精益自动化架构

发布时间：2014-06-02 作者：Jack Rubinger

        数十年来，机器自动化结构鲜有改变。对自动化系统所进行的最基本改进包括可编程控制器（PLC），利用分布式和模拟量I/O连接最终设备，同时提供电子操作员界面（EOI），用其完成机器的安装、运行和维护。
        在过程和通讯领域的技术进步，使机器自动化具有新的功能。应用于设备层和企业层的通讯技术的进步，使精益的自动化结构成为可能：
        1）利用设备层网络，可以直接和机器上的智能终端设备连接，可以移除控制机柜中的I/O卡件及其接线。此外，简化的结构与智能设备直接连接，也可提高故障诊断水平，有助于提高机器运行时间。
        2）伴随着工业以太网技术的出现，企业层网络允许将机器直接连接至生产制造企业网。这可以提供非常有价值的信息，用于运行效率的监控，机器报警的提示和分析，以及进行远程故障诊断和升级自动化程序。

图1 传统机器自动化架构在通讯方面有其限制。

        技术进步也为企业提供了一个契机：将自动化结构流线化成更简单的形式：逻辑控制、操作员接口、设备层通讯、企业层通讯被整合到同一个自动化单元中。
        对机器原始设备制造商（OEM）来讲，设备层和企业层通讯技术的进步，有助于整合控制和可视化技术，将连通性提高到一个新的水平。这些变化使得在下述条件下，以更低的成本、更快的速度来设计和制造智能机器成为可能：
        ■  集成的开发环境，允许更快的机器设计；
        ■ 更少的部件和接线，意味着可降低机器的建造成本；
        ■ 集中化远程访问和管理，改善运行，降低机器支持的成本
        网络技术促进自动化平台的整合
        尽管在某种程度上被企业层网络技术发展的光芒所遮盖，但是设备层网络技术一直在发展，即使是最简单的设备，也可以通过网络，与系统内的逻辑控制设备建立最高效的连接。无论是控制机柜内还是机柜外，都取得了进步，并且这种进步还扩展到了安装在机器上的传感器和执行器。设备层网络带来以下几个优势：减少控制盘台接线和调试的时间、移除系统I/O卡件、改进运行诊断信息、提高系统可靠性。

图2 精益自动化架构：应用于设备层和企业层的通讯技术的进步，使精益自动化架构成为可能。逻辑控制、操作员接口、设备层通讯、企业层通讯被整合到同一个自动化单元中。

        将机器控制系统中的传感器、执行器和人机界面的连接，从I/O转移到网络，是促成自动化平台整合的关键因素。一旦系统中不再使用I/O卡件，或I/O卡件的使用量显著降低，那么在EOI之外再配置一个独立的PLC的价值就大大降低了。以目前微处理器的处理能力，可以在同一个设备上，同时管理操作员接口任务和可编程控制器任务。而且，由于远程访问日益重要，HMI-PLC整合的案例也得到重视。用HMI-PLC来改变最基本的控制系统，实现整合逻辑控制、可视化和互联的精益自动化方案。
        HMI与PLC的趋同性
        随着工业以太网在工厂车间的应用，生产制造企业的生产效率得到了显著的提高。网络的扩展性能以及通过网络相互连接的智能设备，正在逐步改善故障诊断性能、加速排除故障以及提高机器的整体可靠性。利用以太网互联所提供的信息，可以有更多的机会，来降低故障诊断和修复故障所消耗的时间和费用，避免停机或延长调试时间。该变化也影响到机器上的自动化系统，这就需要重新审视自动化结构以及PLC和HMI在系统中的作用。
        从历史的角度来审视一下PLC和EOI技术及其发展，可以更好的理解，HMI和PLC在功能和设备选择上的趋同。从传统的角度来讲，使用PLC的主要目的，就是去替代由无数设备组成的系统，这些设备包含为数众多的控制继电器、计时器、鼓型序数器和闭环控制器，为生产制造过程提供控制、顺序以及安全功能。在很大程度上，I/O卡件主要用于和传感器、执行器和简单的操作员接口设备（按钮、指示灯）进行接口。
        EOI的引入，主要是用于完善这种简单的PLC系统。通过简单的串口网络连接至PLC系统，电子操作员界面可以为机器操作人员提供更丰富的信息，取代简单的按钮操作和指示灯。EOI和PLC的关系见图3。

图3 老式互补的EOI和PLC的关系如图所示。

        利用工业以太网络，自动化领域可以实现远程访问，这些功能的到来意味着自动化功能的提升，包括：历史数据采集和交换、报警指示与管理、安全管理。由于供应商之间的相互竞争，不断有新的历史信息、报警和安全等方面的需求发布，这些功能早已被分别引入到PLC和EOI中，并且功能日渐趋向于重叠（见图4）。

图4 该图显示了目前正在出现的EOI和PLC功能的重合，由于供应商之间的相互竞争，不断有新的历史信息、报警和安全方面的需求发布。

        对EOI和PLC来讲，功能多并不总是意味着更好和冗余性，反而有以下几个缺点：硬件设备的无用重复（两台设备都需要以太网）、使程序不必要的复杂（冗余的报警系统）、安全漏洞风险加大。不采用两个有相互重叠功能的不同设备，而是用一个设备满足所有的需求，没有重复，这就意味着更少的设备采购、编程和组态成本。

图5 HMI与PLC的趋同化和连通性。不采用两个有相互重叠功能的不同设备，而是用一个设备满足所有的需求，没有重复，这就意味着更少的设备采购、编程和组态成本。图片来源：Eaton

        精益架构
        设备层和企业层网络促进和支持新的、精益的自动化结构。最终，这种趋同会使整个设备层消失，实现远程智能化，从而降低培训费用，同时允许OEM厂商能够利用其优势，从众多的供应商中选择最好的设备。
        集成结构能促进精益自动化，在设备和时间方面提高效率，降低浪费。在竞争激烈的商业环境中，提供智能、直观、高端的一流解决方案，是一种实实在在的商业优势，可以更快的对其生产的控制系统进行设计、调试和维护。
        精益生产制造过程
        如何着手实现生产制造过程的精益化并实现自动化，在哪里能起作用呢？那就环视一下周围吧。寻找那些被浪费的运动、时间和努力，以及被浪费的空间和无序的工作区域。下一步就是咨询操作人员，如何消除这些无用功。形象的思考一下：事情应该如何发展，应该向哪里发展。经常会出现以下情况：一个简单的指导性或操作性的符号就可以帮助操作人员记起过程中的步骤，分清轻重缓急。颜色编码板可以帮助用户和工具箱管理经理追踪工具的使用情况，减少失窃，掌握谁正在使用锤头。
        “生产制造商一般需要处理7种类型的浪费：库存、过度生产、运输、缺陷、过度处理、运动和等待”，企业软件提供商Iconics的全球市场总监Melissa Topp说，“精益制造是一个不断迭代前进的过程，它鼓励生产制造商去消除这些浪费。在着力于处理生产制造智能报告、报警管理和减少停机时间的每一个阶段，技术解决方案都伴随左右，”
        大型生产制造自动化工业包括以下技术：用于过程和产品处理的计算机控制器、过程自动化系统、通用运动控制系统、自动化相关的软件、环境监视设备和系统。自动化带来的收益包括：全球化的竞争、更快的满足订单、更快的发货、提高班组生产力、降低运营成本、提高产出、降低加载/卸载的次数、降低处理过程中设备损坏和破损的次数、更少的材料消耗和劳动力的节约。
        在澳大利亚，没有所谓的廉价劳动力，Challenge Engineering公司的James Abbot解释道。Abbot使用计算机数字化控制（CNC）机床，该机床可以在一个机器内完成多种生产过程。设置已经流水线化，传送带最多可以放置72种工具，绝大多数工具已经放置在传送带上。所有的旋转、铣削和钻孔操作都可通过一次设置完成。这种类型的自动化机器可以最大化资源利用效率，帮助企业保持对外来竞争对手的竞争力，在澳元比较强势的情况下更是如此。

为人员防护设备和工具进行编号，可以消除时间浪费，强化生产制造企业的安全文化意识。图片来源：DuraLabel

        投资回报
        当产品需求超过目前的生产能力时，PGT Industries公司在12种最关键的产品装置上使用了Iconics公司的软件，来分析目前工厂设备整体的效率。该软件被用于杜绝整体设备效率损失的来源，着力于可用性、质量和性能的提高。PGT公司意识到，大量的节约和消减浪费，使其可以推迟修建第三条生产线的计划，为公司节约巨大的成本。而且它们发现，使用同样的设备，目前的产量是以前的1.5倍。由于上述原因，PGT公司降低了20%的劳动力和能源成本。
        在Barbers Farmhouse 乳酪商的成功秘诀中，自动化扮演了非常重要的角色。对它们来讲，存在的挑战是：确保奶酪（按照英国法律的规定）的精确体积和重量的同时，降低超重的部分。Barber公司的工程师使用了自动称重和切削系统，将丢失的比例从介于4%-5%之间降低到小于1%。
        一些专家相信，自动化过程应被系统化应该分阶段实施。
        “一般来讲，自动化不是一个解决方案，不能轻易的去试验、修理和改变，它应当在精益实施的后期出现，这样可以消除劳动者人因方面的过大负担，同时可以消除对潜在危险方面的担心”，Oregon Manufacturing公司的合作伙伴Paola Castaldo说。她补充道，“但是在进行精益之前，设计自动化系统，有可能改正错误问题，因为你也许正在为一个坏掉的系统做自动化设计。但是，当由于人类自身的限制导致我们无法介入连续流量和质量时，自动化可能是实现进一步改进和找到合适解决方案的唯一途径。”