低成本自動化及其在工業(yè)控制中應用

1、低成本自動化及其在工業(yè)控制中應用 作者：馬竹梧摘要：本文首先敘述低成本自動化的概念，系統(tǒng)構成、硬件、軟件和功能選擇原則，特別是先進功能的考慮方法和效益。最后敘述低成本自動化應用的例子。1.前言發(fā)展工業(yè)的傳統(tǒng)方法是投入一些資金以建設新廠或增加設備，增加原料投入和增加人力以達到增產目的，然而這種粗放經營的方式在工業(yè)生產中已證明其局限性，特別是在激烈的市場競爭中無論價格和質量部無法取勝。故從60年代開始，西方國家就開始對工業(yè)進行改造，特別是重工業(yè)和大型廠礦，除組織合理化以外，主要靠技術進步，即新設備、新工藝和自動化及計算機應用，而使各類工業(yè)飛速發(fā)展，且朝高產、優(yōu)質、多品種和節(jié)能降耗以及低成本方向發(fā)展

2、。由于自動化及計算機應用不僅節(jié)省人力，更重要的是把工異參數嚴格控制在規(guī)定值、監(jiān)控生產過程，甚至自尋最優(yōu)而使工藝過程優(yōu)化，達到高產、優(yōu)質、節(jié)能降耗和降低成本，而且能生產過去不能生產的產品，故自動化及計算機應用不僅是工業(yè)現代化的標志，而且是生產必需和關鍵的環(huán)節(jié)，因此世界各國都努力發(fā)展工業(yè)自動化。到目前為止，工業(yè)自動化已如圖1所示的我級計算機自動化系統(tǒng)，雖然大多數工業(yè)，特別是中小企業(yè)大都只裝備基礎自動化級和過程自動化級，但這種計算機集成制造（CIMS）結構已成為工業(yè)自動化的標準形式。在美、歐、日等發(fā)達國家，其大型企業(yè)和跨國公司大都實行CIM和CIP技術，然而這種方法需要大量資金，是一種高投資、高效益

3、但同時是高風險的發(fā)展模式，很難為大量的中小企業(yè)所采用，故運去這些中小企業(yè)，甚至一些大型企業(yè)往往只實行基礎自動化，然而實踐證明僅有基礎自動化雖然也收到一定效果，但仍然難以滿足生產要求，特別是過程自動化，其優(yōu)化、監(jiān)控、預報等功能更是必不可少和能取得重大經濟效益的重要環(huán)節(jié)，然而傳統(tǒng)的使用VAX型計算機甚至使用Alpha型小型機構成的過程自動化級，其昂貴的硬件和系統(tǒng)軟件以及應用軟件編程的費用也令人望而卻步。此外，為提高效率和取得重大經濟效益，中小企業(yè)也要裝備管理自動化級。就是只實行基礎自動化，對PLC或工控機也面臨：（1）要求降低成本；（2）增加靈活性；（3）增加診斷功能以提高可維護性；（4）縮短程序

4、開發(fā)時間和降低其費用，這就要求實現LCA（低成本自動化）系統(tǒng)。2.低成本自動化的概念什么是LCA（低成本自動化）？很難有確切的定義，但其本質上是針對中小企業(yè)或某些準大型企業(yè)，因為大型機組如鋼鐵工業(yè)的5000立方米高爐、300t轉爐、1900mm連鑄機、2050mm板帶熱連軋機和5000mm中厚板軋機等，雖然也要求價廉物美的自動化系統(tǒng)，但無論企業(yè)產值、效益，對自動化的要求及允許投資占總設備投資的百分數，對裝備完善的自動化系統(tǒng)是不會有問題的（當然，近年來這些機組也采用部分LCA技術了），此外也不能把什么都算低成本自動化或什么自動化都是低成本的，否則將會得出錯誤的概念而不利于實現低成本自動化。低成本

5、自動化廣義的概念是：（1）其投資可以達到或增加產量或改善質量、節(jié)能和降耗目的，并可使資金在1-2年內回收，一般占設備總投資的7-12；（2）低成本自動化必須是緊湊的、功能是必需的、可用性是良好的；（3）低成本自動化抽粗后，其功能投入率應在95以上；（4）低成本自動化必須是易維護的且維護費用是較低的，工作是可靠的，在線 率應在95以上；（5）低成本自動化的投入產出比應是顯著的，應為1：3-5若以投資在1-2年內回收，則設備壽命應為在5-8年；（6）低成本自動化投資應有個相對上限值，在新建廠礦應低于一般規(guī)定的占總設備總投資的百分比，對特殊項目應遠低于省市權限批準的資金范圍內。3.低成本自動化的范圍

6、低成本自動化的范圍原則上包括如圖1所示的全部功能，即ISO的CIMS標準六級功能，有人認為LCA應針對基礎自動化，這種觀點不僅是錯誤的而且是有害的，特別是新建廠礦，自動化項目的委托及內容往往由工藝人員或主管人員所決定，為節(jié)省投資而削減過程自動化，而導致甚至90年代末新建廠礦遠低于世界先進水平，且影響產品質量和成本。如上所述，過程自動化能實現優(yōu)化、監(jiān)控、預報等功能，是必不可少和能取得重大經濟效益的重要環(huán)節(jié)。濟鋼30立方米小高爐實現過程自動化，裝備監(jiān)控和多目標優(yōu)化和爐況綜合判斷功能而取得增效益234萬元的良好的經濟效益就是一例。國外對CIMS的發(fā)展，不僅大型企業(yè)適用，而且出現中小規(guī)模的CIMS，后

7、者就是LCA的范疇，不過裝備不同，功能稍弱而己，對這種觀點，國內不少持異議，然而美國DEC公司和UCE公司在十多年前就介紹了大、小兩種鋼鐵廠的CIMS，后者在CHAPARREL廠的實現支持了本文的觀點。特別是近年來，工控機的性能大大提高，無論內存、快速性和低價格以及支持軟件的低價都將為LCA的CIMS系統(tǒng)創(chuàng)造條件。4關于資金回收期的計算經濟效益和資金回收期計算對低成本自動化是一個重要問題，因為往往由于效益過高而被認為夸張而失去對自動化的信任。根據我們的經驗，比較準確的資金回收期計算使用下列公式是適宜的：其中，自動化系統(tǒng)基建投資包括設備費、安裝費和運雜志；年維護費應包括備件、材料等費用；維護人員

8、年創(chuàng)經濟效益可按工廠人均利潤計算。5低成本自動化的實現設計低成本自動化系統(tǒng)的本質是精打細算，從功能、系統(tǒng)結構、硬件、軟件、數學模型、經濟效益以及投入產出等各個方面綜合考慮來進行選擇，設計低成本自動化系統(tǒng)時，下列幾個問題是應重點考慮的：5.1 功能的決定由于功能影響系統(tǒng)結構、硬件和軟件規(guī)模，因而是影響系統(tǒng)投資的關鍵因素。往往認為要省錢就削減功能，僅僅設計某些參數檢測和控制就可以了，其實由于未能滿足生產要求，造成直接經濟損失比之增加自動化投資要大得多，許多自動化系統(tǒng)剛投產就要改造，到了21世紀還是一個很落后的系統(tǒng)而難以滿足生產所需。故低成本自動化系統(tǒng)的功能應該是：滿足生產需要的、關鍵的、必要的和有

9、效益的，要考慮需要性、可能性和先進性等各個方面。在國際上，在激烈的市場競爭中取勝的關鍵是采用新技術，自動化系統(tǒng)也是這樣，德國西門子公司、日本日立制作所都是標榜：“不斷以新技術為社會服務”。調查研究表明，國外工業(yè)自動化的進展或從國外引進的先進自動化系統(tǒng)也不外是在過去的功能加上一些先進控制的功能。以鋼鐵工業(yè)的高爐自動化為例，不外是在常規(guī)系統(tǒng)加上人工智能預報、更多的數學模型以及一些專門顯示。芬蘭向我國出口多套這樣的系統(tǒng)就已要價數百萬美元。因此可以認為：常規(guī)自動化系統(tǒng)+先進控制=國際先進水平廣義的先進控制包括智能控制、數學模型的應用、預測控制、H理論和現代控制理論等應用。此外，由于資金所限，往往認為只

10、能作些簡單的功能，其實，如果想辦法，也完全有可能達到先進的水平。筆者從事某玻璃廠的大修自動化工程，其有限資金只能勉強作數據采集系統(tǒng)，我們在數據采集做好監(jiān)控功能外，裝進一個平板玻璃配料模型，且實行玻璃成份預報，此外還裝設玻璃質量缺陷原因診斷專家系統(tǒng)，而使一個簡單的數采系統(tǒng)變成一個具有先進水平的系統(tǒng)，而且很實用和解決問題。因為，配料對玻璃成份和質量有很大的影響，而人工計算原料成分的變化很費時，而計算機運算則可瞬間完成，它還可預測出平板玻璃的化學成份，使用神經元網絡，輸入生產工藝參數后，可預測玻璃的物理參數和機械性能，而常規(guī)生產則要等幾個小時，直到玻璃生產出來并檢測后才能知道，但已經是無法調整了，更

11、無法調整生產參數以強化生產，這種用模型和人工智能的質量預測是近年來國外發(fā)展起來的新技術，已在各個工業(yè)部門應用，過去是用統(tǒng)計方法預測成品的物理參數，但對太多的工藝參數就很困難了，而神經元網絡則無問題。此外，玻璃質量缺陷種類很多，原因也很多，不易確定，而玻璃質量缺陷原因診斷專家系統(tǒng)則可使沒有經驗的操作員也可達到專家水平。又例如，在設計某給水站自動化系統(tǒng)時，傳統(tǒng)的系統(tǒng)是監(jiān)測、越限報警等功能，但為了保證最遠點用戶供水和水壓，給水站出口水壓和泵的使用臺數還得根據用水情況、負荷情況、氣候、白天或黑夜而不同，而需要人工經常調整，為此我們加上一個專家系統(tǒng)，把上述規(guī)律寫成規(guī)則，由專家系統(tǒng)控制，這樣一來，不僅大大

12、提高了自動化系統(tǒng)的水平，而且可實現無人化，改善了控制質量，用戶滿意，節(jié)省電能，因而帶來重大的經濟效益，同時也為自動化系統(tǒng)帶來更高的附加值。 有人認為使用先進控制，例如使用專家系統(tǒng)很難，其實不然，根據作者的經驗，只要長期不懈致力于專家系統(tǒng)的開發(fā)，方法正確，深入研究工藝知識（事實上許多工藝機組，如爐窯、軋機，其理論基礎都相差無幾，只是與產品和工藝流程不同而有些差別）和了解專家系統(tǒng)知識和善于使用開發(fā)工具，積累資料，開發(fā)一個專家系統(tǒng)是不大困難的，表1示出了作者開發(fā)的幾個專家系統(tǒng)所需的時間。從表1可以看出，構成專家系統(tǒng)并投入現場所需時間越來越短，序號1是使用C語言編制專家系統(tǒng)骨架（知識庫、推理機等），不

13、僅耗時間，且增添、修改不方便，可靠性也差，以后使用專家系統(tǒng)開發(fā)工具，就大大節(jié)省時間，且增添、修改也容易，可靠性也好，序列號2就是一例，規(guī)則千余條，前后修改3、4次，一次投運成功，達到預定目標。以后由于對開發(fā)方法更為掌握，工藝知識更了解，接口、漢化等編程越來越熟悉，使用更先進的專家系統(tǒng)開發(fā)工具，采用面向用戶無需編程的專家系統(tǒng)開發(fā)工具（附有標準原程序，當自行設計專用界面時，可用此剪貼），故速度越來越快，總之開發(fā)一個專家系統(tǒng)，在掌握以后，就不是難事了。5.2 硬件的選擇（1） 基礎自動化硬件的選擇。傳統(tǒng)的方法是使用PLC或DCS，對于大規(guī)模的系統(tǒng)，往往其電控部分采用PLC，而回路控制即過程量控制采用

14、DCS，近年來由于PLC增強了回路控制的功能，同樣DCS也加強邏輯控制的功能，而彼此能互相覆蓋。為減少備件數量和便于連網，采用IE（I-儀表、E-電力傳動控制）設備一體化，即采用全PLC或全DCS構成基礎自動化，一般認為回路控制占主要的機組應采用全DCS的解決方法，因為DCS針對回路控制的模塊多，使用方便，而邏輯控制占主要機組應采用全PLC的解決方法。根據筆者的經驗，特別對低成本自動化而言，由于PLC比DCS要便宜（約低1/4以上），而PLC用于回路控制的模塊和軟件雖然不及DCS完備，但已足夠使用，因為工業(yè)控制主要是使用PID、加、減、乘、除、開方等，筆者在設計上海梅山冶金公司的120立方米高

15、爐自動化系統(tǒng)就是采用全PLC系統(tǒng)，執(zhí)行電控（DI,DO兩千多點）和儀測儀控（AI,AO約700點，控制回路約50）這樣的大規(guī)模功能，但價格比PLC+DCS方法低1/4以上。近年來，PLC生產商更設計適合于回路控制的但價格低的PLC，如德國西門子公司的PCS-7可編程序控制器，它采用價格較低的S7-300系列的I/O模塊，加強CPU的回路控制的功能。因此采用全PLC系統(tǒng)看來是低成本自動化的合適趨向，當然，最終還應從價格和其他因素綜合考慮。近來，由于PC-based（以工控機為基礎）的發(fā)展，以工控機、I/O裝置、監(jiān)控器組成自動化系統(tǒng)，對大規(guī)模系統(tǒng)更加上網絡組成分布式系統(tǒng)，多級計算機系統(tǒng)，而且能夠雙

16、機熱備和冗余配置。此外，還有許多公司（如美國的Entivity公司、Think & Do公司、Steeplechase公司等）從事支持軟件的工作，并已商品化，PC-based的基礎自動化系統(tǒng)已在礦業(yè)、冶金、石油、機械、化工、水處理、醫(yī)藥、電子、食品、紡織、半導體等許多機組中應用。我國重慶鋼鐵公司這樣的大企業(yè)的幾乎全部大型加熱爐也拆除了原來DCS或單回路數字式調節(jié)器，而改用PC-based工控機來組成控制系統(tǒng)，并采用模糊控制算法而獲得良好效果，節(jié)約大量投資、方便維護和取得顯著經濟效益。（2）過程自動化級硬件的選擇。傳統(tǒng)的方法是使用美國DEC公司的VAX型過程計算機或Alpha系列的小型機或其他公

17、司生產的類似計算機作為核心組成過程自動化級，其硬件的價格，還有其系統(tǒng)軟件的價格均令人卻步，加以應用軟件的編制也較為困難和價格高，而使人們懷疑對設置過程自動化級是否值得和有效。其實工控機的發(fā)展，其內存和硬盤的容量、主頻即速度已足以滿足過程自動化級的要求，在歐洲電氣公司設計的自動化系統(tǒng)，其過程自動化級的硬件大多使用工控機，其實20多年前，即80年代世界上最著名的水泥設備的供應商和制造商之一的，我國也早已引進多套（柳州水泥廠、珠江水泥廠等）的丹麥F.L.Smith公司的現代化的窯外分解式大型水泥廠的自動化系統(tǒng)已使用PC機來組成過程自動化級，使用三臺PC機，分別執(zhí)行過程監(jiān)控、筒體（水泥窯）溫度和配料數

18、學模型運算與閉環(huán)控制。然而在大中型企業(yè)和機組，特別是鋼鐵工業(yè)及大多數設計者、使用部分仍積習難改而采用VAX或Alpha系列的計算機作為過程自動化級硬件。筆者在許多年前，在設計上海梅山冶金公司的1250立方米高爐自動化系統(tǒng)的過程自動化級的方案中，就是采用兩臺工控機實現訓爐過程自動化級的功能，并已成功地運行多年。但不少人并不認同使用PC機作為過程計算機，直到近幾年國外廣泛使用PC機作為過程計算機而大量降低價格，才使這些人改變看法。圖2是德國SMS-DEMAG不銹鋼生產線三電自動化系統(tǒng)同時也是為寶鋼集團公司上海第一鋼鐵廠新建不銹鋼生產線的推薦系統(tǒng)。它包括超高功率電弧爐、AOD爐和VOD爐各一座，后配

19、連鑄機（不包括在本系統(tǒng)內），其過程自動化級包括4臺PC機（每臺設奔騰處理器，10GB硬盤，256MB內存，CD-ROM驅動器，內部鍵盤和鼠標，系統(tǒng)總線接口板，軟件為Windows-NT），分別作為中央數據庫系統(tǒng)、EAF(電弧爐)/AOD爐/VOD爐的過程計算機、開發(fā)試驗計算機和供主技術專家使用的計算機。其功能相當復雜，包括電弧爐、AOD爐和VOD爐復雜數學模型及在線控制。系統(tǒng)的特點是無論操作員終端或過程計算機、OS服務器都全部使用PC機，系統(tǒng)軟件也是通用的，因而造價低廉，但功能強大。似乎可以得出結論，即應使用PC機來組成過程自動化級來達到低成本自動化的目的。（3）管理自動化級硬件的選擇。和過程自動化級同樣，管理自動化級也可以使用PC機來組成，文獻1提出的多級自動化系統(tǒng)就是一例（圖3），它已在某鋼鐵廠實施了，但由于是近20年設計的，受當時PC機水平所限，還只是MIS系統(tǒng)（信息管理系統(tǒng)），今天PC機的進展，完全可以實現CAD、CAT、CAM而實現CIM功能。5.3 系統(tǒng)軟件的選擇應該選用通用和價格較低而具有良好性能的系統(tǒng)軟件，如Windows-NT、Visial Basic 6.0等。對于監(jiān)控軟件，往往由使用部門指定，例如要In Touch等