让采石场产量实现指数式增长的秘诀
本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2016年7月刊杂志，原标题为：全集成自动化让采石场产量倍增
现代化改造的计划让一家采石场的产量翻倍、成本降低，这一切是通过使用自动化技术以及可以对一个公司的所有控制组件进行编程的通用编程软件来实现的。简单的编程和设置节省了时间、满足了用户的要求。
面对其历史上最大的一个项目竞标，美国北加利福尼亚州的采石场Canyon Rock公司采用一家系统集成商和通用编程软件来满足项目最后期限的要求，通过可重用性代码、简化培训、以及能够诊断设备故障的功能，节省了大量编程时间。该公司知道成功依赖于对其运营进行重大的改变并且要快速改变，这要靠使用自动化以及可以在项目的后续阶段中复制成功的编程软件。它必须将产量翻倍才能满足其刚刚赢得的投标的要求。
认识到要如此显著地提高产能，需要大规模的现代化改造，该公司转而采用其长期合作的自动化经销商来完成。Canyon Rock 公司生产集料和混凝土。采石场已经帮助建立了该地区的基础，提供优质的岩石、混凝土混合物、并为Sonoma县及其周边地区提供沙子超过40年。它提供的岩石用于周围的道路、钢轨底座、飞机跑道、储存、公园以及学校里。
该公司一直不断在其生产中运用先进技术，升级其设施和设备，谋求可持续性并且要成为保护生态环境的好邻居。通过保持其机器的性能一直都在当前的排放规定之上，并且每年在采石场的再生区域种树，来将其碳排放量控制在最低。在1975年，该公司是当地第一家回收混凝土和沥青的集料生产商。
现代化改造包括Profinet通讯以及西门子Simatic S7-1200 PLC、电机启动器、以及变频器。西门子解决方案供应商Serra熟悉其全球技术支持和服务以及全集成自动化（TIA Portal）软件，该软件可以用来对所有的西门子自动化产品进行编程。本文图片来源：西门子
Canyon Rock公司刚刚中标的一个新项目对其生产效率带来了新的挑战。最近发生了领导层的变动，该公司的中层从一代人过渡到了另一代人。之前的管理层对传统的技术感到满意；当前的管理层认识到应用最先进的技术所带来的好处，并且很难忽视扩张和对生产实行自动化的好处。
特别的是该公司通过使用很大比例的传送带（而不是装载机）来将材料从一个地方搬运到另一个地方，以寻求将噪声污染控制在最低。通过采用精细的控制器、电机启动器以及变频器来实现材料管理工作的自动化，Canyon Rock可以继续减少其碳排放并减少燃料成本，同时显著提高了吞吐量。
通过增加传送带的数量，Canyon Rock的现代化改造计划将噪音污染降到最低。采用的西门子产品包括S7-1200 PLC、TP1500 Simatic HMI 舒适面板、配有3RW40 软启动的3RA1及3RA61电机启动器、Simocode 专业电机管理、G120 变频器以及TIA Portal编程软件等产品。
使用标准组件会让变频器的调试过程很快。为PLC、变频器、甚至是HMI开发的标准代码库都可以在TIAPortal上复用，会压缩设计周期和安装周期。第二阶段的功能工作正常是因为它们已经在第一阶段经过测试和应用了。TIAPortal编程软件会让生产变得灵活。
该公司必须履行中标项目合同所规定的义务，那是一项巨大的、耗费时间的工作。会出现两个急迫的需求：
1.集料生产的产能要翻倍；
2.劳动力成本要降到最低。
要满足现代化改造和合同规定的要求，需要整合资源。作为开始，Canyon Rock 请求一家曾在大约40年前帮助其建造了最初工厂的创建于1955年的自动化经销商。当采石场对于一个交钥匙解决方案的需求变得很明显时，作为EandM公司的子公司的系统集成商Serra帮助其提供了一套经济有效的、适时的解决方案，致力于帮助Canyon Rock公司实现如下目标：
●满足合同的最后期限；
●将生产中断时间消除或控制在最低；
●提升生产制造的灵活性。
Serra公司采用了具有卓越信誉的、全球技术支持和服务的高质量自动化系统，并提供了可以用于来自相同公司的所有组件的通用编程软件。这种概念使用一个系统平台以及具有统一操作接口的工具提升了所有自动化组件的统一管理水平。这个精细的但是容易使用的软件套装帮助Canyon Rock在规定的截止日期之前达成目标，通过代码复用节省了编程时间，仅仅需要人员学习使用一种软件套装，就可以在任何设备的任何部位诊断并确定故障。
该项目的所有组件都可以使用TIA Portal软件进行编程，根据Canyon Rock和Serra提供的信息，这是项目能够实现各种目标的主要原因。调试工作控制在一周之内，如果没有TIA，Canyon Rock不能按时满足合同义务的要求。
由于时间是非常重要的因素，Canyon Rock及其经销商、系统集成商、以及自动化公司一起在为这个总值为32.8万美元的项目努力工作。该项工作预期在完成时要花费多达50万美元，从安装整个工厂范围的Profinet通讯网络开始，并整合了多条产品线，包括可编程逻辑控制器（PLC）、进行全厂监控和控制的19英寸人机界面（HMI）、具有软启动和电机管理功能的两种电机启动器、变频器、各种输入输出（I/O）设备、指示装置、制动器、接线端子、以及通用编程软件。
速度是势在必行的。“我们面临着难以置信的快速调试。”Serra的工程经理Grant Schulz解释道。“在开始的时候我们落后于进度计划。我们已经为采石场制作了基本的电机启动器操作面板，并没有基于PLC的自动化。在过去，简单的电机启动器对于满足生产已经足够了。目前的管理层对于自动化和科技的强烈信念给了我们引入最先进的控制和系统的良机。”。
通常对于这样规模的项目，每个阶段的调试都会需要4到6周，不过对于这项任务Canyon Rock只有一周的时间来完成合同中的条款。如果不能在规定的时间范围内交货，该公司会面临巨大的罚金。而且，改造完成的前提条件是对现有生产造成的停机要很少或者完全没有。
“我们需要一种方式赶上进度。”Schulz说道，通用编程软件能够提供帮助，因为一家自动化供应商提供的所有产品都可以使用一款软件套装来进行编程。“传统的方式会需要3到4个软件工具以及3到4个诊断工具才能完成同样的任务。TIA为我们提供的效率使我们以其他诊断工具所无法比拟的速度推进系统运行。” 他又补充道。
所有的项目组件都可以使用同一款关键套装来编程，这种功能是Canyon Rock 和Serra公司都认识到的使项目达成各个目标的主要原因。仅仅靠一套软件套装， “我们就能够在一周之内调试每个设备。” Schulz讲到， “如果没有通用的编程软件，我们不会完成的那么快。”
西门子的TIAPortal编程软件为现代化改造涉及的西门子产品进行编程，包括HMI。传统的做法会需要多个软件和诊断工具。
使用分阶段的方法也有助于顺利完成改造的过程。在物料从集料移动到沙子的过程中，都跟随物料的综合流程，系统集成商Serra将工作分成覆盖5个区域的不同阶段：
●筛出粗块或者去除可见的裸露石块，然后装载到系统中；
●石块粉碎；
●第2次筛选，其中包含了将集料按照不同尺寸分类；
●第3次筛选，或者再次筛选，这次将更细小尺寸的颗粒分开；
●冲洗设备。
分阶段方法的成功促进了Profinet的大规模应用。“在这个项目之前，该工厂没有网络，”Schulz指出。“当我们一旦在整个工厂内铺设了主干网，并将所有设备组件都连接到同一个网络上，PLC就可以与HMI对话，HMI可以与变频器和电机监控设备对话。”
面临着要在现代化改造整个过程中保持工厂所有区域的生产继续运行，Serra的人员一次升级一个区域或一个流程。“当做好一个后，我们再继续进行下一个，”Schulz说道，“这样可以将影响控制在最低。在我们升级整个工厂的同时，生产仍在继续进行。”
“实际上，每个阶段都会用到相同的元素，”他解释道。一旦第一阶段完成，工作的最大的一份已经完成。为PLC、变频器、甚至是HMI开发的标准代码库全部都可以通过通用编程软件重复使用。这会“让我们压缩设计周期和安装周期。我们知道第二阶段的功能会正常工作，因为在第一阶段中我们就对其进行了测试和应用。” Schulz补充道，编程软件让生产变得灵活。
第一阶段花费了4.5个月的时间来完成。第四阶段至少比第一阶段规模大30%，但包括调试在内只花费一个月。“速度随着经验的增加而提高，”Schulz讲道，“HMI编程比PLC编程更快；由于后续的标准组件重复使用，变频器的调试过程也比以前的组件更快。”
现代化改造计划于2013年2月开始，于2015年初完成。在总共五个阶段的第四个阶段中，Canyon Rock已经将产量翻倍。比原来预想的产能多了150%；每天的总产量从4000吨跃升至10000吨。
其他好处包括通过在工厂范围内部署了Profinet，减少了项目所需要的接线工作量。“取代了传统的在PLC与一台变频器之间铺设6根电缆，我们使用1根Profinet电缆，”Schulz解释道。
“整体的网络实现了Canyon Rock期望和需要的自动化水平。并且得益于网络连接，采石场现在可以做其他的事情。目前，我们正在将一些非传统的设备整合在网络中，来提供之前由手动控制实现的远程访问工厂的功能。”
持续进行的努力是未来获取更大进步的有力保障。“该计划中我们从五个主要阶段出发，”Schulz讲到。“在这个过程中，我们收获了6到12个额外的小项目，这些项目将单个的功能或者更小的控制岛带入一个更大的场景。”
Serra、以及Canyon Rock公司全部表达了对现代化改造结果、自动化产品的性能、规程以及系统的满意。“如果你打开我们为Canyon Rock制造的柜体中的任意一个，与接线电缆槽不同，接线、螺母和螺栓，每一样东西都来自于同一个自动化公司。”Schulz讲到。
“有了Profinet，我只要插入一个组件，它就会工作。我不需要对它进行故障诊断。我不需要担心它。我一开始就知道它会工作正常。”Schulz补充道。
作者：Keith Moreland