低成本自動化及其在工業(yè)控制中應(yīng)用
2004/1/4 0:00:00
摘要:本文首先敘述低成本自動化的概念,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(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)過程,甚至自尋最優(yōu)而使工藝過程優(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)過去不能生產(chǎn)的產(chǎn)品,故自動化及計(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(jì)算機(jī)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(chǔ)自動化級和過程自動化級,但這種計(jì)算機(jī)集成制造(CIMS)結(jié)構(gòu)已成為工業(yè)自動化的標(biāo)準(zhǔn)形式。在美、歐、日等發(fā)達(dá)國家,其大型企業(yè)和跨國公司大都實(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)自動化,然而實(shí)踐證明僅有基礎(chǔ)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(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)成的過程自動化級,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)也要裝備管理自動化級。就是只實(shí)行基礎(chǔ)自動化,對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)縮短程序開發(fā)時間和降低其費(fèi)用,這就要求實(shí)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(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(shè)備投資的百分?jǐn)?shù),對裝備完善的自動化系統(tǒng)是不會有問題的(當(dāng)然,近年來這些機(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(shí)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(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(yīng)在95%以上; (4)低成本自動化必須是易維護(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)低成本自動化投資應(yīng)有個相對上限值,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(biāo)準(zhǔn)六級功能,有人認(rèn)為LCA應(yīng)針對基礎(chǔ)自動化,這種觀點(diǎn)不僅是錯誤的而且是有害的,特別是新建廠礦,自動化項(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)省投資而削減過程自動化,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,過程自動化能實(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)過程自動化,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234萬元的良好的經(jīng)濟(jì)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(diǎn),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(shí)現(xiàn)支持了本文的觀點(diǎn)。特別是近年來,工控機(jī)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(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)算對低成本自動化是一個重要問題,因?yàn)橥捎谛б孢^高而被認(rèn)為夸張而失去對自動化的信任。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計(jì)算。 5.低成本自動化的實(shí)現(xiàn) 設(shè)計(jì)低成本自動化系統(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)出等各個方面綜合考慮來進(jìn)行選擇,設(shè)計(jì)低成本自動化系統(tǒng)時,下列幾個問題是應(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(jì)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(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)性等各個方面。 在國際上,在激烈的市場競爭中取勝的關(guān)鍵是采用新技術(shù),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(biāo)榜:“不斷以新技術(shù)為社會服務(wù)”。調(diào)查研究表明,國外工業(yè)自動化的進(jìn)展或從國外引進(jìn)的先進(jìn)自動化系統(tǒng)也不外是在過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(rèn)為: 常規(guī)自動化系統(tǒng)+先進(jìn)控制=國際先進(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),我們在數(shù)據(jù)采集做好監(jiān)控功能外,裝進(jìn)一個平板玻璃配料模型,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),而使一個簡單的數(shù)采系統(tǒng)變成一個具有先進(jìn)水平的系統(tǒng),而且很實(shí)用和解決問題。因?yàn)椋淞蠈ΣAС煞莺唾|(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,而計(jì)算機(jī)運(yùn)算則可瞬間完成,它還可預(yù)測出平板玻璃的化學(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(qiáng)化生產(chǎn),這種用模型和人工智能的質(zhì)量預(yù)測是近年來國外發(fā)展起來的新技術(shù),已在各個工業(yè)部門應(yīng)用,過去是用統(tǒng)計(jì)方法預(yù)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(luò)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(yàn)的操作員也可達(dá)到專家水平。又例如,在設(shè)計(jì)某給水站自動化系統(tǒng)時,傳統(tǒng)的系統(tǒng)是監(jiān)測、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(shí)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(jì)效益,同時也為自動化系統(tǒng)帶來更高的附加值。 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(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(gòu)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(jī)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(yùn)成功,達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)原程序,當(dāng)自行設(shè)計(jì)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(chǔ)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
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