成功实施自动化系统升级的三要素：项目计划、无线网络和移动性

发布时间：2017-05-03 来源：控制工程网

　　成功的自动化系统升级项目是从愿景、规划和管理的正确组合开始的。系统集成商IAG公司和Prima Frutta公司对这些价值的坚持，使其Linden 樱桃包装生产线得到了有效的升级，其产量提高了50%，并让Prima Frutta成为世界上最大的樱桃包装和分拣企业。
　　用自动化来应对不断增加的困境
　　在与IAG合作之前，由于运营方面存在困难，Prima Frutta虽然以最大容量运行，但是仍不能充分利用其所有生产线。虽然以前的生产线产量巨大，但是仍然不能满足公司所需的产量。Prima Frutta明白，为了处理所需要数量的水果，需要对生产线进行大修，并且需要在不增加人员的情况下有条不紊的制定一个升级计划。IAG，是在食品和饮料行业具有丰富经验的系统集成商，应邀参与工程项目，以便应对紧张的工期安排。

图1：戴尔venue10平板电脑运行Ignition 人机界面（HMI）软件，连接了4个无线接入点（AP）客户端，该软件由Inductive 自动化公司提供。

　　项目计划和文档的重要性
　　面临的挑战是在较短的时间、严格的预算内提供一个高效的解决方案。
　　IAG使用来自于美国控制系统集成商协会（CSIA）的方法和标准，让Prima Frutta参与到规划的每一步，并用文档记录，在进入到下一步之前需要批准这些文件。当某些事项不明确时，IAG就参考文档来制定双方同意的解决方案。这点至关重要，因为这个项目节奏非常快，时间紧迫，尤其是在实施的最后2个月。
　　IAG从最开始就与其它原始设备制造商（OEM）交流，使IAG能够事先匹配硬件，这样就能降低在工艺流程的后期出现意外的可能性。IAG内部的面板车间、设计部、采购中心的硬件预算有限。IAG面板车间的规划确保将劳动和材料费用保持在预算范围内。
　　IAG的设计部门和项目经理，与Prima Frutta密切合作，在线设计所有硬件图纸。面板原理图模块化布置，这样客户就可以在每张图集的每一页图纸，相同的位置，找到相同的组件（比如直流电源）。
　　集成无线网络
　　系统集成商通过4个无线接入点（AP）客户端，利用外部天线，组建了一个灵活的无线网络，这个网络允许接入10台集成了远程监控和数据采集（SCADA）系统的软件平台。选择平板电脑，是因为其易于更换，可以在工厂的任何地方对工艺流程做出更改，这主要得益于平板电脑并未将人机界面（HMI）局限在工厂的某个固定的位置。SCADA 系统和信息网络使IAG能够连接到其它OEM设备中心。在公司内部，Prima Frutta已经为老旧的樱桃生产线和其它生产线上运行了特定的集成软件。

图2： IAG公司使用Ignition 服务器，为樱桃包装线设立了一个新项目。可编程逻辑控制器（PLC）代码由罗克韦尔自动化公司的Logix5000 v20.01开发，实现Linden樱桃包装设施的升级。

　　IAG使用现有的服务器，为这条生产线建立了新的“项目”。集成软件和可编程逻辑控制器（PLC）代码都以模块化格式开发的，因此组件、模板和用户自定义模块（UDT）可以重复使用，从而能够快速部署。
　　Kieffer和Casey Noonan，是IAG的控制工程师，他们创建了一个虚拟测试环境，用于测试Prima Frutta的代码更改。这个虚拟环境，就是数码“双胞胎”，用于仿真Prima Frutta生产线过程，从而可以用其测试并不会影响生产线的生产，直到代码成熟可以移植到生产线为止。一旦在IAG办公室内所做的一切都趋于完善，就可以将这些变化部分复制和粘贴到Prima Frutta服务器上，实现平稳过渡。实施全面的远程访问，有助于工厂适应不断变化的需求。
　　设施升级的好处
　　这个升级项目，使Prima Frutta在没有增加任何人员的情况下产量增加了50%。IAG在项目预算范围内按时完成了这个项目，并且没有额外的合同变更。详细规划以及CSIA标准的利用，使其在设计、测试、启动和调试阶段可以进行快速的部署。

图3：这是Prima Frutta Linden包装区的概貌。IAG创建了一个虚拟环境，能够在该生产线上仿真工艺过程，对其进行测试，而不会影响实际生产线的运行，直到IAG公司的代码可以应用为止。

　　由于前期详细的规划过程，几乎所有的设备在开始启动的时候，都不存在接线或编程问题。全面的计划、强大的Wi-Fi网络集成，和运行工厂所用的平板电脑，都成为项目成功的重要因素。入门级的平板取代众多“独立”的人机界面（HMI），以及硬启/停操作站，从而可以节约大量的成本。
　　项目实施后，Prima Frutta公司的樱桃生产线现在每周7天运营，产量提高50%，享受着设施扩展和自动化成功升级所带来的收益。
　　项目实施和安装技术细节
　　系统集成商通过完善的项目计划、灵活的无线网络和移动技术，以及广泛的规划与仿真，为Prima Frutta升级了樱桃包装系统，使其产量增加了50%。那么在项目成功实施的背后，又有哪些技术细节值得借鉴呢？负责此项目的IAG公司项目经理Jason Kieffer介绍了更多关于升级的细节问题。
　　控制器和平板电脑
　　CEC：整个升级项目使用了多少控制器？
　　Kieffer：控制器使用的是罗克韦尔自动化公司的Allen Bradley Logix控制器，一台控制器配置了9个远程Allen Bradley Flex远程I/O组件。通过CompactLogix L433平台以及1768-ENBT卡，我们配置了两个强大的Ethernet/Ip网络，一个网络用于I/O控制（用于Flex I/O机架和PowerFlex 525变频器），另一个网络用于人机界面（HMI）、监控和数据采集（SCADA），以及与其它原始设备制造商（OEM）设备中心的连接。
　　CEC：平板电脑用于控制还是只用于显示？
　　Kieffer：该平台具有完全的控制能力。
　　CEC：控制器的更新速率是多少？
　　Kieffer：处理器本身的运行周期为3毫秒。我还想说，平板电脑还有一个不到2秒的延迟。信息传播路径：1）从平板电脑无线发出；2）连接到虚拟局域网（VLAN）；3）连接至感应自动Ignition 服务器（位于另一栋楼内）；4）重新连接至VLAN的紧凑型Logix处理器； 5）从处理器经I/O网络输出到特定设备。
　　CEC：如果显示故障，生产线是否能正常运行？
　　Kieffer：是的。首先，我们确实有备份，传统的Hope工业显示屏，但它只是Ignition 系统之外简单的显示器。第二，这个项目的一大优点就是使用 “抛弃型”平板电脑。如果某商用戴尔Venue 10平板被盗或损坏，就可以快速更换，而且费用也不高。

　　传感器和执行器的选择
　　CEC：项目中包含了哪些类型的传感器、每种类型有多少？
　　Kieffer：在这一项目上使用了很少的传感器。我们有3个Turck LT24E-R16-3LIO-EX-B1140的液位传感器，但仅此而已。
　　CEC：使用了什么类型的电机/变频器,原因呢？
　　Kieffer：所有电机都是460伏交流电机，由不同的制造商供应。所有的变频器都是罗克韦尔自动化制造的PowerFlex525。之所以选择这些变频器，是因为从本质上来讲，它们都可以通过添加配置文件，集成到Logix5000平台，这样就使编程和安装更容易。
　　网络和软件设置
　　CEC：将传输信号从传感器传输到控制器，再到执行器，使用了哪种网络协议和哪种软件？
　　Kieffer：网络协议为Ethernet/ IP。如上所述，利用两块1768-ENBT网卡，将HMI和机器加工中心网络与I/O网络隔离开来。
　　CEC：哪些采用有线，哪些采用无线通信？
　　Kieffer：这是一个组合。I/O网络（变频器和I/O机架）为硬接线。HMI/OEM加工中心网络通过有线连接至设备中心和传统的集中式HMI，并通过4个Moxa无线接入点（AP）天线与戴尔Venue10平板电脑连接。
　　CEC：增加了多少个输入/输出点？
　　Kieffer：很多，超过500个I/O点，分布在9个Flex I/O架上。
　　项目实施和安装技术细节（续）
　　CEC：安全和控制功能是集成在同一个网络吗？
　　Kieffer：不是。主控继电器由布置在中央控制面板的传统安全继电器控制。这个中央面板还安装了中央Ethernet/IP交换机，以便实现HMI/OEM机器中心网络与I/O网络的连接。24 V直流安全电路、Ethernet/ IP布线和紧急停止布线在同一个管道走线，这样可以节省费用。
　　CEC：紧急停机功能由什么提供？
　　Kieffer：平板不具有紧急停机功能。传统的紧急停机功能遍布整个生产线。
　　CEC：为高层级系统提供信息服务和信息交换吗？
　　Kieffer：客户现有的系统，我们仍然保留。在这个生产线上，有最新的系统或网关。
　　重新设计工艺
　　CEC：工艺生产线的设计是现有生产的变更/升级吗？
　　Kieffer：是的，它基本上是从零开始建立重建。老生产线所保留下来的唯一部件，是一些旧的包装设备和箱输送机。所有加工设备，从果园出来的樱桃到最后的包装设备，都是全新的。
　　CEC：项目包括培训吗？
　　Kieffer：是的，总计160小时的开机、调试、培训、和生产支持都包括在内，一些IAG员工会一直待在现场，提供启动服务，这是160小时的一部分。
　　CEC：项目文档是如何要求的呢？
　　Kieffer：每个面板提供两份打印的原理图。一份放在面板中，方便支持人员使用。第二份则提供给客户的项目工程师/经理并存档，以防第一份文件失踪。原理图为PDF格式，而原始CAD电气图（由Autodesk软件制作）则保存在IAG公司的云服务器上。
　　CEC：项目时间如何把握？
　　Kieffer：项目开始于2015年9月25日， 2016年4月1日移交给客户。项目按时完成。有趣的是，在整个项目生命周期的初始阶段，就确定了时间要求，它只经过了一个很小的迭代。我们对时间的预计令人吃惊的准确。
　　CEC：如果有人进行类似的自动化项目升级，你还可以提供其它建议吗？
　　Kieffer：关键是遵循合规的项目方法，利用良好的网络结构、大量的工厂测试来设计强大的系统，这样后期的测试/调试/启动环节会非常顺利。
　　项目实施的11个阶段
　　0-启动和规划
　　1-启动会议
　　2-需求
　　3-设计
　　4-开发（代码、起草/面板制造、装配、审查、修正）
　　5-测试
　　6-工厂验收测试（FAT）
　　7-发货
　　8-安装
　　9-调试
　　10-现场验收试验（SAT）

　　（作者：Laura Kelm）