为弹性而构建的自动化

数字系统在工作时很棒，这是大多数时间。然而，许多人经历了在数字控制停止运行时重新启动或修复移动设备，PC或更重要的事情。有时这些问题是一个轻微的滋扰或导致生产力损失最小，但对于关键系统，此类失败具有更大的后果。

工业自动化系统是为了大量生产产品、减少浪费、保护设备和保证工人的安全而建立的，而且必须以最小的注意力长时间地这样做。弹性的一个定义是适应变化或逆境的能力。大多数人都同意自动化系统的弹性是可取的，但如何才能最好地实现这一点，并付出什么样的代价?

由于自动化系统由独特但又相互关联的传感器、布线、配电、控制器、网络、软件等组成，因此任何应用程序的最佳弹性解决方案都涉及许多考虑和权衡。

了解实际的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正确的平衡。

产品，实践有助于电气，仪器，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：

• 挑选能够在目标环境中生存的产品，目标环境可能会经历极端的温度、湿度、污染物、电气噪声和其他危害。
• 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）。
• 选择具有属性或设计功能的设备，使其能够在有问题的条件下Excel。

自动化设计的可靠性裕度

设计人员经常确定设备会遇到的最坏的操作环境。然而，选择经过供应商测试的设备，可以在预期的极端操作条件下生存下来，从而提供额外的可靠性(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）。

可靠的产品只能在使用良好做法实施时提供强大的自动化系统。即使对于一般自动化，设计人员也应按照国家电气代码（NEC）等代码以及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

弹性系统的设计和构建使用可靠的产品，在某些情况下通过应用冗余配置。试图用不可靠的部件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，也有设计、冗余和安装实践可以提高系统的弹性。

冗余，即系统元素的重复，以增加可靠性，可以是一个关键策略，在不同程度上实现EIC系统的每个部分。然而，冗余增加了成本、设备和实现工作，对于较小的系统可能不实用。

电气冗余

对于最关键的系统，可以通过主电路和辅电路提供电源，在一个电路故障发生故障时，有或没有自动切换。双电路还提高人员为维修供电的能力。

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。

设备冗余

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，一些平台还提供处理器冗余。对于许多中小型系统，冗余plc的成本和复杂性是不合理的。

相反，它可以更加高效地专注于工业网络，因为它们更容易失败，因为它们在保护控制柜之外延伸，有时用于延长距离，通常在挑战性的植物环境中。使用合适的设备，可以在自修复环形配置中设计网络。戒指安装在通过设备或设施的路径中，可以承受单点故障并通知操作员如果存在问题。这允许在发生第二个故障之前解决问题，这可能使整个网络无法运行。

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。

功能冗余

位于现场或控制室的人机界面通常可以通过两个或更多的单元并行运行来实现某种形式的冗余。最新一代的人机界面使一种更吸引人的方法成为可能，即安装一个或两个硬件人机界面作为自动化系统的一部分，然后使用远程访问方法和移动设备访问这些硬件。

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

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，以提供整体系统弹性。

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通过编程方法确定。必须配置用户界面，特别是HMI，以便操作员轻松直观地使用，提供清晰的指示和警报，因此它们可以及时响应快速和正确的问题。一些弹性PLC编程实践简单，例如保存操作设定值，以便在机器经历电源循环时保留它们。其他概念更详细，例如开发逻辑以识别操作问题，然后自动适应这些问题或通知用户。

工业自动化弹性谱

工业自动化弹性的正确解决方案对于每个应用程序都是不同的，但是选择产品的策略和设计方法是相同的。今天的设计师有各种各样的设备和技术可供选择，因为他们可以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A是技术营销工程师吗utomationDirect。由Mark T. Hoske，Content Manager编辑，控制工程那CFE Media and Technology, mhoske@cfemedia.com。

关键词：自动弹性，电气弹性，冗余设计

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