设定工厂内部的自动化标准

发布时间：2018-07-09 来源：控制工程网

　　在很多应用领域，制造企业和工厂需要一套内部标准，用于指导其自动化系统的硬件和软件的最佳实践。这些标准有助于确保软硬件的一致性和安全性，同时为新项目提供了清晰的指导方针。这些内部标准不但要符合行业规定，而且还会更加具体，对于工厂和车间来说更易于实施和操作。
　　这些标准应该覆盖4个关键区域：
　　●  安全、电气以及液压。
　　●  人机界面（HMI）和操作员接口终端（OIT）。
　　●  控制器和输入/输出（I/O）系统。
　　●  传感器和仪表。
　　安全、电气和液压
　　很多国家和国际机构都明确规定了安全、电气和液压标准。内部标准应该包括一个适用的国家和国际标准的列表，同时提供关于如何严格遵守这些标准的指导原则。
　　内部标准应该要求遵守所有适用的地方和国家规范，应该列出这些规范并具体说明。这些规范规定了机器和设备的安装和运行，根据区域不同而有所不同，而且经常随着时间的变化而变化。工厂人员要负责确定应该遵循哪些规范，并且要验证设备、安装和运行是否符合这些规范的最新版本。
　　在美国，内部标准必须要遵循NFPA 70-2017的所有适用部分：国家电气规范（NEC）、国家防火协会（NFPA）、以及国家电气制造业协会（NEMA）。其他国际规范也可能适用，特别是对于将要运输到海外的那些OEM制造商生产的机器。
　　NFPA 79-2018: 用于工业机械的电气标准是很好的保护操作员、机械以及设施免于电气和火灾危险的规范。监管机构或政府部门可能会提供额外的要求。 这些机构可以帮助确定确定哪些规范和标准对于机器的安全安装和运行是必要的。
　　如果没有遵循适用的规范和标准，那么对人员或机器造成的严重损害就可能会发生。如果发生任何事故，从法律角度来讲不遵守国家规范和标准都可能会增加需要承担的责任。
　　内部标准必须参考适用的标准，而且内部人员和外部人员都要了解这些信息，例如工程师、机器制造商、以及系统集成商。这些标准也可以成为新项目验收标准的功能性基础，以确保正确的产品设计、安装和运行。
　　列出并遵循适用的规范和标准是朝着确保工厂车间实现一致的、可支持的自动化迈出的第一步。为了确保可以按照最佳实践去做，内部标准必须要涵盖HMI、控制器和现场设备。
　　HMI和OIT
　　对HMI和OIT的规格要求应该从运行条件（请见图1和2）开始。例如，要求的运行温度高达122华氏度以及将NEMA 12作为保护的最低等级在大多数的工厂车间里都运行得很好。

图1： HMI面对各式各样的图形化用户界面应用都应该很容易配置、安装和维护。图片来源：AutomationDirect

图2：小型操作员接口终端（OIT）提供的功能比HMI少，不过更加经济且更加紧凑。

　　一家企业内部的HMI和OIT规格要求通常会列出用户可接受的一系列指定供应商的产品。严格按照该产品列表执行能保证不同应用之间的一致性、简化设计、执行和运行。
　　应该清楚定义特定HMI和OIT的使用场合。一个微型触摸文本面板OIT可以为小的机器提供经济有效的图形和操作员互动，不过并不适合用于中大型机器、或者生产线。如果要在图形化显示设备上显示一台自动化设备的每个按钮、开关、仪表和外围设备，显示屏的大小就是个问题了。因此，内部标准应该清楚地说明屏幕尺寸的要求，同时针对每个应用类型定义合适的屏幕数量的范围。
　　画面设计标准应该仔细定义。通用总画面、手动功能、数据以及默认画面（包括前后一致的导览按钮）应该与实际的应用案例一起进行记录在案。颜色的使用和显示功能也应该被记录在案。强化这个标准，因此可以在所有的机器和设备上使用，会降低培训要求、简化操作、而且缩短故障诊断时间。
　　在设计规格书中应该包括特定的HMI和OIT编程软件，同时包括一个流程确保每个人都使用正确的软件以及正确的版本。
　　HMI和OIT连接到控制器、工厂网络以及可能的云。内部标准应该定义可接受的硬件连接和通讯协议。通用的硬件连接包括以太网、RS-232C/422/485串行、以及USB。有超过10种不同的工业以太网协议可以使用，这些协议的量已经大到很不实用了，所以内部标准应该定义尽量少种类的可使用协议。对于串口协议来说也是一样的。
　　将可接受的以太网协议限制在几个常用的选项之内，例如Ethernet/IP和Modbus TCP，可以简化连接，不过可能也需要例外。有一个例子是在需要特定机器的时候，需要通过在内部标准里没有定义的协议进行通讯。
　　可以通过协议转换来处理这些例外情况。根据需要转换的特定协议的不同，转换过程通常可以在基于PC的HMI上完成。使用这些功能来制定HMI软件在设计上是很好的做法。
　　要仔细考虑和定义远程访问策略。有一些HMI允许远程用户使用电脑、平板电脑、智能手机以及笔记本电脑来连接、监控以及控制HMI。如果这样的访问得到许可，必须定义一个被授权的用户名单，包括每个人的访问水平信息。为了提供所需要的网络安全等级，也应该仔细定义登陆过程、多水平访问控制以及程序通知标签。
　　控制器和I/O
　　对于工厂自动化来说有三种主要的控制器类型：可编程逻辑控制器（PLC）、可编程自动化控制器（PAC）以及工业PC。在某些场合下，可以指定单个供应商和类型，但是通常需要一些灵活性。控制器的功能也在整合过程中，因此对于许多工厂和设施来说，指定来自于一个供应商的某个控制器系列也可以满足大多数应用的需求（请见图3）。

图3：先进的可编程控制器具有多种构成形式，可在相同的控制器系列中提供了基于机架的、微小模块化的或者堆叠式的硬件。

　　每一种控制器都有很多不同的I/O可以选用。有一些I/O要求添加一个标准，包括可接受的离散电压水平、模拟量信号水平、以及特殊的模块。对于离散信号来说，一种很好的标准是为输入和输出都采用24伏直流或120伏交流。也应该指定模拟量信号水平的标准，例如4-20毫安。例如电阻式温度检测器（RTD）、热电偶以及称重模块等特殊模块也应该包括在标准之内。
　　应该对通讯协议及其标准进行记录，以便用于与控制器使用。协议的首选项通常是由所选的控制器来决定的。不管选择了哪种控制器，提供几个通讯接口都是很好的做法。对于实现工业物联网（IIoT）和智能制造来说，通讯协议的选择也是非常重要的。
　　与HMI和OIT一样，支持以太网通信使远程访问控制器成为可能，因此需要在内部标准中定义规则。例如，不应该允许使用默认的互联网协议（IP）地址或默认的网关，而应该更改这个出厂设置。内部标准应该将Web服务器的功能限制在只读，而且要仔细定义远程监控应用、账户名以及密码。
　　定义远程访问策略和执行是至关重要的。要求只能通过HMI来对控制器进行远程访问，一般来说可以提供更高的安全性灵活水平以及数据访问，也应该在内部标准内进行考虑和定义。
　　控制器数据记录巡检功能是另一个需要内部标准化的领域。对标签数值定义周期性的或基于事件的数据记录巡检可以为设备综合效率（OEE）和生产信息提供重要的历史记录，而且它还可以为上层系统提供数据缓冲。数据传输安全也应该被记录。
　　对于控制器的内部标准还应该包括对应用的考虑。例如，应该提供以运动控制器或传动设备优先的连接。应该清楚定义通讯的优先级以及同时控制多个传动设备的需求。与视觉系统的高速通讯方式也应该定义好。此外，通讯方式和数据处理的需求也应该被记录。
　　控制器编程标准是至关重要的需要定义的内部标准。应该在一个单独的手册中记录要求和编程方式，以及例子。如果没有这些类型的标准，每个编程人员可能会按照他个人的方式，创造出各种难以辨识的软件应用程序。
　　传感器和仪表
　　传感器和仪表的标准有助于改善机器控制并减少所需的备件（请见图4）。例如，一种常见的内部标准是要求在每个液压缸或执行机构的行程末端提供一个传感器。对于不同的传感应用来说，首选的传感器和电缆类型应该详细说明。

图4：将传感器类型限制在几个标准类型内会简化维护工作，并降低对库存的要求。

　　一个需要定义的重要标准是智能传感器和仪表的使用标准。这些智能现场设备使用数字化通讯协议来与控制器，有时候也与HMI或OIT进行数据交换。智能现场设备比那些更简单的同类产品更昂贵，所以只有当它们提供的额外数据可以用于生产运行的改进才会使用它们。
　　在每台机器上安装来自不同传感器供应商或传感器类型的产品，对于企业在设计、实施或维护方面都不够高效。因此，包含传感器、仪表供应商和类型在内的可接受的短名单应该是任何内部标准的一部分。
　　不管是HMI、OIT、控制器、还是现场设备，最大限度地减少供应商和通信协议的数量都将有助于企业降低成本、简化培训并提高生产力。从长远来看，花费在记录内部标准上的时间，对于实现这些好处并且改善安全性来说都是非常值得的。（作者：Bill Dehner）