发表于：2005/5/8 23:48:00
#0楼
许多老设备上的自动控制系统一直运行的很好，虽然这些系统早已过了它们的全盛时期。同当前的新技术相比，它们的技术水平已经落后了好几代。但是如果这些系统、设备尚未损坏，你怎样才能知道什么时候应该对它们进行修整以便提高其运行效率和安全性呢？
许多机器上的控制系统和硬件设备已经运行了十年、二十年甚至更长的时间，它们早已过了可以通过更换部件这种费效比最高的方式进行改造的阶段，也早已经不方便整个更换系统，而且这些自动化系统的供应商也不得不花费特别的精力来支持这些仍然在使用的过时的产品。但是在很多情况下，功能够用就可以了，没必要刻意的追求先进技术。由于这些控制系统中的许多部件已经变得老旧，而且现在有很多新技术可以提高设备的生产效率，因此升级控制系统就成为一个安全并且比较实用的改造途径。
你一定会有疑问，值得对这些老旧的系统进行改造吗？如果经过改造你可以使故障率减少一半，而作业流程时间（cycletime）减少75％，只花费相当于新系统10％的费用就使老系统恢复活力或是节省一万美元，你是否会认为这很值得？请看下面的5个改造范例和关于安全的建议。
旋转轴的误差减少一半
Stellex Monitor Aerospace公司对他们在Cincinnati Milacron工厂龙门铣床上的计算机数控系统实施改造。10套龙门铣床中的5套已经完成了系统改造。这些铣床是1978年制造的，用于生产钛材质和铝材质的航空航天零件，例如支柱、起落架、舱壁隔板等。西门子公司机床部门为这次改造提供总承包服务。
这些铣床最早装备的是Acramatic“Big Blue”自动控制系统，现在安装了西门子公司的数字化伺服电动机与驱动系统。西门子的Sinumerik 840D计算机数控系统采用微软公司的Windows XP操作平台，具有三维空间的五轴刀具补偿和五轴实时运动变换能力。Stellex公司的副总经理Gary Kahrau认为，改造后缩短了龙门铣床的设置时间，提高了所加工部件的表面光洁度，减少了二次加工操作，总的生产效率获得显著提高。
除了翻新改造工作，西门子公司还提供机械工程分析服务，它包括：
1）采集机械设备的实时的关键运行数据；
2） 建立计算机数控系统和伺服驱动设备的优化参数；
3） 验证优化后的设备运行性能。
Kahrau介绍说：伺服分析、球杆测试、加速/减速测试、建立双向补偿以及其他原则对于改造的效果至关重要。
“我们的龙门铣床现在的机械精度甚至比这些铣床新的时候还要好，五轴龙门架也从来没有像现在这样运行良好，旋转轴的误差减少了一半”，Kahrau这样说。
改造后的车床生产更多的马达
Baldor Electric公司运用自己所拥有的伺服/运动设备对车床进行翻新改造，提高了车床设备的生产能力和功能。Baldor的马达产品经理John Mazurkiewicz介绍说：公司喜欢数控机床，因为老式的专用液压机床速度慢，不容易设置，很难更换磨损了的工具机件。从一个长度段转换到另一个长度段也很费时间。
由于一台新的计算机数控机床需要花费十万美元或更多，Baldor把目光转向改造老的Acme Gridley车床，它们已经被放在仓库里很久了，几乎要被当作废物处理掉。Baldor用新的电子控制系统和滚珠螺杆替换了老的液压部件，使老式机床获得了所需的调节能力，可以切削加工的零件范围达到了从2.6英寸到12.0英寸。比起购买新车床，每台设备节约了超过3万美元。
Mazurkiewicz说：“现在这种车床可以在几秒钟内完成从一个零件到下一个零件的转换。不需要编辑G-Code程序，因为这些软件程序都已经被编辑好并且组态成可以通过屏幕菜单进行选择”。
“操作人员只需要在人机界面上选择相应的设置选项，然后输入零件的长度、在轴杆上的开槽深度和速度就可以了。这些选项的选择都只需要按一个按钮就可以完成”，Mazurkiewicz解释说。“最好的安全保护措施就是使误差保持最小，我们可以通过用计算机软件程序限制每一个输入值的范围来实现这一点。举一个例子，偏小或者偏大的长度输入值不会被系统接受，过快的转轴速度也不会被系统接受，输入的开槽深度的偏差数值会被限制在一定的范围内。翻新改造后的机床的作业流程时间加快了4倍，从原来的30~35秒提高到现在的8~8.5秒”。
花费仅相当于购买新机器的10％
对于半导体工业，翻新改造的花费仅相当于购买新系统的10％。根据Micro Processing Technology Inc. (MPT)总裁P.C. Lindsey的说法，代替原来的控制系统，用户得到了一个基于个人计算机的新的控制系统。它通过更换内部的板卡可以很容易的升级到新的PC平台，而不必改动外壳，这样它就永远不会变得落后。控制系统的编程语言是NI公司的LabView，采用紧凑的FPGA(现场可编程门阵列)远程I/O。“这使我们不必设计特殊的电子回路就能进行直接的实时控制，它还简化了系统接线，不需要专门定制的PC接口卡件”，Lindsey说。
MPT和Analogee公司一起进行了一个翻新改造项目。这次改造的工艺设备是System One 去光阻机，最初由Matrix Integrated Systems Inc.公司（MISI）制造。MISI现在已经不再经营这种产品，但是有数百套这种系统仍然在正常使用。它的计算机控制和监视系统需要8个模拟量输入通道，5个模拟量输出通道，73个数字量输入/输出通道，还需要一个RS-232接口。在改造中MPT使用了3个NI公司生产的数据采集和控制卡板，Analogee公司设计了一个PC卡并且改变了系统接线。MPT用LabView语言编写系统软件，Analogee公司的人员负责测试现有的执行器和传感器。
Lindsey说：“已经有20套经过控制系统改造的设备在运行，其中有几套已经运行了超过两年。已经安装的这种改造套件每套售价4万美元。使这些系统陈旧过时的最主要的原因之一是其控制系统所需要的零部件已经停产。一个比较可行并且价格合理的选择就是翻新改造它的控制系统”。
改造加速进行
有时候，改造的要求只不过来自短短一英寸的包装纸。
Plus Mark是美国礼品公司专门生产节日礼品包装纸的分公司。他们有一些已经使用了30年的老机器，经过翻新改造以后像最新型的机器一样运行的非常好，速度很快，切割和卷轴的精度很高。由于精度不高，Plus Mark以前平均为每个纸盒多切割2.2英寸礼品包装纸。由于公司每年生产超过7千万份的礼品包装纸，因此Plus Mark每年要损失1.5亿英寸礼品包装纸，这些纸足够从洛杉矶铺到纽约。每小时都要进行的人工检查也带来了很多浪费。
对于长度较短的纸卷，操作人员通过一个比例无极变速装置（PIV）来选择长度。对于长度较长的纸卷，操作人员运用一个计数器、离合器和刹车装置来选择长度。系统允许选择的长度值只能以一英寸为最小值增加，精度随温度变化和离合器、刹车装置磨损程度的不同而改变。为了降低成本、减少停车时间，Plus Mark不得不改造老设备或者购买新设备。Plus Mark的工艺工程师Tom Dubois介绍说：“竞争对手公司刚刚购买了新设备。”
系统集成商Automation Insights公司的总裁Jim Jones以仅相当于购买新设备10％的费用设计和实施了Plus Mark的翻新改造。新的控制系统可以测量每个纸卷的长度并给操作人员提供一个数字的读数，系统允许选择的长度值能以0.1英寸为最小值增加。Automation Insights公司采用GE生产的Fanuc系列90-30可编程逻辑控制器对所有的回路（位置回路、速度回路、力矩回路）进行闭环控制。
老系统每两周需要重新上紧链条，每年需要更换或是大修PIV变速箱。Plus Mark的总机械师Danny Garber总结说：“新系统大大减少了维护工作量，只需要简单的清洁就可以了。总的来说，系统的切割精度提高了70％，切割系统的维护费用减少为原来的一半，开工时间增加了约40％。我们现在运行得比采用新机器还要快”。
价格昂贵的配件
Daimler Chrysler的财务经理Jeff Buehler认为，当购买零配件的费用比翻新改造控制系统还要高昂时，就只有翻新改造一个解决途径了。Bosch Rexroth 是一家控制系统公司，致力于设计和发展各种功能的控制系统组件，用来替换应用在许多机器设备上的常见的老式控制设备，以便解除用户对于改造控制系统时带来的系统集成问题的担心。Buehler认为Bosch Rexroth 的TK1成套升级包虽然还没有达到即插即用的水平，但是也已经相差不远了。它只需要很少的编程工作即可完成设置，能够在48小时内完成。同更换现有的Trans01、DCS或MAC马达相比，这个成套升级包可以节省约一万美元。
虽然这是一个好处明显的解决方案，但是为了实际证明这种改造模式可行，Buehler在印地安那州的Daimler Chrysler公司Powertrain工厂里免费安装了第一套这种系统，该系统用于控制一台在平面上开槽的水平钻床。这台钻床从2004年4月完成改造直到现在一直运转正常，它的操作员和维护人员仅仅接受了约一个小时的新系统培训。
“仅仅在底特律地区就有大约1万套Bosch Rexroth在70～80年代生产的Trans01控制系统，该系统采用Rexroth Indramat 6502处理器。”Buehler说道，“我们对用户解释说，更换零配件的费用一直在增加，这意味着维护和修理费用将不断增加，而且这些设备都是已经过时的非主流产品，因此更换零配件的费用将会变得非常昂贵。”
Trans200系统于2004年正式推出，可以控制铣床、钻床和车床。这个成套升级包提高了设备的通讯能力、自诊断能力、操作宽容度和重复性，缩短了设备的循环周期。Trans200的升级选项包括附加的位置编码器、探头、自适应的深度定位、自适应的进料定位能力、工具校正程序和针对个人计算机的以太网数据通信接口。
Buehler说：“在TK1成套升级包中，我们采用的都是成熟的、实践证明可靠的部件，把他们安装在与老设备安装方式相同的框架中，用户不需要像通常的改造一样花费很多精力和时间在安装和改造现有硬件上。”
作者:Mark T. Hoske, CONTROL ENGINEERING主编
许多机器上的控制系统和硬件设备已经运行了十年、二十年甚至更长的时间，它们早已过了可以通过更换部件这种费效比最高的方式进行改造的阶段，也早已经不方便整个更换系统，而且这些自动化系统的供应商也不得不花费特别的精力来支持这些仍然在使用的过时的产品。但是在很多情况下，功能够用就可以了，没必要刻意的追求先进技术。由于这些控制系统中的许多部件已经变得老旧，而且现在有很多新技术可以提高设备的生产效率，因此升级控制系统就成为一个安全并且比较实用的改造途径。
你一定会有疑问，值得对这些老旧的系统进行改造吗？如果经过改造你可以使故障率减少一半，而作业流程时间（cycletime）减少75％，只花费相当于新系统10％的费用就使老系统恢复活力或是节省一万美元，你是否会认为这很值得？请看下面的5个改造范例和关于安全的建议。
旋转轴的误差减少一半
Stellex Monitor Aerospace公司对他们在Cincinnati Milacron工厂龙门铣床上的计算机数控系统实施改造。10套龙门铣床中的5套已经完成了系统改造。这些铣床是1978年制造的，用于生产钛材质和铝材质的航空航天零件，例如支柱、起落架、舱壁隔板等。西门子公司机床部门为这次改造提供总承包服务。
这些铣床最早装备的是Acramatic“Big Blue”自动控制系统，现在安装了西门子公司的数字化伺服电动机与驱动系统。西门子的Sinumerik 840D计算机数控系统采用微软公司的Windows XP操作平台，具有三维空间的五轴刀具补偿和五轴实时运动变换能力。Stellex公司的副总经理Gary Kahrau认为，改造后缩短了龙门铣床的设置时间，提高了所加工部件的表面光洁度，减少了二次加工操作，总的生产效率获得显著提高。
除了翻新改造工作，西门子公司还提供机械工程分析服务，它包括：
1）采集机械设备的实时的关键运行数据；
2） 建立计算机数控系统和伺服驱动设备的优化参数；
3） 验证优化后的设备运行性能。
Kahrau介绍说：伺服分析、球杆测试、加速/减速测试、建立双向补偿以及其他原则对于改造的效果至关重要。
“我们的龙门铣床现在的机械精度甚至比这些铣床新的时候还要好，五轴龙门架也从来没有像现在这样运行良好，旋转轴的误差减少了一半”，Kahrau这样说。
改造后的车床生产更多的马达
Baldor Electric公司运用自己所拥有的伺服/运动设备对车床进行翻新改造，提高了车床设备的生产能力和功能。Baldor的马达产品经理John Mazurkiewicz介绍说：公司喜欢数控机床，因为老式的专用液压机床速度慢，不容易设置，很难更换磨损了的工具机件。从一个长度段转换到另一个长度段也很费时间。
由于一台新的计算机数控机床需要花费十万美元或更多，Baldor把目光转向改造老的Acme Gridley车床，它们已经被放在仓库里很久了，几乎要被当作废物处理掉。Baldor用新的电子控制系统和滚珠螺杆替换了老的液压部件，使老式机床获得了所需的调节能力，可以切削加工的零件范围达到了从2.6英寸到12.0英寸。比起购买新车床，每台设备节约了超过3万美元。
Mazurkiewicz说：“现在这种车床可以在几秒钟内完成从一个零件到下一个零件的转换。不需要编辑G-Code程序，因为这些软件程序都已经被编辑好并且组态成可以通过屏幕菜单进行选择”。
“操作人员只需要在人机界面上选择相应的设置选项，然后输入零件的长度、在轴杆上的开槽深度和速度就可以了。这些选项的选择都只需要按一个按钮就可以完成”，Mazurkiewicz解释说。“最好的安全保护措施就是使误差保持最小，我们可以通过用计算机软件程序限制每一个输入值的范围来实现这一点。举一个例子，偏小或者偏大的长度输入值不会被系统接受，过快的转轴速度也不会被系统接受，输入的开槽深度的偏差数值会被限制在一定的范围内。翻新改造后的机床的作业流程时间加快了4倍，从原来的30~35秒提高到现在的8~8.5秒”。
花费仅相当于购买新机器的10％
对于半导体工业，翻新改造的花费仅相当于购买新系统的10％。根据Micro Processing Technology Inc. (MPT)总裁P.C. Lindsey的说法，代替原来的控制系统，用户得到了一个基于个人计算机的新的控制系统。它通过更换内部的板卡可以很容易的升级到新的PC平台，而不必改动外壳，这样它就永远不会变得落后。控制系统的编程语言是NI公司的LabView，采用紧凑的FPGA(现场可编程门阵列)远程I/O。“这使我们不必设计特殊的电子回路就能进行直接的实时控制，它还简化了系统接线，不需要专门定制的PC接口卡件”，Lindsey说。
MPT和Analogee公司一起进行了一个翻新改造项目。这次改造的工艺设备是System One 去光阻机，最初由Matrix Integrated Systems Inc.公司（MISI）制造。MISI现在已经不再经营这种产品，但是有数百套这种系统仍然在正常使用。它的计算机控制和监视系统需要8个模拟量输入通道，5个模拟量输出通道，73个数字量输入/输出通道，还需要一个RS-232接口。在改造中MPT使用了3个NI公司生产的数据采集和控制卡板，Analogee公司设计了一个PC卡并且改变了系统接线。MPT用LabView语言编写系统软件，Analogee公司的人员负责测试现有的执行器和传感器。
Lindsey说：“已经有20套经过控制系统改造的设备在运行，其中有几套已经运行了超过两年。已经安装的这种改造套件每套售价4万美元。使这些系统陈旧过时的最主要的原因之一是其控制系统所需要的零部件已经停产。一个比较可行并且价格合理的选择就是翻新改造它的控制系统”。
改造加速进行
有时候，改造的要求只不过来自短短一英寸的包装纸。
Plus Mark是美国礼品公司专门生产节日礼品包装纸的分公司。他们有一些已经使用了30年的老机器，经过翻新改造以后像最新型的机器一样运行的非常好，速度很快，切割和卷轴的精度很高。由于精度不高，Plus Mark以前平均为每个纸盒多切割2.2英寸礼品包装纸。由于公司每年生产超过7千万份的礼品包装纸，因此Plus Mark每年要损失1.5亿英寸礼品包装纸，这些纸足够从洛杉矶铺到纽约。每小时都要进行的人工检查也带来了很多浪费。
对于长度较短的纸卷，操作人员通过一个比例无极变速装置（PIV）来选择长度。对于长度较长的纸卷，操作人员运用一个计数器、离合器和刹车装置来选择长度。系统允许选择的长度值只能以一英寸为最小值增加，精度随温度变化和离合器、刹车装置磨损程度的不同而改变。为了降低成本、减少停车时间，Plus Mark不得不改造老设备或者购买新设备。Plus Mark的工艺工程师Tom Dubois介绍说：“竞争对手公司刚刚购买了新设备。”
系统集成商Automation Insights公司的总裁Jim Jones以仅相当于购买新设备10％的费用设计和实施了Plus Mark的翻新改造。新的控制系统可以测量每个纸卷的长度并给操作人员提供一个数字的读数，系统允许选择的长度值能以0.1英寸为最小值增加。Automation Insights公司采用GE生产的Fanuc系列90-30可编程逻辑控制器对所有的回路（位置回路、速度回路、力矩回路）进行闭环控制。
老系统每两周需要重新上紧链条，每年需要更换或是大修PIV变速箱。Plus Mark的总机械师Danny Garber总结说：“新系统大大减少了维护工作量，只需要简单的清洁就可以了。总的来说，系统的切割精度提高了70％，切割系统的维护费用减少为原来的一半，开工时间增加了约40％。我们现在运行得比采用新机器还要快”。
价格昂贵的配件
Daimler Chrysler的财务经理Jeff Buehler认为，当购买零配件的费用比翻新改造控制系统还要高昂时，就只有翻新改造一个解决途径了。Bosch Rexroth 是一家控制系统公司，致力于设计和发展各种功能的控制系统组件，用来替换应用在许多机器设备上的常见的老式控制设备，以便解除用户对于改造控制系统时带来的系统集成问题的担心。Buehler认为Bosch Rexroth 的TK1成套升级包虽然还没有达到即插即用的水平，但是也已经相差不远了。它只需要很少的编程工作即可完成设置，能够在48小时内完成。同更换现有的Trans01、DCS或MAC马达相比，这个成套升级包可以节省约一万美元。
虽然这是一个好处明显的解决方案，但是为了实际证明这种改造模式可行，Buehler在印地安那州的Daimler Chrysler公司Powertrain工厂里免费安装了第一套这种系统，该系统用于控制一台在平面上开槽的水平钻床。这台钻床从2004年4月完成改造直到现在一直运转正常，它的操作员和维护人员仅仅接受了约一个小时的新系统培训。
“仅仅在底特律地区就有大约1万套Bosch Rexroth在70～80年代生产的Trans01控制系统，该系统采用Rexroth Indramat 6502处理器。”Buehler说道，“我们对用户解释说，更换零配件的费用一直在增加，这意味着维护和修理费用将不断增加，而且这些设备都是已经过时的非主流产品，因此更换零配件的费用将会变得非常昂贵。”
Trans200系统于2004年正式推出，可以控制铣床、钻床和车床。这个成套升级包提高了设备的通讯能力、自诊断能力、操作宽容度和重复性，缩短了设备的循环周期。Trans200的升级选项包括附加的位置编码器、探头、自适应的深度定位、自适应的进料定位能力、工具校正程序和针对个人计算机的以太网数据通信接口。
Buehler说：“在TK1成套升级包中，我们采用的都是成熟的、实践证明可靠的部件，把他们安装在与老设备安装方式相同的框架中，用户不需要像通常的改造一样花费很多精力和时间在安装和改造现有硬件上。”
作者:Mark T. Hoske, CONTROL ENGINEERING主编
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