低成本自動化及其在工業(yè)控制中應用

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(chǎn)目的，然而這種粗放經(jīng)營的方式在工業(yè)生產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多品種和節(jié)能降耗以及低成本方向發(fā)展。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(shù)嚴格控制在規(guī)定值、監(jiān)控生產(chǎn)過程，甚至自尋最優(yōu)而使工藝過程優(yōu)化，達到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能降耗和降低成本，而且能生產(chǎn)過去不能生產(chǎn)的產(chǎn)品，故自動化及計算機應用不僅是工業(yè)現(xiàn)代化的標志，而且是生產(chǎn)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(shù)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(chǎn)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(jīng)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(jīng)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）縮短程序開發(fā)時間和降低其費用，這就要求實現(xiàn)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(zhì)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(zhuǎn)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(chǎn)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(shù)，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(xiàn)低成本自動化。 低成本自動化廣義的概念是： （1）其投資可以達到或增加產(chǎn)量或改善質(zhì)量、節(jié)能和降耗目的，并可使資金在1-2年內(nèi)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(chǎn)出比應是顯著的，應為1：3-5若以投資在1-2年內(nèi)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(nèi)。 3.低成本自動化的范圍 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(nèi)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(chǎn)品質(zhì)量和成本。如上所述，過程自動化能實現(xiàn)優(yōu)化、監(jiān)控、預報等功能，是必不可少和能取得重大經(jīng)濟效益的重要環(huán)節(jié)。濟鋼30立方米小高爐實現(xiàn)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(jīng)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(xiàn)中小規(guī)模的CIMS，后者就是LCA的范疇，不過裝備不同，功能稍弱而己，對這種觀點，國內(nèi)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(xiàn)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(nèi)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(jīng)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(jù)我們的經(jīng)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；維護人員年創(chuàng)經(jīng)濟效益可按工廠人均利潤計算。 5．低成本自動化的實現(xiàn) 設計低成本自動化系統(tǒng)的本質(zhì)是精打細算，從功能、系統(tǒng)結構、硬件、軟件、數(shù)學模型、經(jīng)濟效益以及投入產(chǎn)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(shù)檢測和控制就可以了，其實由于未能滿足生產(chǎn)要求，造成直接經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)所需。故低成本自動化系統(tǒng)的功能應該是：滿足生產(chǎn)需要的、關鍵的、必要的和有效益的，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(diào)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(shù)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(shù)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(shù)學模型的應用、預測控制、H理論和現(xiàn)代控制理論等應用。此外，由于資金所限，往往認為只能作些簡單的功能，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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，我們在數(shù)據(jù)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(zhì)量缺陷原因診斷專家系統(tǒng)，而使一個簡單的數(shù)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(zhì)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(jīng)元網(wǎng)絡，輸入生產(chǎn)工藝參數(shù)后， 可預測玻璃的物理參數(shù)和機械性能，而常規(guī)生產(chǎn)則要等幾個小時，直到玻璃生產(chǎn)出來并檢測后才能知道，但已經(jīng)是無法調(diào)整了，更無法調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)以強化生產(chǎn)，這種用模型和人工智能的質(zhì)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(shù)，但對太多的工藝參數(shù)就很困難了，而神經(jīng)元網(wǎng)絡則無問題。此外，玻璃質(zhì)量缺陷種類很多，原因也很多，不易確定，而玻璃質(zhì)量缺陷原因診斷專家系統(tǒng)則可使沒有經(jīng)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(shù)還得根據(jù)用水情況、負荷情況、氣候、白天或黑夜而不同，而需要人工經(jīng)常調(diào)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，不僅大大提高了自動化系統(tǒng)的水平，而且可實現(xiàn)無人化，改善了控制質(zhì)量，用戶滿意，節(jié)省電能，因而帶來重大的經(jīng)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(jù)作者的經(jīng)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(chǎn)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(xiàn)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