在大多數(shù)情況下，如果數(shù)字系統(tǒng)正常工作，執(zhí)行起來效果都不錯。但是，當數(shù)字控件停止運行時，許多人都需要重新啟動或修復移動設備、PC或更重要的東西。有時，這些問題只是小麻煩或造成較小的損失，但對于關(guān)鍵系統(tǒng)而言，此類故障的后果要嚴重得多。

　　工業(yè)自動化系統(tǒng)是為了大量生產(chǎn)產(chǎn)品、減少浪費、保護設備和確保工人安全而建立的，并且該系統(tǒng)可以持續(xù)發(fā)揮作用，無需過多的關(guān)注。對于彈性的一種定義是：調(diào)整或恢復以適應變化或逆境的能力。大多數(shù)人都會同意：自動化系統(tǒng)的彈性是可取的，但如何更好地實現(xiàn)這一點，成本又是多少？

圖1：一些工業(yè)控制器平臺已經(jīng)通過極端測試，例如該圖所顯示的寒冷運營環(huán)境，以確保其在額定條件下的可靠運行。本文圖片來源：AutomationDirect

　　由于自動化系統(tǒng)由獨特但相互關(guān)聯(lián)的傳感器、布線、配電、控制器、網(wǎng)絡、軟件等構(gòu)建而成，因此任何應用的最佳彈性解決方案都會涉及諸多考慮和權(quán)衡。了解實用的自動化產(chǎn)品和實踐ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，可以幫助設計人員在彈性、成本和復雜性之間找到平衡點。

　　智能化的電氣、儀表和控制設計

　　電氣、儀表和控制(EIC)密切相關(guān)，因此許多行業(yè)將其設計歸為一組。電氣涉及配電和布線系統(tǒng)。儀表是指用于狀態(tài)監(jiān)測的傳感器?？刂瓢ㄗ詣踊到y(tǒng)在物理設備上運行所需的硬件和編程，并擴展到可編程邏輯控制器(PLC)、人機界面(HMI)和工業(yè)自動化常用的其它組件。

　　智能化的EIC設計對于實現(xiàn)工業(yè)設備和過程的可靠而具有彈性的自動化是必不可少的，它涵蓋每個項目的方方面面。EIC產(chǎn)品選擇應考慮：

　　● 挑選能夠承受目標環(huán)境的產(chǎn)品，目標環(huán)境可能會遇到極端溫度、濕度、污染物、電噪聲和其它風險。

　　● 確保產(chǎn)品供應商對惡劣條件下的設備測試保持高度重視。

　　● 尋找相關(guān)的行業(yè)認證，并確保合規(guī)性。

　　● 選擇具有特定屬性或設計功能的設備：使其能夠在事故工況下表現(xiàn)出色。

　　自動化設計的可靠性邊際

　　設計人員通常需要確定設備可能會遇到的最壞運營環(huán)境。然而ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，選擇經(jīng)供應商測試能夠在預期的極端運行條件下正常工作的設備，可提供額外的可靠性裕度（圖1）。

　　根據(jù)設備類型、電壓等運營特性以及將適用的應用，有許多評級機構(gòu)提供第三方認證或標準。例如，為工業(yè)自動化選擇UL等級的設備，為船舶應用選擇ABS等級的設備，可提供更高的可靠性。

　　設計人員還可以選擇那些提供額外內(nèi)置保護的設備，以應對工業(yè)環(huán)境中所面臨的特定挑戰(zhàn)，其中一個主要挑戰(zhàn)就是電噪聲。標準單模PLC輸入/輸出(I/O)模塊，使用最簡單且成本最低的信號處理方法，但當附近有焊機、變壓器、發(fā)電機和變頻器等設備時，會產(chǎn)生大量的電噪聲信號，可能無法正常工作。選擇差分I/O模塊，可以消除這些高電磁干擾（EMI）環(huán)境線路上感應的任何電噪聲，從而保證信號精度（圖2）。

圖2：一些PLC產(chǎn)品提供差分I/O，其成本略高于標準單模I/O，但由于其消除了常見工業(yè)設備在I/O信號上產(chǎn)生的電噪聲，提高了可靠性。

　　只有在根據(jù)最佳實踐實施時，可靠產(chǎn)品才能提供強大的自動化系統(tǒng)。即使對于通用自動化，設計人員也應遵循國家電氣法規(guī)以及ANSI和ISA等標準，以確保滿足最低要求。

　　應用于特定區(qū)域的單獨設計實踐，可能無法提供最佳的整體可靠性。法規(guī)、標準和規(guī)范，通常只提出了最低的要求，以滿足基本的安全和性能需求。設計人員必須在微觀和宏觀兩個層面處理彈性問題。

　　可靠性、冗余和彈性

　　彈性系統(tǒng)是由可靠的產(chǎn)品來設計和構(gòu)建的，在某些情況下需要使用冗余配置。試圖利用可靠性低的部件來創(chuàng)建一個有彈性的系統(tǒng)是沒有意義的。即使設備提供了必要的可靠性，也需要可以提高系統(tǒng)彈性的設計、冗余和安裝的實踐。

　　冗余是復制系統(tǒng)部件以提高可靠性，它是一個關(guān)鍵策略，在EIC系統(tǒng)的每個部分都或多或少有所應用。然而ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，冗余會增加成本、設備和實施工作ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，而且對于較小的系統(tǒng)來說可能并不實用。

　　對于最關(guān)鍵的系統(tǒng)，電源可以由初級和次級電路供電，在其中一個電路故障時，可以自動或手動切換。雙回路還提高了人員維修電源的能力。

　　很多自動化系統(tǒng)，在控制面板等關(guān)鍵位置配置了不間斷電源(UPS)。如果上游電源出現(xiàn)故障，UPS可以為下游設備提供交流或直流電源。此外，在一定程度上，UPS可為下游設備提供電能質(zhì)量保證www.cechina.cn，并在出現(xiàn)問題時向控制系統(tǒng)發(fā)出報警信號，以便用戶做出響應。交流電涌保護，特別是對電源和儀器儀表導體的保護，使昂貴的電子設備免受公用電源浪涌或雷電事件的影響。

　　設備、電纜和連接器必須安裝在外殼和管道中，以提供機械保護、抗振性，甚至在某些情況下提供EMI和射頻(RF)屏蔽。對于低壓數(shù)字通信、信號線和電纜來說，EMI和RF是個大問題，因此在設計和安裝這些電路，必須與產(chǎn)生噪聲的電源電路保持一定的距離。玻璃纖維外殼可以保護設備免受這些影響，但如果鐵鋼外殼接地，則可為這些設備提供額外的EMI/RF保護。

　　在關(guān)鍵的測量位置，可以安裝兩臺儀器以實現(xiàn)冗余。有時儀器是相同的www.cechina.cn，但最好采用不同的技術(shù)。例如，一個重要的儲罐液位，初級測量可以采用超聲波變送器，次級測量則可采用浸入式變送器，并通過高低浮子開關(guān)提供額外的保護。

　　由于冗余所導致的費用和復雜性，很多中小型系統(tǒng)無法采用冗余的PLC。相反，將重點放在工業(yè)網(wǎng)絡上可能會更有成效，因為這些網(wǎng)絡更容易發(fā)生故障，它們往往延伸到受保護的控制柜之外，甚至更遠，并且通常在具有挑戰(zhàn)性的工廠環(huán)境中。

　　使用正確的設備，可以在自愈環(huán)形配置中設計網(wǎng)絡。環(huán)網(wǎng)由串聯(lián)的設備或設施組成，它可以承受單點故障，并在出現(xiàn)問題時通知運行人員。這樣就可以在發(fā)生二次故障之前解決問題，避免因故障可能導致的整個網(wǎng)絡癱瘓。

　　雖然無線網(wǎng)絡可能不被認為比有線解決方案更可靠，但Wi-Fi作為備用網(wǎng)絡連接時可以提高可靠性，使擁有移動設備的用戶能夠訪問設備，而無需打開控制面板或進行物理連接。

　　提升工業(yè)自動化彈性的正確解決方案對于每個應用都是不同的，但選擇產(chǎn)品的策略和設計方法是相同的。今天的設計人員在為每個項目創(chuàng)造正確的平衡時，有大量的設備和技術(shù)可以選擇。

　　隨著設備和系統(tǒng)的規(guī)模、復雜性和關(guān)鍵性的增加，制造企業(yè)有更多的機會投資于更先進的電氣、儀表和控制產(chǎn)品和設計實踐，以提供更高水平的系統(tǒng)彈性。在這些層面上的冗余是實現(xiàn)改善彈性的主要方式。特別是，近年來，提供冗余網(wǎng)絡和人機界面的技術(shù)已經(jīng)得到改善，可以以較低的成本提供更好的彈性。（作者：BillDehner）