工业自动化与控制

工业 4.0 正在推动制造业的数字化和变革。通过将工业 4.0 模式与先进的分析、人工智能 (AI) 和工业物联网 (IIoT) 相结合,可以为各种工厂运营提供速度和精确度,提高生产率和可靠性。

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工业控制系统

工业控制系统 (ICS) 包括管理控制和数据采集 (SCADA) 系统、分布式控制系统 (DCS) 和其他紧凑的控制系统配置,如可编程逻辑控制器 (PLC)、智能电子设备 (IED)、远程终端单元 (RTU) 和其他现场设备。ICS 通过持续控制和监控每个工业过程并减少人工工作,提高了性能、安全性和可靠性。

简单的控制系统安装在面板上并部署在小型离散控制器上,允许直接查看前面板,必要时操作员可以手动干预。这些最初是气动控制器,但现在几乎都是电子控制器。这些电子控制器的网络使用工业标准协议进行通信,从而构建了复杂的系统。通过网络连接,可以使用远程或本地 SCADA 操作员接口,并能够对控制器进行级联和联锁。

DCS 是一种数字过程控制系统,它使用定制的处理器作为控制器,使用标准协议或专用互连进行通信。该过程涉及分散在整个系统的现场连接模块和控制器功能,采用集中控制,提供面向大型工业过程的管理和监督。

SCADA 是一种控制系统架构,使用计算机、图形用户界面 (GUI) 和网络数据通信来执行高级别的监督管理。SCADA 系统管理用于监控和发布过程命令的操作员界面。网络模块连接到其他外围设备,如执行逻辑计算和实时控制的离散 PID 控制器和可编程逻辑控制器。这些控制器与机械设备连接。

PLC 是一种紧凑的模块化设备,将多个输入和输出 (I/O) 放置在一个与处理器集成的外壳中。此设备范围可能上至大型机架安装的模块化设备,其中有数千个 I/O 与 SCADA 系统联网。ICS 内部的可编程逻辑控制器 (PLC) 充当了物理世界和网络世界之间的有用桥梁。ICS 和 PLC 扮演着重要角色,因此成为了复杂网络攻击的两个目标。这些袭击旨在扰乱它们的运作,造成社会动荡和经济损失。

几种通信协议可以在各种 ICS 环境中使用。大多数协议都为特定用途而设计,例如过程自动化、建筑自动化和电力系统自动化。ICS 协议通常包括过程现场总线 (PROFIBUS)、楼宇自动化和控制网络 (BACnet)、分布式网络协议 (DNP3)、Modbus、开放平台通信 (OPC)、控制自动化技术以太网 (EtherCAT) 和通用工业协议 (CIP)。

我们现在探讨的是把所有东西都放到网上。第四次工业革命(工业 4.0)- 一个融合了像服务互联网和物联网 (IoT) 这样的网络物理系统的术语 - 已经开始在原始设备制造商 (OEM)、资产所有者和系统集成商中找到越来越多的共鸣。在不久的将来,我们将看到一批 ICS 信息通过广域网路由到各个企业中的复杂应用程序,而在广域网中,通过隐匿来实现安全的机制不再能够提供有效的保护。在智能电网和智慧城市等项目中,ICS 将连接到互联网,这将放大来自恶意行为者的风险。

输入/输出接口

输入/输出或 I/O 接口是中央处理装置(比如 PLC)与输入和输入装置之间的交互。输入是指处理系统从数字输入装置(比如开关、继电器或接触器)接收到的信号或数据,来自各种传感器的模拟输入可以指示物理参数的状态,比如温度、压力等。输出是指处理系统发送给数字输出装置(比如指示器、灯、警报、继电器或接触器)和模拟输出装置(比如电机、阀和比例控制器等)的信号或数据。

每个 I/O 模块可以包含多达 32 个用于特定电压和电流属性的通道,可以基于机架,也可以是分布式的、独立的或可扩展的。传统上使用螺旋夹端子接线,但许多用户现在为了抗振动和简化接线而改用弹簧夹端子。

一些 I/O 模块具有特殊的特性,包括频率 (Hz)、电阻(欧姆)或电压 (mV)。集成电路温度检测器 (ICTD)、热电偶 (TC) 和电阻温度检测器 (RTD) 是专门的人工智能 (AI) 版本,因为它们经常用于提供高输入密度。一个模块中的所有通道在基本格式上通常是相似的,然而一些较新的系统混合了所有四种基本类型的模块,以适应离散输入和离散输出。

一些 I/O 系统供应商提供多功能 I/O 模块,在相应的终端接收相关信号,并利用以软件为中心的配置为每个模块创建特定的属性。

现代 I/O 系统使用开放以太网协议。其中一些 I/O 系统可以利用商用以太网供电 (PoE) 技术来操作远程 I/O 甚至电源循环。I/O 系统具有基于软件的配置,因为调节 I/O 模块以监控或控制系统通信链路是很重要的。有时需要一个通信适配器来验证 I/O 模块,以便与管理系统进行对话。

由于标准以太网可用于连接现代化 I/O 系统,而不限于主-从通信,因此新架构可以弥合传统有线和智能无线以及 I/O IIoT 之间的差距。这些系统可以将 I/O 控制与嵌入式 IT 技术配对,将远程从属节点转换为分布式数据节点。尽管智能现场设备和 IIoT 设备几乎无处不在,但新设备和旧有设备中仍然存在管理和指挥传统有线 I/O 点的需求。在老式系统中,它们将连接到由控制器控制的 I/O 系统。新的 I/O 系统更为灵活,简化了设计、安装和维护,节省了时间和金钱。

最新一代的 I/O 系统推动了这一趋势,通过以太网为对等系统、其他设备和软件系统提供了更强的连通性,而不局限于单个主机。这种新的 I/O 使创建完全具有 IIoT 能力的自动化系统成为可能。

连接

工业连接对于设备的无缝集成至关重要。为了在工业机器之间、工厂车间内、云和 IT 之间传输数据、电力和命令,工业自动化和控制高度依赖电缆和连接器。工业环境需要坚固、耐用和高性能的连接设计。它们必须耐油、耐高温,在拖链中始终有效。

布线是工业自动化的基础。工业控制环境中的通信协议布线有特殊的需求。电气机柜需要工业连接器、安装线、DIN 导轨、端子块和线路管理。传感器和螺线管需要 M8、方形或 M12 DIN 组件,并配有配电中心。由于以太网通信的日益普及,RJ45 和 M12-8 组件越来越多地出现在车间。甚至无线应用程序也需要线路来中断。

典型的电缆有导体、屏蔽、绝缘和外部夹套。非屏蔽双绞线 (UTP) 和屏蔽双绞线 (STP) 是工业环境中常用的两种电缆。由于屏蔽层可以保护电缆不受外部无线电和电力频率干扰,因此屏蔽电缆可以使信号平稳传输,但成本比非屏蔽电缆高。

热缩套管可保护电缆不受化学品和各种气候条件的影响。该多用途产品也适用于颜色编码、应力消除和捆绑。它还可以用于对分线、连接器到电缆过渡和后端连接器密封进行应力消除。热缩也可用作松散电线或电缆绑扎时的保护元件。

工业连接器在多种应用中至关重要,包括工厂车间环境、机械、采矿、地球物理勘探、发电/配电、农业设备等。重型连接器是一种可配置的通用解决方案。它们提供最高 IP 69k 级保护和 216 个触点,适合在恶劣环境中使用。额定电流范围为 10a 到 200a。M8/M12 连接器系统提供全面的连接器、IO 模块和电缆组件。

模块化结构的重型连接器 (HDC) 产品系列高度可配置且稳定,是机器人和自动化应用的理想选择。这样的安排可结合使用电力和现有的接口技术。护罩和外壳提供垂直和直角电缆方向以及 IP65 至 IP69k 的防护等级。

通信

工业通信系统是所有自动化系统架构的主干。它们提供了一个稳定的数据交换过程、灵活性和数据可控性,以连接多个设备,并在主要装置所在的苛刻环境中管理数据完整性和实时控制。因此,工业网络迎来了在数字控制器、大量自动化相关软件工具、现场设备和外部系统之间实现大量通信协议的浪潮。

通信协议描述了在设备之间交换消息所需的数字消息规则和格式。这些协议通过无线或有线通信通道执行,并集成到任何复杂的自动化系统中。大多数现代自动化系统使用具有不同协议类型的数字共享通信网络,如 RS-485、PROFIBUS、EtherCAT PROFINET、CAN 控制、以太网/IP、PowerLink、PROFINET、Modbus、Modbus™ TCP/IP 等。

传感器、各种控制器(PLC、HMI、DCS)和执行器是工业自动化中最低级别的现场设备。传感器传输诊断信息,控制器则计算这些条件控制信号并将其传输给执行器。工业控制器(如 PLC、计算机系统和分布式控制单元)组成了控制级别,并管理诸如配置自动化设备、加载所有过程变量数据和程序数据、管理控制、调整设置变量和历史存档等任务。

以太网是一种基于“主-从”主张的网络技术。有线网络安装在楼宇内的局部区域。控制级网络由包含 TCP/IP 协议的工业以太网组成,将控制单元链接到计算机。

局域网 (LAN) 作为通信网络得到了广泛的应用,以实现所需的特性。以太网数据将网络内部的各个层链接在一起。它的功能类似于物理层,规定了连接器类型、电子信号和信号速度。

以太网广域网 (WAN) 普遍用于工厂规划和管理信息交换。以太网 WAN 使用工业网关作为信息级网络。无线通信技术是灵活和高效的自动化解决方案的理想选择,可以避免布线的缺点和相关的硬连线连接。可以根据发射点和接收点之间的间隔考虑多种通信方法。例如,在距离较长的情况下使用 GSM 或 CDMA,在距离较短的情况下使用蓝牙、Wireless HART Zigbee 和 Wi-Fi。Wi-Fi 提供高带宽且便于与 Internet 协议 (IP) 网络集成。蓝牙可以满足广泛的吞吐量和功耗需求。蓝牙低能耗技术可以通过可靠的电池供电信号灯提供室内定位能力,这些信号灯可运行几个月到一年不等。

5G 网络是工业自动化基础设施的关键资产,预计制造业将朝着采用互联商品(具有通信功能的产品)、低能耗流程、协作机器人和集成制造物流的生产分布式组织的方向发展。终端用户实体系统位于网络结构顶端,利用 5G 网络实现端到端通信服务。这样的网络可在垂直结构内部与之间实现水平通信。

电源

工业电源网络在指定的限制范围内提供高可用性固定 24V 直流电源电压。输出电压由不同电源(包括交流和直流网络、单相和三相电源,高达 500V 交流)产生。

操作工业机械时需要各种电源,通常是将高压交流电转换为低压直流电,以便为可编程逻辑控制器、I/O 和 HMI 设备供电。商业应用电源和工业应用电源之间的区别在于任务关键型应用在 Class 1 Div 2(潜在的爆炸性环境)生产现场,甚至在温度范围极端(从 -40°C 到 +70°C)的环境中。

开关模式电源 (SMPS) 和线性电源是控制稳压直流电源的两种主要方法。高效、紧凑、轻便的 SMPS 的外形小巧轻便,通过集成的 ORing MOSFET 直接并联连接。他们通过半导体的高速开关将输入交流功率转换为高频功率。SMPS 提供了升级的功能,以提高机器的可靠性、电气安全,以及组件和辅助系统的并行冗余。除了这些因素之外,工业电源还可以为智能工厂和工业 4.0 计划的不断发展的工业数字化基础设施提供未来所需的能力。

交流-直流电源和直流-直流转换器提供尺寸、容量和形状等各不相同的多种格式。终端应用程序可能需要交流/直流和直流/直流或非隔离负载点转换器的组合,以支持不同的电源、电力系统和子系统的隔离需求,如控制电子、电池充电和通信端口。

交流电源和直流/直流转换器以开放式框架、PCB 安装、底板安装、底板冷却或封闭格式集成到终端设备中,或可能设计为适合特定应用。ZVS(零电压开关)和 ZCS(零电流开关)谐振拓扑和同步整流方法的发展可以减少热损耗并提高转换效率。

电源的选择必须考虑许多因素,如尺寸要求、集成过流、短路、过温保护以及在危险环境中运行时的功率因数校正。工业电源连接器旨在为恶劣、极端环境中的设备提供安全可靠的电源。可选择符合 UL、CSA、VDE 或 EN 标准的不同电源型号。

安全与保护

电路保护是任何工业装置的关键部分。必须符合国家规范,并且保护设备、工艺过程和人员免受任何可能造成损坏和安全问题的多余能量的影响。

可靠的保护装置可以维护和监控系统的环境,而不妨碍正常功能。集成保护电路提供了可靠、易于实施和高性能的解决方案,可以快速响应危险事件(如果发生)。这些电路结构紧凑、节能,能够确保长时间稳定地运行,这对于工业应用非常宝贵。

过流或任何异常情况,这些可能会很严重。其后果包括导体绝缘失效、设备损坏、火灾、人身伤害、触电和财产损失。当设备在超过满载额定值的情况下运行时,或导体在载流量过剩的情况下运行时,设备就会处于过载状态。持续过载可能导致导体和电路负载中危险的高温条件不断积累。断路器可以防止出现这种危险情况。

短路是指电流在相关较短时间内超过电路的满载额定电流的过流状态。这种故障状态是电流偏离其流动路径产生的结果。

在电气或电子电路中,保险丝是一个故意为之的“薄弱环节”。这些对电流敏感的器件可在过流或过载条件下为这些电路提供可靠的保护。在正常情况下,流经保险丝元件内部的电流小于或等于其额定电流。在任何故障情况下,流经保险丝元件的电流会迅速提高并断开电路。

正温度系数 (PTC) 过流保护装置对温升反应迅速。在正常情况下,它的电阻最小,因此对电路的实质冲击最小。PTC 设备在过流状态下会从一般的低电阻状态切换到高电阻状态,然后在过流状态后,设备会“复位”到正常的低电阻状态。

电涌是电气设备故障的主要原因。瞬态电涌描述的是电力流突然上升。瞬态电涌的来源有多个,最常见的是内部,如负载开关,甚至可能是正常的设备操作。电涌保护装置 (SPD) 与被保护的设备并联,因此在发生电涌期间,SPD 会在几纳秒的时间内降低其阻抗,从而导致冲击电流被分流。

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