浅谈现代机械制造业中的自动化技术

第一章绪论在ICE61508当中对对控制系统作出相关阐述，指出问题存在一定风险性，并且具有可控性特点。机械性主要是结合机械使用说明书当中的相关规定，避免在机械安装、调整、运输等环节存在使用风险。大量实践证实事故发生和人员不操作行为有关，比如违规操作，也和操作有关，主要是指机械制造的构造缺乏合理性以及防护失败、控制系统部件失去应有作用。为解决以上问题需要科学制定生产制度，并且在作业过程中佩戴用具，还需要定期开展培训工作，都能最大程度减少控制过程中的危险因素，以下就自动化技术及应用进行详细分析。1.1控制系统控制系统为在机械设备运行期间增加相关设施的。若由于人为因素或者装置存在危险而处于不状态系统能够反应且释放信号，使得装置停车，最终可以避免生产事故。控制系统包括进入信号、紧急停止信号、液位信号等现场信号，同时还包括输出控制单元以及逻辑控制单元。在机械制造领域以及流程化工领域控制系统都不可或缺，控制系统硬件需采取如下措施满足要求：采用多样性控制、采用冗余性控制、可靠性检测、认证功能模块，其中紧急停止设备、光电设备、输入装置是常见的输入设备，而继电器总线系统PLC为逻辑部分[1]。1.2逻辑控制设备在控制系统整个当中，其中逻辑控制设备十分关键，主要是接收信号，由此实现逻辑分析和输出控制。在当前的自动化控制领域当中，PLC、总线控制系统和继电器是关键的系统控制元件，具体情况如下：其一，继电器。继电器也叫做继电模块，是一种较为简单的逻辑控制元器件，通过用于输出控制和自我检测方式对输出负载加以控制，如图1-1图示显示，13-14、23-24为关键输出触点，内部由特殊继电器K1和K2常开触点串联组成，如果K1发生故障K2能够实现触点断开，并且继电器模块可以实现内部电路自我检查，判定外部接线故障与内部元器件故障。图1-1：继电器图其二，可编程控制器。这一控制器通过中央处理器实现控制，并且处理器在不同厂家中生产，采取该控制方法可以实现多样化的控制，由此区别于普通PLC，一旦处理器出现故障剩余的处理器依然可以发挥保护作用，及时切断完全输出，使得系统停机。造成系统停机主要因素在于如下方面，其中1002系统的单个处理器发生故障后会导致系统处于非状态，而2003系统处理器故障发生后不会导致系统停机，当两个处理器都发生故障才造成系统停机，因此1002是二重冗余系统，尽管其性高，不过可用性不足。2003组成三重冗余系统，有着更好的性和可靠性，不过投入资金较多，在信号采集处理与输出环节PLC采用冗余控制方式，信号进入PLC之后再进入输入寄存器，然后在不同中央处理器的处理下进入输出寄存器，让PLC形成不同的冗余通道，这一过程中信号状态和处理结果可以在PLC内部暂存装置中对比，如果二者不一致维护人员可以根据系统特点加以判断。其三，该系统组成部分包括PLC、输入输出模块以及总线。整体来看，这是一种离散式控制系统，可以根据通讯性以及硬件判定系统可靠性，通过高速冗余的可靠源器件实现总线控制模块良好运行[2]。第二章控制系统标准2.1标准简介从世界范围来看，机械标准主要包括国际标准、欧盟标准以及我国国家标准，其中国际标准主要代表ICE61508能够有效规范与指导机械电气设计，而欧盟标准主要是在国际标准基础上加以细化，我国标准包括了强制性标准与推荐性标准。欧盟诸多国家为我国机械主要出口区域，所以所生产的产品也要达到欧盟机械指令要求。整体来看我国机械标准主要包括如下三个类别，A类标准为基础标准，B类标准为通用类标准，C类标准为规格类各机械要求，其中我国机械制造企业所遵循的控制系统过程主要遵循B类标准，以下根据系统当中有关部件的相关标准加以分析。2.2EN954-1要求控制系统的设计主要包括确定机械危险区域，明确风险参数、风险用表、要求等级以及等级实施功能，如图2-1。该图示当中S为机械对人体的伤害程度，其中S1和S2分别代表轻伤和重伤，F指代面临危险的时间和频率，其中F1和F2分别代表偶尔发生和持续发生，字母P代表避免危险的概率，其中P1和P2分别代表特定条件下能够避免该风险以及几乎不能避免风险，比如折弯机需要对危险区域加以分析，滑块下落过程中会造成不同等级的伤害，所以选择S2；操作人员要不间断的把工件放入折弯机下方加以加工，该操作过程中存在一定危险，所以需要选择F2；如果滑块下落速度较快，该情况下操作人员难以控制风险，该情况下选择P2。参考以上分析将折弯机危险等级设定为四级，之后需要进行控制系统设计降低风险。图2-1：EN954-1风险评估图等级B与功能相关的控制电路需要在设计、组装等环节进行电气控制的过程中确保电路承受预期运行强度，同时还需要承载工作介质影响和外部环境的影响，这就要求不同等级标满足等级B要求。在等级1中成熟元器件主要用于相似的领域，能够结合标准制造元器件。此外，该技术达到等级1要求的同时，等级2需要在机器控制系统当中测试控制系统，所以机器启动之前以及危险状态出现之前必须进行测试，如图2-2。图2-2：等级B和等级1结构图在满足等级1要求的这个前提下，等级3在控制系统某个元器件发生故障后不会出现功能失效，可以对部分故障加以检测，如图2-3。图2-3：等级2的结构图其中等级4为最高控制等级，并且控制系统中的某个元器件故障不会造成功能失效，可以在下次安全功能发挥作用的过程中对故障识别，如果不能识别也要避免故障累计造成功能失效，如图2-4。图2-4：等级3的结构图2.3EN/ISO13849-1的要求在新兴技术不断出现的今天，根据EN945-1的设计方法已不能满足生产要求，这是由于该标准已应用超过10年，难以满足当前新型技术要求，并且该标准主要用于液压、气动、电气等电子产品系统，无法涵盖全部控制系统。EN945-1基于一定经验与基础条件，由此评估和确定控制系统，这也导致其对新出现控制方法成效不显著。此外，EN945-1无法定量化判断其性，今后需要应用EN/ISO13849-1判断控制系统能力主要参照PL，也就是相关部分能力由此，在可预见情况下降低风险[3]。考虑到EN/ISO13849-1设计控制系统，主要流程依次为确定机械危险区域、设计与实施功能、故障覆盖率、明确风险参数、决定等级平均无危险故障时间、应用风险图表、共因故障。比较PL和PLr。如图2-5。图2-5：EN/ISO13849-1风险评估图在EN/ISO13849-1中，EN945-1与其控制系统设计头两个步骤一致，不过EN945-1当中的等级未在风险评估图表中体现，而是PLr，等级当中标定的B1、B2、B3、B4被PLr当中的a、b、c、d、e代替。与此同时系统性评估也和EN945-1不同，主要量化判断方法为每小时危险失效率。平均无故障危险时间在诸多行业中已经使用多年，不过在机械控制系统领域所应用时间较短，相关时间数值可以对系统加以描述，一般单个元件平均无危险故障时间通过元器件供应商和生产商提供，并且样品说明书当中用户能够找出软件对应平均无危险故障的相关数值，以年为计量单位，由此确定单个部分平均无危险故障时间，然后对该系统平均无故障时间加以计算，通常低等级时间在3-10年，中等级为10年至30年，高等级为30年－100年。需要说明的是，部分存在磨损的原件由于使用次数增多也会加大故障出现几率，对该类器件供应商可应用参数B10D，然后根据公式分析平均无危险故障事件。诊断覆盖率主要作用在于自动诊断测试导致硬件危险失效的分析指标，其主要包括4个等级，其一无诊断覆盖率不足60%；其二诊断覆盖率区间在60%-97%；其三诊断率区间在90%-99%；其四高诊断覆盖率范围超过99%。单个或者多个事件都会导致供应失效，在多通道系统当中超过两个分离通道同时失效会导致整个系统失效。诊断覆盖率、等级、平均无危险故障时间和供应失效是效EN/ISO13849-14个主要参数指标，在实际应用中可以利用4个参数分析安全控制系统性能[4]。第三章总线系统3.1现场总线概述在上世纪80年代开始，现场总线控制系统技术出现在西方国家，这种新的工业控制技术实现了DCS控制系统和PLC现场控制技术的革新，简化了以往的控制系统，使得控制单元分布以及系统检测更为合理。上世纪90年代我国开始引进现场总线控制系统技术，并深刻地影响着我国工业控制领域。计算机控制系统早期需要通过单台小型机械控制多条回路，由此降低每条回路成本，不过计算机故障将造成全部控制回路实效，后期发展的分布式控制系统可以应用多台计算机采集和控制数据，计算机之间通过局域网形成单个系统。分布式控制系统在我国应用接近20年，其优势显著，不过也存在着可靠性不足的缺点，如果采用双机冗余设计不仅导致系统复杂性增加，成本也会加大。为了提升成本、可靠性、复杂性之间的协调性。为广大用户提供开放性的操作系统，使得人们更加关注现场总线控制系统技术的应用和发展。现场总线控制系统是一种全数字化通信系统，被用于现场设备、现场电气、现场仪表、主机系统以及控制室现场，总线标准要求单个控制系统中进行若干数量现场设备的数据交换，并应用电线电缆、电话线、光纤等介质满足数据传输。现场总线适用于现场的总线技术将诸多导线合并在一起，然后通过单根导线实现全体设备连接，确保线号与数据正常传输由，此进行任意通信的设置。现场总线技术通过串行数据传输和连接方式，由此代替传统并联信号和连接方法，能够满足控制层与现场总线设备层的数据传输需求，而信息也更加可靠，主要体现在以下方面：其一是线路布置简单。现场总线的主要变化体现在布线方式上，通过简化布线方式以及拓宽网络拓扑大大降低了接线成本和维护成本，通过串行方式让现场操作人员和维护人员明确线路布置情况；其二，更加开放。不同控制连接系统能够开放通讯规约，实现降低传输成本的目标，还能够对系统进行网格化和系统化控制；其三，实时性强。要想满足现场控制和现场采集的要求，一般现场总线需要保证数据可靠性、完整性的基础上具有良好的传输效率和传输速率，总线传输速度越快越能有效缩短响应时间，不过传输效率同样需要得到重视。3.2现场总线研究在机械制造领域所应用的控制系统需要具备失效功能，在传感器控制器电缆存在故障失效等情况下确保人员和设备的性，所以现场总线通讯需要满足以下条件：其一，现场总线。生存性也就是有着一定的连通效果，能够在任何情况下确保信息的传输，这也是总线故障能够传输的前提。受物理因素影响总线介质被破坏，进而出现信息不能传达的情况，要求总线正确动作，能够通过紧急停车确保人员和设备；其二，信息传输的完整性。主要是指现场总线在自身故障以及外界干扰环境下可以将信息发送到终端；其三，信息传输实时性。总线在自身故障以及外界干扰的情况下可以确保有限时间内进行信息的传输；其四，信息传输可测性。现场总线传输需要在有限时间内分析崩溃、遗漏等失效情况，然后加以校正[5]。第四章控制系统实现4.1SAFETYBUSP的硬件平台在SAFETYBUSP总线系统当中包括管理设备、逻辑设备、I/O设备，可通过SAFETYBUSP组态激活或者通过应用程序激活(如图4-1)。Pass可编程系统也利用PLC，并且CPU采用不同类型的处理器，Pass包括了模块化架构和紧凑型架构。处理器A运行速度快，需要实现部分以及非部分程序运行，在各处理器运行程序后并同步，最后将输出结果输入寄存器。在每个循环当中处理器都需要自我检查运行动态，进而保障系统运行。图4-1：SAFETYBUSP的硬件平台4.2WINPRO编程软件该软件主要功能如下：其一，编程界面。WINPRO实现两种界面的编程，分别用于非应用和应用，部分编程界面需要输入密码才能发挥作用，而非部分程序不影响部分程序，二者可交换数据；其二，编程。WINPRO提供梯形图、功能块、语句表等其他多种编程语言，程序结构以PB、SB、DB、FB、OB等方式实现。为确保编程性需要通过SD块在OB、PB中调用，进而帮助编程人员输入参数与地址后完成编程任务[6]。4.3SAFETYBUSP的网络组态在WINPRO中可以通过SAFETYBUSP组态网络，主要处理方式如下：其一，选择管理设备、I/O设备等硬件模块；其二，分配设备地址。把规定地址范围控制在32-95；其三，组群分配。主要为了提升可用性。SAFETYBUSP的组群分配功能可以将不同设备分配到不同组群，最多同时满足64个组群的控制需求。如果单个设备发生问题仅仅会造成设备停止运转，但是呢其他组群工作不会受到影响，如图4-2。图4-2：SAFETYBUSP组群第五章自动化技术在机械制造业应用5.1在汽车制造业中的应用在汽车制造控制系统当中只有采取措施才能保障制造工艺打性，钢铁冷轧厂生产的热轧带钢在酸洗处理后表面形成氧化铁，需要操作人员确保装载、清洗、调试等环节的规范性，由此保障生产，一旦操作不当将导致严重后果。实际生产过程中需要加强机器风险控制，机器维修环节要求调试人员具有专业能力，由此解决复杂的机器控制功能。在实际生产中主要是应用控制设备，由此发挥自动化技术优势，严格控制整套冷轧线工艺。5.2在钢铁制造业中的应用冲压、涂装、焊接是车用金属板材主要工艺，而冲压这一工艺在高速冲压生产线当中使用自动化控制技术让生产性大大提升，比如紧急停止装置以及防护门设备都可以满足控制的需要。在钢铁制造过程中，控制系统的自动化技术可以对操作失误情况重新控制。此外，在生产过程中以往的控制装置具有一定危险性，一旦操作期间松动可能造成按钮操作错误，加大生产危险性，借助自动化技术能够对控制移动式防护门加以监控，通过防护门设备可在设备危险运行前期采取措施，这也是钢铁制造业应用控制系统主要体现[7]。5.3在风力发电机组制造业中的应用电气控制系统可确保风机稳定运行，应用自动化控制技术时将重点放在系统和标准控制系统上，发电机组控制系统应用自动化控制技术需要监控运行信号掌握运行时间以及震动临界功率，一旦和设定安全系统数据不相符能够及时启动系统，短时间激活制动系统并及时断网。此外，发动机组控制系统运行过程中标准控制系统可以对风机运行信号监督，使其处于良好运行状态。总结自动化控制技术需要自动化技术