建立可靠的自动化系统

发布时间：2009-05-19 作者：Gary Mintchell

　　在制造业中谈到可靠性运行，多半会联想到“马达”。这是当然，因为汽车和其他旋转设备都是运转起来才能工作的，也就是说没有马达就无法工作。因而，供应商对于重负荷机械进行了大量的技术投入以保证其可靠性的做法就不足为奇了。与此同时，自动化系统其他部分的设计要求也将可靠性提到了前所未有的高度上。由于工程师们对与减少故障时间的追求越来越狂热，从而带动了自动化向软件密集型的发展。从传感器到软件，工程师们正利用他们的聪明才智和高超技术为创造可靠的自动化系统而竭尽全力。
　　有可能避免紧急停机，并能为企业节省$300,000吗？一个造纸厂投资传动设备监控技术，其结果尽可能的避免了紧急停机，并确保了$180,000的产品损失和更换零部件的费用；而且还节省了$120,000的纸机织物配件（PMC）（Fourdranier网——用于长网造纸机中的一种铁丝网，它可以用来制造网状纸）的费用。打字纸和复印纸是由非常庞大、复杂的机器制造出来的，其包括干燥设备、虹吸管、马达、通风设备和宽幅的滚筒、卷筒和传动转置。这些机器设备每分钟可以生产3,200英尺的纸张，始终运行在闷热、潮湿、布满灰尘的环境中其工作条件异常恶劣。
　　它们每六周都需要停机检修一次，以保证磨损部件的及时更换，关键部件的及时清洗。机器一旦因为意外机械故障而停机，将会带来每小时$15,000的损失。造纸厂优秀的机器振动分析师谈到：“任何一个不定期的故障停机都将耗费至少12小时的时间。而且这仅仅指的是停机检修带来的损失，并不包括正常生产计划被打乱，需要重新分配生产日志、抢修人员、更换零件等给企业带来的损失。”不断检查照顾机器是一项长时间、持续的工作。利用CSI2130机械状态分析仪进行振动监测，并使用AMS Suite机械健康软件进行分析，以保证造纸机能按照月度生产计划正常运行，但是，有时候仍然会出偏差，因此，公司就增加了CSI4500机械健康监测仪，以保证对机器的持续监测。艾默生团队在设备调试前，会先测试网络连接。通过CSI2130便携式分析仪的专家振动故障分析发现在长网造纸机的胸辊上存在内轴承套故障。及时发现问题的效果是显而易见的，原本的辊在生产计划内将不能满额正常工作，通常坚持不到检修就会引发紧急停机。相反，修理后，机器可以在生产计划内正常运转，而不会造成生产时间的损失。艾默生系统可以为企业节省$180,000的生产成本，以及$120,000的机器配件替换费用。因此，这个工厂现在已经选用了46台CSI4500机器监测仪用于跟踪每台造纸机中转速从160rpm到2000rpm的几百个辊上的600个传感器。实时的监测才能保障机器的最佳运行性能。增加先进的传感器和分析工具对数据进行收集和分析，可以增加竞争优势，而且此方案不仅仅适用于刚刚讨论的造纸厂中，同样适用于在过程自动化的众多厂商。美国国家仪器公司（NI）的声音和振动部门经理Preston ohnson 提到：“在这个充满竞争的环境里，甚至与连汽车公司都已经开始关注可靠性、预测维修和状态监测，以提高自身的竞争优势。”Johnson讲述了一个关于在密歇根州为汽业修理机器人的NI系统集成商的故事。其从客户那里收集大量的数据建立了数据库，以此减少了客户的维修时间，从而大大提高了竞争力。集成商就是在机器人上放入NI传感器以此加强对于维修点的监测，提高数据采集量。其实，许多机器人和传送带都需要在很多难以触及的地方进行局部监测，加入传感器后的远程数据采集要比人工监测可靠的多了。
　　最佳传感器Wonderware公司的产品销售总监Steve Garbrecht坚持认为工厂中好的传感器是不用连接控制设备或数据库的传感器。他说：“在一家工厂中，可能有20到40位监测人员通过人机界面（HMI）终端将监测信息接入系统以实现信息共享；同时，也可能有600位监测人员，虽然也实时监测系统，但在工作中根本不会接触到计算机，也就无法将监测信息及时的接入系统中。”为了获取工厂中的这部分资源，可以用手持电脑将信息无线接入Wonderware公司的HMI系统中。Garbrecht说：“Intellitrack将从搁浅资产（指没有仪表监测或不与系统连接的部分）中获取信息加入到系统中，大大提高了系统的可靠性。如果这部分信息获取失败，将大大降低整条生产线的可靠性。如果监控人员看一个泵泄露，则可直接用手持设备将报警信息直接送达系统监控中心，以便及时检修。”
　　水泥设备都是相当昂贵的制造设备，同时，又都必须运行在恶劣的尘埃环境中。Bob Wright在Ash Grove
　　水泥公司（位于堪萨斯州的Chanute，是历史悠久的九大主要水泥制造企业之一）监管设备的电气运行，其企业年生产能力接近900万吨。Ash Grove与其他的水泥企业一样，面临着激烈的竞争、不断变化的需求以及希望不断提高有效生产率的压力。为了最大限度的提高产量，Chanute水泥厂不分昼夜的工作，同时开动将近1000台马达可达4.5万马力的电机，以保证每分钟能生产5吨水泥。Wright说：“我们工厂生产运行的正常与否都取决于我们的马达。而马达的保护、生产计划的制定、运行效率的保证都依靠的是设备的可靠性以及日常的及时维护。”为了解决电机控制系统的可靠性低和不及时的问题，Ash Grove进行了一次不同寻常的投资，投资给企业带来了巨大的收益，解决了原有的问题并大大提高了效率。Ash Grove使用先进的技术，利用低压变频技术来控制2300马力的中压交流电机。Ash Grove不仅仅更新了驱动技术，而且引入了现代化的手段来保证投入资本的收益。技术的更新为企业节省了$250,000，并保证设备的正常运行时间维持在90﹪。Wright说：“不久以前，企业对设备还仅仅抱着“使劲用，直到用坏”的思想。而现在，我们已经有了对设备保护的能力和办法，使它们能达到我们希望的运行状态。”水泥生产中为了制造熟料，Ash Grove公司将采石场开采出来的石灰石就地与其他的配料混合，放入150英尺高的旋转窑中加热到华氏2000度。热气腾腾的熟料其形状及其不规则，从弹球大小的到直径3英尺的都有，这些熟料会先经过一个冷却过程，然后将其用钢球研磨成粉状水泥。
　　测定点位的困惑Ash Grove的工人每个月为这三个球磨机检修的时候，都会遇到不小的困难。过去技术人员为球磨机检修时，通常会使用老式的60马力发电机，一寸一寸的逐步带动磨机旋转，直到达到精确的位置。这个手动调试的过程被称为“spotting（测定点位）”。因为没有一种有效的技术方法，可以对电力系统供电的中压电机进行准确的转矩控制，以实现缓慢旋转磨机的目的，所以，测定点位变得越来越困难。Wright说：“正是由于这个技术缺陷的存在，因此，笨重的磨机在测定点位、确定齿槽或突然启动和停止时，都可能会造成机械或电气设备的损坏。”最大限度的减少停机时间，同时最大限度的提高产量，是一直困扰企业的最大难题。Wright解释说：“为了例行检修或者解决设备故障而停机，则每停机一小时就相当于少生产300吨水泥。”受够了问题频出和高昂的维修费用，Wright选择了罗克韦尔自动化公司来帮其解决问题。Wright说：“通常我们的这种情况都会建议选择一个新型的测定点位控制器和齿轮马达或中压驱动器。但是罗克韦尔的自动化工程师则建议使用交流传动，不仅优于其他的解决方案，而且成本更低。”Ash Grove选用总部位于密尔沃基的罗克韦尔自动化公司提供的480V、450马力、交流变频传动系统测定点位的方案代替原有的发电机测定点位方案。AB的交流传动系统可以有效的控制现有三个球磨机上使用的4000V、2300马力交流电机的点位测定以及平稳的启动和停机。Wright说：“我拥有超过30年的水泥行业的从业经验，而且，我也自认为是个DC的忠实支持者。我以前从来不相信交流技术可以实现零速满转矩，直到亲眼看到罗克韦尔自动化为实现高扭矩输出而开发的这个交流电机控制解决方案。”Wright说：“在罗克韦尔自动化公司的工程师的帮助下，此传动系统从安装到调试正常仅仅花费了一个小时的时间。这种快速、无缝式设计，为企业大大节省了系统整合以及设备运行调试的时间。氢气发电位于弗吉尼亚州亚历山大的H2Gen创新公司，是设计和制造现场用小规模制氢设备（HGM）的企业。H2Gen公司设计和制造的HGM设备，是利用甲烷蒸汽重整技术，由天然气和水生成纯氢的小型化学反应设备。H2Gen公司的真正革新并不是纯氢生产技术，而是制氢装置的大小和自动化程度。该公司的管理团队相信，HGM以其开创性的设计理念和西门子控制技术的可靠保障，必将打破困扰汽车燃料电池市场多年的“先有鸡还是先有蛋”的困境。开发商一向都不愿为燃料电池的生产投入大笔资金，除非氢分布问题有了经济、可靠的解决方案。而投资者对于氢汽车的投资更是非常谨慎，通常都是先将其应用于基础设施上，直到能被消费者广泛接受。H2Gen的首席执行官Barney
　　Rush说“我们的氢气发电站几乎可以安装在任何地方，因为其原材料天然气和水的管道贯穿于美国的每条街道下面。我们现在已经拥有15以上可以满足多种用户需求的氢气发电站，而且我们的新订单也在不断的增加。”
　　氢气发电站和回收设备的开发与服务，只有更贴近市场需求的才能真正从中获利。 现场业务主管Kelly Leitch说：“
　　我们将设计-制造-组装一体的理念充分应用在每项设备上。利用包括运输集装箱三维设计在内的全三维模型的进行计算机辅助设计，以保证制造和服务的每个细节近乎完美。在设备实际运行前，我们会进行大约30次的测试和检修。我们使用西门子的S7-300PLC来满足机械设计，并选用相应的S7系列软件设计程序，以保证软硬件的一致性。我们的设备还可以进行模拟操作，即可接收传感器的数据，也可接收测试人员的手动输入，甚至可以根据测试结果修改原有设计。”利用西门子的HMI和网络监控技术，H2Gen工程师可以对设备现场实现远程操作。Leitch说：“就算是在休斯顿机场与客户交谈，我也可以随时进入系统，与客户一起在屏幕上找到问题所在，并及时帮客户解决。”
　　可靠性设计在设备的使用场所，甚至可以不用留任何控制工程师对设备的进行日常维护，而这些都得益于机械和控制系统设计的可靠性。而H2Gen制氢设备的按钮启动风格、易用性和可靠性受到包括特种钢、气体分离器、食品加工在内的众多产品制造商的普遍信赖。许多公司都已经注意到由于氢气供应中脆弱、不稳定和高昂运费等的问题，可能会导致市场的巨大波动，以及需求的极其不稳定。当众多制造业者已对传统氢气供应商彻底失去信心时，他们选择了H2Gen氢气发电站。而且，目前很多知名汽车和能源企业也开始对H2Gen氢气解决方案兴趣日益浓厚。Leitch说：“我们设备的远程控制能力，让客户对于我们的解决方案相当的信任。传统的化工厂需要三或四的操作人员昼夜不停的监控系统运行状况，而西门子S7软件具有相当的鲁棒性可以保证系统正常的自动运行，并且可以随时对潜在问题做出预警。”许多控制和信息系统都是运行在Windows操作系统上的。操作系统和应用程序通常都会定期的升级。操作系统与各种应用程序相互作用达到一种相对平衡的状态，两者中任何一个微妙的变化都可能会导致平衡的破坏。Shawn Gold是霍尼韦尔开放式系统服务的全球项目经理主要负责监督公司的管理服务程序。他发现在某些情况下，用户需要面对系统退化甚至锁死的潜在危险。他谈到：“不断更新的操作系统补丁和反病毒软件无形中给客户添加了很大的负担，客户往往没有足够的时间去仔细审查所有的变化。为了给用户提供更大的方便，因此，我们实时的监测更新给操作系统和整个系统带来的冲击和变化，并为客户提供我们应用软件的实时更新。”任何控制部分的添加都可能会给计算机带来丧失性能或失去稳定性的潜在危险。Gold说：“任何控制部分的添加都会有这些危险，例如，当增加了输入/输出通道，则必须查看通道的增加是否已使系统达到了临界点，如果达到临界点将降低系统的性能。而我们在设计时相当注意这些细节，因而我们有详细的计划监测和管理这些问题。我们为客户提供程序的实时查看、下载、安装。并在客户遇到问题前，就对软件修改给系统带来的影响进行相应的离线平台测试。以保证我们可以在性能退化影响到系统前检测并予以处理。”
　　从传感器到软件，可靠性的潜在问题无处不在。工程师们竭尽全力的利用监测和技巧来实现自动化系统的可靠性设计，以保证设备长时间的安全运行。