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1、低成本自动化及及其在工业控控制中应用 作者：马竹梧摘要：本文文首先叙述低低成本自动化化的概念，系系统构成、硬硬件、软件和和功能选择原原则，特别是是先进功能的的考虑方法和和效益。最后后叙述低成本本自动化应用用的例子。1.前言言发展工工业的传统方方法是投入一一些资金以建建设新厂或增增加设备，增增加原料投入入和增加人力力以达到增产产目的，然而而这种粗放经经营的方式在在工业生产中中已证明其局局限性，特别别是在激烈的的市场竞争中中无论价格和和质量部无法法取胜。故从从60年代开开始，西方国国家就开始对对工业进行改改造，特别是是重工业和大大型厂矿，除除组织合理化化以外，主要要靠技术进步步，即新设备备、新工艺
2、和和自动化及计计算机应用，而而使各类工业业飞速发展，且且朝高产、优优质、多品种种和节能降耗耗以及低成本本方向发展。由由于自动化及及计算机应用用不仅节省人人力，更重要要的是把工异异参数严格控控制在规定值值、监控生产产过程，甚至至自寻最优而而使工艺过程程优化，达到到高产、优质质、节能降耗耗和降低成本本，而且能生生产过去不能能生产的产品品，故自动化化及计算机应应用不仅是工工业现代化的的标志，而且且是生产必需需和关键的环环节，因此世世界各国都努努力发展工业业自动化。到到目前为止，工工业自动化已已如图1所示的我我级计算机自自动化系统，虽虽然大多数工工业，特别是是中小企业大大都只装备基基础自动化级级和过程
3、自动动化级，但这这种计算机集集成制造（CCIMS）结结构已成为工工业自动化的的标准形式。在在美、欧、日日等发达国家家，其大型企企业和跨国公公司大都实行行CIM和CCIP技术，然然而这种方法法需要大量资资金，是一种种高投资、高高效益但同时时是高风险的的发展模式，很很难为大量的的中小企业所所采用，故运运去这些中小小企业，甚至至一些大型企企业往往只实实行基础自动动化，然而实实践证明仅有有基础自动化化虽然也收到到一定效果，但但仍然难以满满足生产要求求，特别是过过程自动化，其其优化、监控控、预报等功功能更是必不不可少和能取取得重大经济济效益的重要要环节，然而而传统的使用用VAX型计计算机甚至使使用Alp
4、hha型小型机机构成的过程程自动化级，其其昂贵的硬件件和系统软件件以及应用软软件编程的费费用也令人望望而却步。此外，为为提高效率和和取得重大经经济效益，中中小企业也要要装备管理自自动化级。就就是只实行基基础自动化，对对PLC或工工控机也面临临：（1）要要求降低成本本；（2）增增加灵活性；（3）增加加诊断功能以以提高可维护护性；（4）缩缩短程序开发发时间和降低低其费用，这这就要求实现现LCA（低低成本自动化化）系统。2.低成本本自动化的概概念什什么是LCAA（低成本自自动化）？很很难有确切的的定义，但其其本质上是针针对中小企业业或某些准大大型企业，因因为大型机组组如钢铁工业业的50000立方米高
5、炉炉、300tt转炉、19900mm连连铸机、20050mm板板带热连轧机机和50000mm中厚板板轧机等，虽虽然也要求价价廉物美的自自动化系统，但但无论企业产产值、效益，对对自动化的要要求及允许投投资占总设备备投资的百分分数，对装备备完善的自动动化系统是不不会有问题的的（当然，近近年来这些机机组也采用部部分LCA技技术了），此此外也不能把把什么都算低低成本自动化化或什么自动动化都是低成成本的，否则则将会得出错错误的概念而而不利于实现现低成本自动动化。低成本本自动化广义义的概念是：（1）其其投资可以达达到或增加产产量或改善质质量、节能和和降耗目的，并并可使资金在在1-2年内内回收，一般般占设备
6、总投投资的7-112；（2）低成成本自动化必必须是紧凑的的、功能是必必需的、可用用性是良好的的；（33）低成本自自动化抽粗后后，其功能投投入率应在995以上；（4）低低成本自动化化必须是易维维护的且维护护费用是较低低的，工作是是可靠的，在在线 率应在在95以上上；（5）低低成本自动化化的投入产出出比应是显著著的，应为11：3-5若若以投资在11-2年内回回收，则设备备寿命应为在在5-8年；（6）低低成本自动化化投资应有个个相对上限值值，在新建厂厂矿应低于一一般规定的占占总设备总投投资的百分比比，对特殊项项目应远低于于省市权限批批准的资金范范围内。3.低成成本自动化的的范围低成本自自动化的范围围
7、原则上包括括如图1所示示的全部功能能，即ISOO的CIMSS标准六级功功能，有人认认为LCA应应针对基础自自动化，这种种观点不仅是是错误的而且且是有害的，特特别是新建厂厂矿，自动化化项目的委托托及内容往往往由工艺人员员或主管人员员所决定，为为节省投资而削削减过程自动动化，而导致致甚至90年年代末新建厂厂矿远低于世世界先进水平平，且影响产产品质量和成成本。如上所所述，过程自自动化能实现现优化、监控控、预报等功功能，是必不不可少和能取取得重大经济济效益的重要要环节。济钢钢30立方米米小高炉实现现过程自动化化，装备监控控和多目标优优化和炉况综综合判断功能能而取得增效效益234万万元的良好的的经济效益
8、就就是一例。国外外对CIMSS的发展，不不仅大型企业业适用，而且且出现中小规规模的CIMMS，后者就就是LCA的的范畴，不过过装备不同，功功能稍弱而己己，对这种观观点，国内不不少持异议，然然而美国DEEC公司和UUCE公司在在十多年前就就介绍了大、小两种种钢铁厂的CCIMS，后后者在CHAAPARREEL厂的实现现支持了本文文的观点。特特别是近年来来，工控机的的性能大大提提高，无论内内存、快速性性和低价格以以及支持软件件的低价都将将为LCA的的CIMS系系统创造条件件。44关于资金金回收期的计计算经济效益和和资金回收期期计算对低成成本自动化是是一个重要问问题，因为往往往由于效益益过高而被认认为
9、夸张而失失去对自动化化的信任。根根据我们的经经验，比较准准确的资金回回收期计算使使用下列公式式是适宜的：其中，自动动化系统基建建投资包括设设备费、安装装费和运杂志志；年维护费费应包括备件件、材料等费费用；维护人人员年创经济济效益可按工厂人均均利润计算。5低成本自动化的实现设计低成本自动化系统的本质是精打细算，从功能、系统结构、硬件、软件、数学模型、经济效益以及投入产出等各个方面综合考虑来进行选择，设计低成本自动化系统时，下列几个问题是应重点考虑的：5.1 功能的决定由于功能影响系统结构、硬件和软件规模，因而是影响系统投资的关键因素。往往认为要省钱就削减功能，仅仅设计某些参数检测和控制就可以了，
10、其实由于未能满足生产要求，造成直接经济损失比之增加自动化投资要大得多，许多自动化系统刚投产就要改造，到了21世纪还是一个很落后的系统而难以满足生产所需。故低成本自动化系统的功能应该是：满足生产需要的、关键的、必要的和有效益的，要考虑需要性、可能性和先进性等各个方面。在国际上，在激烈的市场竞争中取胜的关键是采用新技术，自动化系统也是这样，德国西门子公司、日本日立制作所都是标榜：“不断以新技术为社会服务”。调查研究表明，国外工业自动化的进展或从国外引进的先进自动化系统也不外是在过去的功能加上一些先进控制的功能。以钢铁工业的高炉自动化为例，不外是在常规系统加上人工智能预报、更多的数学模型以及一些专门
11、显示。芬兰向我国出口多套这样的系统就已要价数百万美元。因此可以认为：常规自动化系统+先进控制=国际先进水平广义的先进控制包括智能控制、数学模型的应用、预测控制、H理论和现代控制理论等应用。此外，由于资金所限，往往认为只能作些简单的功能，其实，如果想办法，也完全有可能达到先进的水平。笔者从事某玻璃厂的大修自动化工程，其有限资金只能勉强作数据采集系统，我们在数据采集做好监控功能外，装进一个平板玻璃配料模型，且实行玻璃成份预报，此外还装设玻璃质量缺陷原因诊断专家系统，而使一个简单的数采系统变成一个具有先进水平的系统，而且很实用和解决问题。因为，配料对玻璃成份和质量有很大的影响，而人工计算原料成分的变
12、化很费时，而计算机运算则可瞬间完成，它还可预测出平板玻璃的化学成份，使用神经元网络，输入生产工艺参数后，可预测玻璃的物理参数和机械性能，而常规生产则要等几个小时，直到玻璃生产出来并检测后才能知道，但已经是无法调整了，更无法调整生产参数以强化生产，这种用模型和人工智能的质量预测是近年来国外发展起来的新技术，已在各个工业部门应用，过去是用统计方法预测成品的物理参数，但对太多的工艺参数就很困难了，而神经元网络则无问题。此外，玻璃质量缺陷种类很多，原因也很多，不易确定，而玻璃质量缺陷原因诊断专家系统则可使没有经验的操作员也可达到专家水平。又例如，在设计某给水站自动化系统时，传统的系统是监测、越限报警等
13、功能，但为了保证最远点用户供水和水压，给水站出口水压和泵的使用台数还得根据用水情况、负荷情况、气候、白天或黑夜而不同，而需要人工经常调整，为此我们加上一个专家系统，把上述规律写成规则，由专家系统控制，这样一来，不仅大大提高了自动化系统的水平，而且可实现无人化，改善了控制质量，用户满意，节省电能，因而带来重大的经济效益，同时也为自动化系统带来更高的附加值。 有人认为使用先先进控制，例例如使用专家家系统很难，其其实不然，根根据作者的经经验，只要长长期不懈致力力于专家系统统的开发，方方法正确，深深入研究工艺艺知识（事实实上许多工艺艺机组，如炉炉窑、轧机，其其理论基础都都相差无几，只只是与产品和和工艺
14、流程不不同而有些差差别）和了解解专家系统知知识和善于使使用开发工具具，积累资料料，开发一个个专家系统是是不大困难的的，表1示出出了作者开发发的几个专家家系统所需的的时间。从表1可以以看出，构成成专家系统并并投入现场所所需时间越来来越短，序号号1是使用CC语言编制专专家系统骨架架（知识库、推推理机等），不不仅耗时间，且且增添、修改改不方便，可可靠性也差，以以后使用专家家系统开发工工具，就大大大节省时间，且且增添、修改改也容易，可可靠性也好，序序列号2就是是一例，规则则千余条，前前后修改3、44次，一次投投运成功，达达到预定目标标。以后由于于对开发方法法更为掌握，工工艺知识更了了解，接口、汉汉化等
15、编程越越来越熟悉，使使用更先进的的专家系统开开发工具，采采用面向用户户无需编程的的专家系统开开发工具（附附有标准原程程序，当自行行设计专用界界面时，可用用此剪贴），故故速度越来越越快，总之开开发一个专家家系统，在掌掌握以后，就就不是难事了了。5.2 硬件的的选择（11） 基础自自动化硬件的的选择。传统统的方法是使使用PLC或或DCS，对对于大规模的的系统，往往往其电控部分分采用PLCC，而回路控控制即过程量量控制采用DDCS，近年年来由于PLLC增强了回回路控制的功功能，同样DDCS也加强强逻辑控制的的功能，而彼彼此能互相覆覆盖。为减少少备件数量和和便于连网，采采用IE（II-仪表、EE-电力
16、传动动控制）设备备一体化，即即采用全PLLC或全DCCS构成基础础自动化，一一般认为回路路控制占主要要的机组应采采用全DCSS的解决方法法，因为DCCS针对回路路控制的模块块多，使用方方便，而逻辑辑控制占主要要机组应采用用全PLC的的解决方法。根根据笔者的经经验，特别对对低成本自动动化而言，由由于PLC比比DCS要便便宜（约低11/4以上），而而PLC用于于回路控制的的模块和软件件虽然不及DDCS完备，但但已足够使用用，因为工业业控制主要是是使用PIDD、加、减、乘乘、除、开方方等，笔者在在设计上海梅梅山冶金公司司的120立立方米高炉自自动化系统就就是采用全PPLC系统，执执行电控（DDI,D
17、O两两千多点）和和仪测仪控（AAI,AO约约700点，控控制回路约550）这样的的大规模功能能，但价格比比PLC+DDCS方法低低1/4以上上。近年来，PPLC生产商商更设计适合合于回路控制制的但价格低低的PLC，如如德国西门子子公司的PCCS-7可编编程序控制器器，它采用价价格较低的SS7-3000系列的I/O模块，加加强CPU的的回路控制的的功能。因此此采用全PLLC系统看来来是低成本自自动化的合适适趋向，当然然，最终还应应从价格和其其他因素综合合考虑。近来，由于于PC-baased（以以工控机为基基础）的发展展，以工控机机、I/O装装置、监控器器组成自动化化系统，对大大规模系统更更加上网
18、络组组成分布式系系统，多级计计算机系统，而而且能够双机机热备和冗余余配置。此外外，还有许多多公司（如美美国的Enttivityy公司、Thhink & Do公司司、Steeeplechhase公司司等）从事支支持软件的工工作，并已商商品化，PCC-baseed的基础自自动化系统已已在矿业、冶冶金、石油、机机械、化工、水水处理、医药药、电子、食食品、纺织、半半导体等许多多机组中应用用。我国重庆庆钢铁公司这这样的大企业业的几乎全部部大型加热炉炉也拆除了原原来DCS或或单回路数字字式调节器，而而改用PC-basedd工控机来组组成控制系统统，并采用模模糊控制算法法而获得良好好效果，节约约大量投资、方
19、方便维护和取取得显著经济济效益。（2）过程程自动化级硬硬件的选择。传传统的方法是是使用美国DDEC公司的的VAX型过过程计算机或或Alphaa系列的小型型机或其他公公司生产的类类似计算机作作为核心组成成过程自动化化级，其硬件件的价格，还还有其系统软软件的价格均均令人却步，加加以应用软件件的编制也较较为困难和价价格高，而使使人们怀疑对对设置过程自自动化级是否否值得和有效效。其实工控控机的发展，其其内存和硬盘盘的容量、主主频即速度已已足以满足过过程自动化级级的要求，在在欧洲电气公公司设计的自自动化系统，其其过程自动化化级的硬件大大多使用工控控机，其实220多年前，即即80年代世世界上最著名名的水泥
20、设备备的供应商和和制造商之一一的，我国也也早已引进多多套（柳州水水泥厂、珠江江水泥厂等）的的丹麦F.LL.Smitth公司的现现代化的窑外外分解式大型型水泥厂的自自动化系统已已使用PC机机来组成过程程自动化级，使使用三台PCC机，分别执执行过程监控控、筒体（水水泥窑）温度度和配料数学学模型运算与与闭环控制。然然而在大中型型企业和机组组，特别是钢钢铁工业及大大多数设计者者、使用部分分仍积习难改改而采用VAAX或Alppha系列的的计算机作为为过程自动化化级硬件。笔笔者在许多年年前，在设计计上海梅山冶冶金公司的11250立方方米高炉自动动化系统的过过程自动化级级的方案中，就就是采用两台台工控机实现
21、现训炉过程自自动化级的功功能，并已成成功地运行多多年。但不少少人并不认同同使用PC机机作为过程计计算机，直到到近几年国外外广泛使用PPC机作为过过程计算机而而大量降低价价格，才使这这些人改变看看法。图2是是德国SMSS-DEMAAG不锈钢生生产线三电自自动化系统同同时也是为宝宝钢集团公司司上海第一钢钢铁厂新建不不锈钢生产线线的推荐系统统。它包括超超高功率电弧弧炉、AODD炉和VODD炉各一座，后后配连铸机（不不包括在本系系统内），其其过程自动化化级包括4台台PC机（每每台设奔腾处处理器，100GB硬盘，2256MB内内存，CD-ROM驱动动器，内部键键盘和鼠标，系系统总线接口口板，软件为为Wi
22、ndoows-NTT），分别作作为中央数据据库系统、EEAF(电弧弧炉)/AOOD炉/VOOD炉的过程程计算机、开开发试验计算算机和供主技技术专家使用用的计算机。其其功能相当复复杂，包括电电弧炉、AOOD炉和VOOD炉复杂数数学模型及在在线控制。系系统的特点是是无论操作员员终端或过程程计算机、OOS服务器都都全部使用PPC机，系统统软件也是通通用的，因而而造价低廉，但但功能强大。似乎可以得出结结论，即应使使用PC机来来组成过程自自动化级来达达到低成本自自动化的目的的。（33）管理自动动化级硬件的的选择。和过过程自动化级级同样，管理理自动化级也也可以使用PPC机来组成成，文献11提出的多多级自动
23、化系系统就是一例例（图3），它它已在某钢铁铁厂实施了，但但由于是近220年设计的的，受当时PPC机水平所所限，还只是是MIS系统统（信息管理理系统），今今天PC机的的进展，完全全可以实现CCAD、CAAT、CAMM而实现CIIM功能。5.3 系统软件的的选择应该选用通通用和价格较较低而具有良良好性能的系系统软件，如如Windoows-NTT、Visiial Baasic 66.0等。对对于监控软件件，往往由使使用部门指定定，例如要IIn Touuch等。各各种监控软件件（如研华、组组太王、Onnspec、SSynalll、Citeect等等）的的功能和使用用方法都大同同小异，有些些功能可能强强
24、一些、齐全全一些、也许许界面好看一一些，但价格格可能差别很很大，而较丰丰富的功能未未必用得上，故故应“综合考考虑、满足要要求即可、价价格应优先”，事事实上，一般般数据采集和和监控，用VVisiall Basiic 6.00完全可编制制，许多软件件工作者都有有这种积累，并并没有多花太太大的力量但但可低成本。5.4 关于网络也有性能和价格问题，也会出现上述毛病，即往往使用部门指定，例要现场总线等，这种无法选择会导致不必要地使用了价格高昂的软件，因此最好听从专业人员的意见，因为各种总线和网络价格也很不同，现场总线无疑有很多优点，但不是任何场合都是最优的，例如有一个自动化系统，由于逻辑顺序控制点数很多
25、，应该使用PLC来组成分布式系统，但使用部门较熟识西门子公司的PLC，为便于维护和减少备件，希望使用西门子公司的PLC，也想使用现场总线，但比较价格与性能，西门子公司的Profieldbus的价格比之SINEC-H高得多，CPU也得专门的型号，但系统结构并无太大区别，现场总线能节约配线，在PLC使用远程I/O后，能达到同样效果。因此网络选择也应“综合考虑、满足要求即可、价格应优先”。综上所述，低成本自动化要考虑的问题很多，要认真和综合考虑以及多方面配合才能达到。6低成本自动化的实践表1列出了几个低成本自动化的例子。其功能都是常规自动化+先进控制而达到本但获得很高水平，甚至和国际先进水平大致相同。参考文献：略表1 低成本自动化系统应用举例