2007年1月
二零零七年一月三十日
本周科技小贴士:
向杰克·斯普拉特学习。
一首传统英国民间诗歌的第一节是这样的:
杰克·斯普拉特不能吃脂肪
他的妻子不能吃瘦肉
所以在他们两个之间
他们把盘子舔得干干净净
今天，我们知道斯普拉特夫人的动脉一定很像去年秋天树根扎进我家的下水管道。当管道工把管道镜塞进去时，他发现了一个牌子，上面写着:“禁止流动!””
然而，斯普拉特的生活方式要健康得多。聪明的生产经理已经学会尽可能地模仿它。目前的管理咨询术语是“精益制造”。
控制工程和自动化设备制造商ABB发布了一份白皮书，解释了精益制造的概念，以及控制工程师如何使用这些概念来改进他们开发的自动化制造系统。
根据这份白皮书，题为精益电气控制的十个步骤J. E. Boyer公司总裁John E. Boyer说，精益生产的主要目标是“在你的公司里消除浪费，创造财富”。
这无疑是一句动听的辞藻，但浪费并不是灵丹妙药就能消除的，财富也不是应用一个简单的公式就能创造出来的。只有经过一段时间的努力工作和持续应用已被证明的实践才能产生积极的结果。这种务实的方法使许多公司受益于精益生产。
Boyer的论文分享了使用电气控制的制造商可以部署的10个具体精益制造策略，以帮助减少整个供应链中的浪费。如果应用得当且完整，结果可以降低总体成本、提高吞吐量、提高质量，并为供应商、客户和客户的客户提供更好的服务。
浪费是任何不能为公司的产品或服务增加价值的活动。这些非增值活动不会增加产品的形式、适合度或功能，如果有选择的话，客户也不会愿意为之付费。另一方面，增值活动是增加形式、适合或功能的活动，是客户愿意为之付费的活动。
如果将与所有增值操作(制造、加工、装配)相关的时间加起来，并与非增值操作(移动、库存、交易、测试、等待等)的时间进行比较，那么非价值与价值的比例可能会非常大——500:1或更多。一个只完成了10分钟工作的电子元件可能会“在流程中”工作10天!精益生产的一个目标是通过减少非增值活动来降低这一比例。
为了帮助理解有价值和无价值之间的区别，请考虑以下内容属于哪一类:
启动/停止马达。
在盒子上标注客户的零件号。
浪涌保护电路。
将组件移动到库存位置。
剥去电线上的绝缘。
在面板上连接电气元件。
发货前对机器进行测试。
检测机器部件的接近程度。
从最终客户的角度来看，一些不增加价值的操作。例如，如果一根电线可以在不被剥离的情况下被终止，它可以节省大量的时间，并且仍然使机器正常运行。更好的是，如果有一个预先布线的电缆系统可用来固定到位，就不需要切割，标记和捆扎单个电线。最后，如何重新设计以减少所需的布线，并仍然执行所需的电气功能?
高性能电气控制供应商使用精益制造来减少供应链中不必要的运动、生产过剩、缺陷、库存、运输、等待、检验/测试、过度加工和其他非增值活动，以降低总成本并提高吞吐量。
8页的白皮书精益电气控制的十个步骤由John E. Boyer所著，可通过访问www.lean-electrical-control.com/5并以PDF格式下载免费获得。
更多信息，请访问控制工程网站www.globalelove.com然后在任何页面的搜索框中输入“精益制造”。
来源:精益电气控制的十个步骤，作者:John E. Boyer
www.rhymes.org.uk jack_sprat.htm
www.simonsays.com
www.abb.com
2007年1月23日
本周科技小贴士:
对冲你的车辆导航赌注。
如果在ProMat 2007展会地板上走了一圈让我学到什么的话，那就是仓库自动化的大趋势是自动导引车(agv)。这些小狗(虽然“小”可能不是适当地许多agv(随着设备智能的增长，“小狗”变得更加合适)几乎出现在我访问的每个展位上。
除了赋予AGV足够的肌肉来承载所需的载荷之外，AGV设计者还必须解决两个问题。首先，他们必须能够导航从A点，他们接受负载的地方，到B点，他们放下负载的地方。其次，他们必须在旅途中不碰到或超过任何重要的东西，比如员工、墙壁、成堆的产品或其他agv。
一般来说，AGV设计师似乎会分别处理这些问题。也就是说，他们设计了一个导航系统。避开主管的脚趾是一个单独的问题，通常由一个单独的避碰系统来处理，比如在Egemin Automation展台上展示的安装在agv四周的超声波接近传感器。我可以写一本关于这两种系统的书，但我想简要解释一下多种导航技术的结合如何使AGV导航系统更加健壮。
常用的AGV导航技术有三种:
导线制导系统是最老的，从20世纪40年代开始服役。通常，安装人员会在地板上附加一些物理引导，例如磁带。AGV携带一个传感器，可以找到导向结构并跟踪它。
激光制导系统有一个红外激光器安装在AGV顶部的炮塔上，该炮塔围绕其垂直轴旋转，并在AGV漫游的空间中战略性地定位目标。当激光束从每个目标反射时，光电探测器接收到返回炮塔的回波。系统看到目标的时间与该目标的视线方向相关。计算机对多个目标的瞄准线进行三角测量，计算AGV在水平面上的位置和方向。
惯性制导系统利用移动的距离是加速度的第二个积分这一事实。系统设计人员使用安装在AGV任何位置的加速度计来监测水平面上的线性和旋转加速度。机载计算机通过数值计算二重积分来确定AGV的当前位置和方向。该系统在户外应用中特别有用，就像Allan Quimby在Transbotics展台上描述的那样，激光和导线引导系统难以维护。
当然，问题是这些系统中的任何一个都可能丢失。如果导线系统与导线器失去联系，它就没有办法再找到导线器。激光制导只有在激光至少能看到部分目标时才能起作用。惯性系统只有在不可避免的测量不确定性和数值积分误差积累到超出可容忍的水平时才能工作。
一些AGV制造商开始在每台AGV上部署一种以上的制导方法。这种策略允许AGV交叉检查它的位置，捕捉，并在大多数情况下纠正，制导错误成为问题之前。
例如，有激光制导系统的线制导AGV可以在迷路时找到最近的导航点。激光制导的AGV在堆叠比炮塔高的箱子之间沿着岛屿快速移动是没有问题的。
随着时间的推移，预计会看到更多的AGV制导装置，都有一些失效机制。部署多个引导系统将保持自动化仓库设施的平稳运行。
另请阅读“传感器:就位”。
有关自动化仓库技术的其他信息，请访问控制工程网站www.globalelove.com然后在任何页面的搜索框中输入“自动引导车辆”。
C.G.马西,控制工程资深编辑,charlie.masi@reedbusiness.com
www.jerviswebb.com
www.egeminusa.com
www.transbotics.com
二零零七年一月十六日
本周科技小贴士:
脚踏实地。
| 即使差分测量也有接地参考。来源:控制工程 |
| 浮动差分测量电路包括一个虚拟的高阻抗接地路径。来源:控制工程 |
每一个控制系统都是从测量需要控制的东西开始的。而且，无论你是在测量温度，压力，位置，速度还是其他任何东西，大多数自动化控制系统都使用系统试图控制的过程参数的电压水平模拟。这意味着你通常要测量电压。
电压测量总是相对于一个参考点进行，这个参考点通常被称为“地”。”Even differential measurements, which ostensibly measure the voltage difference between two points, actually use an analog-computer circuit that computes the difference between voltage readings at those two points, each measured with respect to ground as Figure 1 shows. Even when doing floating (non-referenced) differential measurements, there is always a virtual high-impedance path to ground as shown in Figure 2.
因此，无论何时进行任何电压测量，记住接地基准的位置是至关重要的。
例如，假设系统使用图3中电路中的快速热电偶对温度进行闭环控制。一切看起来都很好，但温度似乎从来没有稳定过。设定值好像一直在跳来跳去!
实际情况是，信号引线充当了一个大天线，接收环境中的电磁干扰，电磁干扰在虚拟的高阻抗路径上以毫伏级噪声的形式出现。参考结对高频噪声进行校正，使其看起来更热。每当电磁干扰电平发生变化时，参考结温度就会发生变化，从而扰乱控制回路。
消除电磁干扰的所有方法，以及许多其他测量问题，从建立一个坚实的接地点开始，并在整个电路中维护它。为了避免这类问题，首先要知道自己的立场。
| 屏蔽不良的测量信号通路容易受到电磁干扰。来源:控制工程 |
规划一个地面系统既是一门艺术也是一门科学，最好的方法取决于应用。例如，我曾在一家以开发直流高压设备为主的公司担任测试工程师。它们的控制信号的带宽总是在极低频(ELF)范围内，从直流到几千赫兹。一天，电子部门的负责人拿出了一个科克罗夫特-沃尔顿(Cockcroft-Walton, CW)电压倍增器电源的振荡器原型，但他们无法使用。他们非常沮丧，他们愿意向任何人求助，甚至包括我们测试工程师。
接地系统非常适合ELF频率:又粗又重的绿色电线将每个组件连接到一个星形图案的公共接地点。问题是连续波工作频率是几兆赫兹(在低射频范围内)。作为一个老射频家伙，我意识到那些电线都是射频扼流圈。虽然它们在极低频下看起来像短路，但它们非常有效地阻挡了振荡器的工作频率。哪里都没有射频地线!
在这个频率范围内，他们需要的是一个法拉第笼，每个接地都用尽可能短的引线绑在金属底盘上。一旦他们把底盘重新布线，就像它是一个业余无线电发射器一样，原型振荡器工作得很好。
一般来说，基本的经验法则是:
采用与信号带宽相适应的策略;
将信号路径视为传输线;
所有传输线均采用双绞线;
将每条传输线用屏蔽罩围住;
每个屏蔽只在一端接地;
单端测量设备接地在检测器/信号调理端，而不是在传感器端。
这些经验法则适用于大约100兆赫以内的每个频率范围。对于更高的带宽，您必须开始规划传输线中的驻波，这超出了本文的范围。
有关的更多信息，请访问控制工程网站www.globalelove.com在任何页面的搜索框中输入“接地和屏蔽”。
你有什么好主意要和其他工程师分享吗?将您的控制系统提示发送至controleng@reedbusiness.com在邮件主题栏和问题栏写上“小贴士”，在邮件正文中写上完整的联系方式。如果我们使用它，我们会给你派一个工程师，并以此为荣!口袋保护器。
二零零七年一月九日
本周科技小贴士:
使用变速驱动器以节省能源。
在控制应用程序中指定变速驱动器的唯一原因是因为您希望控制系统改变电机的速度，对吗?
错了!
控制元件供应商ABB的Akseli Savolainen表示，变速驱动也是一项绿色技术。也就是说，用户可以通过使用变速驱动器来匹配电机输出以满足工艺要求，从而节省能源成本并减少温室气体排放。
萨沃莱宁说:“效率低下的恒速和机械控制机制浪费了大量能源，世界上每个工业化国家都可以通过使用交流驱动和高效电机使几个发电站变得多余。”
控制电机转速，使工艺要求与机器产量相匹配。抽水系统的控制就是一个很好的例子。而不是控制流量的正常方式通过节流阀，变速驱动器可以更有效。假设流量为最大流量的一半，通过降低电机转速来降低速度，可以将能耗降低8倍。节流阀通过引入阻抗来减少流量，实际上增加了电机的负载，增加了能源使用。
泵的运行提供了另一种使用变速驱动器节约能源的方法。维持储罐液位的传统方法是当液位达到低设定点时打开泵，当达到高设定点时关闭泵。与变速驱动器，可以控制泵的输出，以非常接近匹配流量要求。由于启动电流可以高达满载值的7到8倍，因此与占空比控制相比，随着要求的变化慢慢改变电机的速度可以节省相当大的能量。
有关如何使用变速驱动器节省能源的更多信息，请联系ABB的Mark Kenyon。mark.kenyon@us.abb.com或者访问公司的网站us.abb.com。
有关有效运行控制系统的更多信息，请访问控制工程网站www.globalelove.com然后在任何页面的搜索框中输入“节能”。
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二零零七年一月二日
本周科技小贴士:
电噪声影响。
当控制系统受到异常高的电气噪声时，它的可靠性可能会降低，但适当的电源和接地可以将影响降到最低。
系统的各个组件可能受到不同程度的影响。在系统故障处理过程中，有以下观察:
正确安装，标准，非通信(称为传统或经典)I/O产品，仅使用4-20 mA模拟信号，通常不受电气噪声的影响，高频噪声除外。
交流驱动器、绝缘栅双极晶体管(IGBT)功率开关器件和其他来源产生的高频电磁噪声可以影响所有控制产品，而不会影响特定供应商。
总线通信系统中使用的数字数据信号容易受到电气噪声的影响。
这些影响可以通过以下方式最小化:
使用隔离的交流电源
单点接地
尽量减少杂散磁场对信号布线的不当影响
选择合适的电缆和路径，包括适当的电缆间距。
资料来源:《控制工程:控制系统电源和接地更好的实践》，作者:David Brown、David Harrold和Roger Hope;爱思唯尔公司，2004。
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