低成本自動(dòng)化及其在工業(yè)控制中應(yīng)用

摘要：本文首先敘述低成本自動(dòng)化的概念，系統(tǒng)構(gòu)成、硬件、軟件和功能選擇原則，特別是先進(jìn)功能的考慮方法和效益。最后敘述低成本自動(dòng)化應(yīng)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(shè)新廠或增加設(shè)備，增加原料投入和增加人力以達(dá)到增產(chǎn)目的，然而這種粗放經(jīng)營(yíng)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中無(wú)論價(jià)格和質(zhì)量部無(wú)法取勝。故從60年代開(kāi)始，西方國(guó)家就開(kāi)始對(duì)工業(yè)進(jìn)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(shù)進(jìn)步，即新設(shè)備、新工藝和自動(dòng)化及計(jì)算機(jī)應(yīng)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(dòng)化及計(jì)算機(jī)應(yīng)用不僅節(jié)省人力，更重要的是把工異參數(shù)嚴(yán)格控制在規(guī)定值、監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，甚至自尋最優(yōu)而使工藝過(guò)程優(yōu)化，達(dá)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(guò)去不能生產(chǎn)的產(chǎn)品，故自動(dòng)化及計(jì)算機(jī)應(yīng)用不僅是工業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志，而且是生產(chǎn)必需和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，因此世界各國(guó)都努力發(fā)展工業(yè)自動(dòng)化。到目前為止，工業(yè)自動(dòng)化已如圖1所示的我級(jí)計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(chǔ)自動(dòng)化級(jí)和過(guò)程自動(dòng)化級(jí)，但這種計(jì)算機(jī)集成制造（CIMS）結(jié)構(gòu)已成為工業(yè)自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)形式。在美、歐、日等發(fā)達(dá)國(guó)家，其大型企業(yè)和跨國(guó)公司大都實(shí)行CIM和CIP技術(shù)，然而這種方法需要大量資金，是一種高投資、高效益但同時(shí)是高風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)展模式，很難為大量的中小企業(yè)所采用，故運(yùn)去這些中小企業(yè)，甚至一些大型企業(yè)往往只實(shí)行基礎(chǔ)自動(dòng)化，然而實(shí)踐證明僅有基礎(chǔ)自動(dòng)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(guò)程自動(dòng)化，其優(yōu)化、監(jiān)控、預(yù)報(bào)等功能更是必不可少和能取得重大經(jīng)濟(jì)效益的重要環(huán)節(jié)，然而傳統(tǒng)的使用VAX型計(jì)算機(jī)甚至使用Alpha型小型機(jī)構(gòu)成的過(guò)程自動(dòng)化級(jí)，其昂貴的硬件和系統(tǒng)軟件以及應(yīng)用軟件編程的費(fèi)用也令人望而卻步。 此外，為提高效率和取得重大經(jīng)濟(jì)效益，中小企業(yè)也要裝備管理自動(dòng)化級(jí)。就是只實(shí)行基礎(chǔ)自動(dòng)化，對(duì)PLC或工控機(jī)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(hù)性； （4）縮短程序開(kāi)發(fā)時(shí)間和降低其費(fèi)用，這就要求實(shí)現(xiàn)LCA（低成本自動(dòng)化）系統(tǒng)。 2.低成本自動(dòng)化的概念 什么是LCA（低成本自動(dòng)化）？很難有確切的定義，但其本質(zhì)上是針對(duì)中小企業(yè)或某些準(zhǔn)大型企業(yè)，因?yàn)榇笮蜋C(jī)組如鋼鐵工業(yè)的5000立方米高爐、300t轉(zhuǎn)爐、1900mm連鑄機(jī)、2050mm板帶熱連軋機(jī)和5000mm中厚板軋機(jī)等，雖然也要求價(jià)廉物美的自動(dòng)化系統(tǒng)，但無(wú)論企業(yè)產(chǎn)值、效益，對(duì)自動(dòng)化的要求及允許投資占總設(shè)備投資的百分?jǐn)?shù)，對(duì)裝備完善的自動(dòng)化系統(tǒng)是不會(huì)有問(wèn)題的（當(dāng)然，近年來(lái)這些機(jī)組也采用部分LCA技術(shù)了），此外也不能把什么都算低成本自動(dòng)化或什么自動(dòng)化都是低成本的，否則將會(huì)得出錯(cuò)誤的概念而不利于實(shí)現(xiàn)低成本自動(dòng)化。 低成本自動(dòng)化廣義的概念是： （1）其投資可以達(dá)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(shè)備總投資的7-12％； （2）低成本自動(dòng)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(dòng)化抽粗后，其功能投入率應(yīng)在95％以上； （4）低成本自動(dòng)化必須是易維護(hù)的且維護(hù)費(fèi)用是較低的，工作是可靠的，在線 率應(yīng)在95％以上； （5）低成本自動(dòng)化的投入產(chǎn)出比應(yīng)是顯著的，應(yīng)為1：3-5若以投資在1-2年內(nèi)回收，則設(shè)備壽命應(yīng)為在5-8年； （6）低成本自動(dòng)化投資應(yīng)有個(gè)相對(duì)上限值，在新建廠礦應(yīng)低于一般規(guī)定的占總設(shè)備總投資的百分比，對(duì)特殊項(xiàng)目應(yīng)遠(yuǎn)低于省市權(quán)限批準(zhǔn)的資金范圍內(nèi)。 3.低成本自動(dòng)化的范圍 低成本自動(dòng)化的范圍原則上包括如圖1所示的全部功能，即ISO的CIMS標(biāo)準(zhǔn)六級(jí)功能，有人認(rèn)為L(zhǎng)CA應(yīng)針對(duì)基礎(chǔ)自動(dòng)化，這種觀點(diǎn)不僅是錯(cuò)誤的而且是有害的，特別是新建廠礦，自動(dòng)化項(xiàng)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(guò)程自動(dòng)化，而導(dǎo)致甚至90年代末新建廠礦遠(yuǎn)低于世界先進(jìn)水平，且影響產(chǎn)品質(zhì)量和成本。如上所述，過(guò)程自動(dòng)化能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化、監(jiān)控、預(yù)報(bào)等功能，是必不可少和能取得重大經(jīng)濟(jì)效益的重要環(huán)節(jié)。濟(jì)鋼30立方米小高爐實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化，裝備監(jiān)控和多目標(biāo)優(yōu)化和爐況綜合判斷功能而取得增效益234萬(wàn)元的良好的經(jīng)濟(jì)效益就是一例。 國(guó)外對(duì)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(guò)裝備不同，功能稍弱而己，對(duì)這種觀點(diǎn)，國(guó)內(nèi)不少持異議，然而美國(guó)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(shí)現(xiàn)支持了本文的觀點(diǎn)。特別是近年來(lái)，工控機(jī)的性能大大提高，無(wú)論內(nèi)存、快速性和低價(jià)格以及支持軟件的低價(jià)都將為L(zhǎng)CA的CIMS系統(tǒng)創(chuàng)造條件。 4．關(guān)于資金回收期的計(jì)算 經(jīng)濟(jì)效益和資金回收期計(jì)算對(duì)低成本自動(dòng)化是一個(gè)重要問(wèn)題，因?yàn)橥捎谛б孢^(guò)高而被認(rèn)為夸張而失去對(duì)自動(dòng)化的信任。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，比較準(zhǔn)確的資金回收期計(jì)算使用下列公式是適宜的： 其中，自動(dòng)化系統(tǒng)基建投資包括設(shè)備費(fèi)、安裝費(fèi)和運(yùn)雜志；年維護(hù)費(fèi)應(yīng)包括備件、材料等費(fèi)用；維護(hù)人員年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益可按工廠人均利潤(rùn)計(jì)算。 5．低成本自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn) 設(shè)計(jì)低成本自動(dòng)化系統(tǒng)的本質(zhì)是精打細(xì)算，從功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件、軟件、數(shù)學(xué)模型、經(jīng)濟(jì)效益以及投入產(chǎn)出等各個(gè)方面綜合考慮來(lái)進(jìn)行選擇，設(shè)計(jì)低成本自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，下列幾個(gè)問(wèn)題是應(yīng)重點(diǎn)考慮的： 5.1 功能的決定 由于功能影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件和軟件規(guī)模，因而是影響系統(tǒng)投資的關(guān)鍵因素。往往認(rèn)為要省錢就削減功能，僅僅設(shè)計(jì)某些參數(shù)檢測(cè)和控制就可以了，其實(shí)由于未能滿足生產(chǎn)要求，造成直接經(jīng)濟(jì)損失比之增加自動(dòng)化投資要大得多，許多自動(dòng)化系統(tǒng)剛投產(chǎn)就要改造，到了21世紀(jì)還是一個(gè)很落后的系統(tǒng)而難以滿足生產(chǎn)所需。故低成本自動(dòng)化系統(tǒng)的功能應(yīng)該是：滿足生產(chǎn)需要的、關(guān)鍵的、必要的和有效益的，要考慮需要性、可能性和先進(jìn)性等各個(gè)方面。 在國(guó)際上，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取勝的關(guān)鍵是采用新技術(shù)，自動(dòng)化系統(tǒng)也是這樣，德國(guó)西門子公司、日本日立制作所都是標(biāo)榜：“不斷以新技術(shù)為社會(huì)服務(wù)”。調(diào)查研究表明，國(guó)外工業(yè)自動(dòng)化的進(jìn)展或從國(guó)外引進(jìn)的先進(jìn)自動(dòng)化系統(tǒng)也不外是在過(guò)去的功能加上一些先進(jìn)控制的功能。以鋼鐵工業(yè)的高爐自動(dòng)化為例，不外是在常規(guī)系統(tǒng)加上人工智能預(yù)報(bào)、更多的數(shù)學(xué)模型以及一些專門顯示。芬蘭向我國(guó)出口多套這樣的系統(tǒng)就已要價(jià)數(shù)百萬(wàn)美元。因此可以認(rèn)為： 常規(guī)自動(dòng)化系統(tǒng)+先進(jìn)控制=國(guó)際先進(jìn)水平 廣義的先進(jìn)控制包括智能控制、數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用、預(yù)測(cè)控制、H理論和現(xiàn)代控制理論等應(yīng)用。此外，由于資金所限，往往認(rèn)為只能作些簡(jiǎn)單的功能，其實(shí)，如果想辦法，也完全有可能達(dá)到先進(jìn)的水平。筆者從事某玻璃廠的大修自動(dòng)化工程，其有限資金只能勉強(qiáng)作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，我們?cè)跀?shù)據(jù)采集做好監(jiān)控功能外，裝進(jìn)一個(gè)平板玻璃配料模型，且實(shí)行玻璃成份預(yù)報(bào)，此外還裝設(shè)玻璃質(zhì)量缺陷原因診斷專家系統(tǒng)，而使一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)采系統(tǒng)變成一個(gè)具有先進(jìn)水平的系統(tǒng)，而且很實(shí)用和解決問(wèn)題。因?yàn)椋淞蠈?duì)玻璃成份和質(zhì)量有很大的影響，而人工計(jì)算原料成分的變化很費(fèi)時(shí)，而計(jì)算機(jī)運(yùn)算則可瞬間完成，它還可預(yù)測(cè)出平板玻璃的化學(xué)成份，使用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，輸入生產(chǎn)工藝參數(shù)后， 可預(yù)測(cè)玻璃的物理參數(shù)和機(jī)械性能，而常規(guī)生產(chǎn)則要等幾個(gè)小時(shí)，直到玻璃生產(chǎn)出來(lái)并檢測(cè)后才能知道，但已經(jīng)是無(wú)法調(diào)整了，更無(wú)法調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)以強(qiáng)化生產(chǎn)，這種用模型和人工智能的質(zhì)量預(yù)測(cè)是近年來(lái)國(guó)外發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，已在各個(gè)工業(yè)部門應(yīng)用，過(guò)去是用統(tǒng)計(jì)方法預(yù)測(cè)成品的物理參數(shù)，但對(duì)太多的工藝參數(shù)就很困難了，而神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)則無(wú)問(wèn)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(méi)有經(jīng)驗(yàn)的操作員也可達(dá)到專家水平。又例如，在設(shè)計(jì)某給水站自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，傳統(tǒng)的系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)、越限報(bào)警等功能，但為了保證最遠(yuǎn)點(diǎn)用戶供水和水壓，給水站出口水壓和泵的使用臺(tái)數(shù)還得根據(jù)用水情況、負(fù)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(gè)專家系統(tǒng)，把上述規(guī)律寫(xiě)成規(guī)則，由專家系統(tǒng)控制，這樣一來(lái)，不僅大大提高了自動(dòng)化系統(tǒng)的水平，而且可實(shí)現(xiàn)無(wú)人化，改善了控制質(zhì)量，用戶滿意，節(jié)省電能，因而帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也為自動(dòng)化系統(tǒng)帶來(lái)更高的附加值。 　 有人認(rèn)為使用先進(jìn)控制，例如使用專家系統(tǒng)很難，其實(shí)不然，根據(jù)作者的經(jīng)驗(yàn)，只要長(zhǎng)期不懈致力于專家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，方法正確，深入研究工藝知識(shí)（事實(shí)上許多工藝機(jī)組，如爐窯、軋機(jī)，其理論基礎(chǔ)都相差無(wú)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(shí)和善于使用開(kāi)發(fā)工具，積累資料，開(kāi)發(fā)一個(gè)專家系統(tǒng)是不大困難的，表1示出了作者開(kāi)發(fā)的幾個(gè)專家系統(tǒng)所需的時(shí)間。 從表1可以看出，構(gòu)成專家系統(tǒng)并投入現(xiàn)場(chǎng)所需時(shí)間越來(lái)越短，序號(hào)1是使用C語(yǔ)言編制專家系統(tǒng)骨架（知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)等），不僅耗時(shí)間，且增添、修改不方便，可靠性也差，以后使用專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，就大大節(jié)省時(shí)間，且增添、修改也容易，可靠性也好，序列號(hào)2就是一例，規(guī)則千余條，前后修改3、4次，一次投運(yùn)成功，達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。以后由于對(duì)開(kāi)發(fā)方法更為掌握，工藝知識(shí)更了解，接口、漢化等編程越來(lái)越熟悉，使用更先進(jìn)的專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，采用面向用戶無(wú)需編程的專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具（附有標(biāo)準(zhǔn)原程序，當(dāng)自行設(shè)計(jì)專用界面時(shí)，可用此剪貼），故速度越來(lái)越快，總之開(kāi)發(fā)一個(gè)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(chǔ)自動(dòng)化硬件的選擇。傳統(tǒng)的方法是使用PLC或DCS，對(duì)于大規(guī)模的