、接触器、网络媒体、配电盒、I/O和HMI设备——现在都是为机上应用而设计的。

通过机器上的设计方法，机器制造商减少了设计和安装时间，以及组装系统所需的相关人工成本。这种方法还有助于减少许多常见的机器安装错误，因为需要运行的电线和需要手动组装的连接更少。事实上，一些机器制造商发现他们的机器拆卸和重新安装时间减少了50%以上。

对于终端用户来说，机器上控制的紧凑特性可显著节省厂房空间，有助于减少开销，并节约能源和资源。

8)开发模块化代码

根据复杂程度的不同，单是编程就可以消耗控制系统设计预算的80%。为了保持竞争力，许多机器制造商采用标准化工具和模块化编程概念，旨在加快开发和安装，并提高工程投资的重用。

应用程序开发的集成、模块化设计方法基于标准化编程方法和模型(如ISA-88)生成和重用代码模块。在整个过程中使用相同的规格文件有助于显著减少工程时间，提高机器设计的质量和一致性。

此外，拥有相同的程序结构(从概念到编码)有助于简化维护和故障排除。信息是一致的，并且完全符合工程师的期望。故障排除过程的简化直接关系到更长的正常运行时间和成本节约。此外，当程序具有相同的外观和感觉时，客户培训就会更快更容易，使解决问题更加直观。

9)更好地利用诊断方法

通过将智能收集设备嵌入到机器中而无需重新设计或重新加工，机器制造商为客户提供了能够预测和预防故障的自我诊断设备，从而提高了生产力并降低了维修成本。此外，该技术将机器状态信息传回机器制造商，以提供增值监测和分析服务，而不会损害现有资源或阻碍盈利能力。

从终端用户的角度来看，将维护功能移交给机器制造商具有良好的商业意义——它提高了机器性能，最大限度地提高了资本投资，并允许更经济有效地使用内部资源。采用以太网/IP连接设计的机器允许远程故障排除，从而为最终用户提供更好的诊断优势。从遥远的位置远程监控设备的能力有助于减少燃料的使用和相关的排放，以及相关的旅行时间和维修人员的成本，否则他们将前往机器的位置。

10)设计机器的IT连接

构建能够连接到最终用户IT基础设施的信息机器，为他们提供关键的运营洞察，包括能源效率和总体设备效率(OEE)计算。这种洞察力，反过来帮助工厂经理减少浪费和优化生产力。机器的IT连接还有助于最大限度地利用机器的跟踪和跟踪功能。使用先进的信息软件，制造商跟踪并记录流程的每一步的相关数据，以确定资源的使用时间和地点。

这种可见性为最终用户提供了大量减少废物和其他改进计划的数据。此外，这些系统还有助于通过完整的监管链自动化产品谱系的跟踪和跟踪程序。这样做，这些系统帮助公司遵守法规，记录所需的数据，在产品进入市场之前识别潜在的产品质量问题，并在必要时更快更有效地响应召回。

由于技术和最佳实践的进步，机器制造商可以在帮助企业实施可持续生产实践方面发挥重要作用。通过遵循上述核心设计原则，并利用当今最先进的技术，机器制造商可以创造更安全、更经济、更可靠的设备。

Steve Ludwig是罗克韦尔自动化公司的项目经理;John Pritchard是罗克韦尔自动化公司的产品经理。

www.safetyautomationforum.com

www.ab.com/safety

本文提供给控制工程获取10月13日罗克韦尔自动化安全定制电子通讯。