图1 具有15in或19in的模块式Open-HMI系统
Panel-PC系列操作台是一种模块式结构且易于维护保养,适合于在易燃易爆危险场合使用的操作台。其最大的特点是:操作台本身可以在易燃易爆危险场合中进行维护保养。这样一来,经过一定技术培训后,其可为用户提供自身对操作台进行维护保养与更换模块式零部件的可能性,有效缩短了生产停顿的时间。
R.Stahl公司研发生产的Panel-PC系列是一种模块式操作台。长期以来,一旦此类图形图像操作和监控系统出现故障,只能整个更换或是进行维修,而维修必定会占用宝贵的时间。
由R.Stahl公司研发生产的Open HMI(Human机床用控制电路板)操作控制台则相反(图1),其本身就允许在有易燃易爆危险的场合中进行现场维修,这样可以令生产停顿和设备停机的时间缩短,最短只需1min。由于大多数情况下的操作控制台维修都只是更换一块模块化设计的操作控制台部件,这些部件的更换完全可以由受过短期培训的用户维修人员来完成。对于大部分工作在易燃易爆危险范围内的生产设备来讲,这种操作控制台提供了一种经济的HMI技术解决方案。
基于PC的工业用操作控制台
这种基于PC的操作控制系统既可作为单独的操作监控系统使用,也可作为工业企业设备电气控制系统的一部分安装在控制台(板)中使用。这一系列的操作控制台结构坚固、适合于在有振动、温度差异很大,以及有电磁干扰的恶劣环境中工作,其能满足用户对自动化技术提出的高要求。该系列产品的名称表示了一个开放式的平台,也是这一系统的一大特征:操作系统可以是精简版的Windows XP Emnedded或Windows Professional,也可以是Unix及Linux系统。
HMI系统的典型应用领域主要是石油及天然气工业,它们承担着资源勘察、油气传送、油气加工与装卸等任务的操作和控制。而恰恰在这些应用中,有些场合气候环境非常恶劣,有些场合要求操作控制台的寿命很长,有些场合温度变化无常,这些都对工作在当地的操作控制仪器设备提出了高要求。在机床设备制造业中,也可利用到基于PC的HMI技术,例如在离心机、混合搅拌机、压缩机、喷漆设备及喷漆生产线中等。其中关键领域是化工和医药产品生产领域,在现场就地操作和批次生产中就需要这样的操作控制台,既可满足给定的质量要求,也能耐稀释剂腐蚀,在超净室中使用,可满足GMP药品生产质量管理规范要求的操作和控制仪器设备。
易于维护保养是先决条件
在上文提及的应用领域中,利于维护保养的HMI系统设计对发展有着非常重要的意义。由于安装着现代化操作和控制系统的工业计算机本身就含有一些易损部件,这些电子元器件在工业设备多年的使用寿命周期内必须保证准确无误的工作。经验告诉我们:计算机的硬盘往往是一个容易“失效”的部件。在对操作控制台进行维修时,还应保证不会造成对其他元器件的损伤。遗憾的是:受到易燃易爆安全保护的HMI系统往往无法做到这点。
图2 在易燃易爆危险场合中工作的Panel-PC采用了一个USB 2.0接口的闪存盘
市场上许多工作在易燃易爆安全Ex m级中的HMI系统在出现故障后只有一种解决办法:扔掉整个仪器。对仪器中的某个部件进行修理从原理上来讲是根本不可能的。广泛使用的防爆措施是在仪器外壳中填充粉末沙进行防爆,即满足Ex q防爆等级要求的防爆方式。这样的仪器设备只允许由生产厂家进行维修。由于填充的防爆粉末具有特殊的吸湿性,因此并不是在任何情况下都能现场维修。只允许在特定的环境中打开操作控制仪器的外壳,进行维修后再填充入新的干燥粉末。
因此,此时模块化设计就成了能够现场维修的先决条件。安全防爆可以通过耐压的仪器外壳来实现。但在实践中这种耐压外壳并不实际:由于防爆等级越高,潜在的爆燃危险也就越大,要求的耐压外壳也就越厚。在防爆等级达到Ex d时,若只依靠耐压外壳进行防爆,则一个15in的HMI系统其重量将超过30kg。
R.Stahl公司研发设计的操作控制台则显得非常轻巧且易于维护保养,其重量只有纯耐压方式的一半,是耐压外壳的良好替代方案。在仪器内部,整体系统由各自独立且具有不同防爆等级的模块组成,少数几个模块为Ex m级(反向浇铸)。部分元器件,例如CPU微处理器和电源的防爆等级则达到了Ex d,连接电路板防爆等级是Ex e或Ex i。此结构设计允许操作控制仪器在易燃易爆危险区域内就地打开外壳,许多部件允许现场更换。为此,该仪器使用了安全防爆等级为Ex e级的接线盒,典型的易损件都在整个盒子里。其利用存储容量为8G的USB 2.0闪存盘,可将PC中的一号故障源硬盘彻底更换出去(图2)。在占据空间较大的场合,可使用60G的SATA硬盘。如果它出现了故障,可以快速更换一个新的硬盘进行补充。
运算能力高且电力消耗低
防爆型Panel-PC系列的核心部件是一块频率为1.6GHz的Pentium微处理器。在耗能不多的条件下,这种英特尔微处理器具有很强的运算性能。由于其消耗的能源不多,因此完全可以放弃芯片专用风扇,从而又显著降低微处理器出现故障的可能性。Pentium M芯片无需维修,具有长期使用寿命。
本文介绍的操作控制台系统可以安装精简版的Windows XP Embedded、Windows Professional SP2、Unix活Linux操作系统;还可以按照用户想法来安装标准应用程序,例如西门子Win CC flexible或Rockwell RS View。系统的启动时间不超过40s。Bios已经配置完毕并已写保护;Open HMI系统分区也具有防病毒、防蠕虫和防系统侵入保护。利用Crash-Recovery USB闪盘,用户可以很方便地进行数据备份和数据修复,对系统进行特殊配置。Open-HMI系统是一种多语言系统,其可以使用的语言种类多达25种。其触摸屏能够顺利地支持世界上150余种不同语言的Windows登录界面(图3)。
图3 在中国、日本、俄罗斯及阿拉伯国家皆可使用这种易于维修保养的HMI系统,其支持25种不同的语言,触摸屏有150余种不同的显示方式
国际应用的许可
借助于其获得的一系列国际应用许可证,Panel-PC防爆系列操作控制系统能够在世界各地使用。根据不同的防爆等级Ex Zone,系统可以采用不同认证等级的模块进行配置。其Exicom变型品种无需特殊认证的外壳可在有粉尘防爆和气体防爆要求的使用场合中使用。所获得的安全防爆认证标记有Atex II 2(2) G Ex d e mb ib [ib][op is]IIC T4或Atex II 2(2) D Ex tD A21 IP65 T90℃。对于Pro Vicom型的操作控制台,其获得的防爆安全认证有Atex II 3(2) G Ex nA nL [ib] IIC T4或Atex II 3 D IP65 T90℃。Exicom除获得DNV船用认证许可外,还获得了Inmetro和Gost-R认证许可,还获得了IEC Ex、KTL、TIIS(正在进行之中)和UL Class 1,以及Zone 1 AEx d e ib [ib] IIC T4认证证书。
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