工业自动化系统工程设计的一般进程模式探讨.doc

工业自动化系统工程设计的一般进程模式探讨工业自动化系统工程设计的一般进程模式探讨 2011年09月15日重要提醒：系统检测到您的帐号可能存在被盗风险，请尽快查看风险提示，并立即修改密码。 | 关闭 网易博客安全提醒：系统检测到您当前密码的安全性较低，为了您的账号安全，建议您适时修改密码 立即修改 | 关闭 工业自动化系统工程设计的一般进程模式探讨 2011-09-15 15:15:55| 分类： 默认分类| 标签：|字号大中小 订阅 通过对工业自动化系统设计过程规律的研究与讨论，分析自动化系统设计的一般进程模式及其特点，阐述该模式各个阶段的工作内容，以利于采用系统理论与方法对自动化系统进行分析与综合，以适应现代化大中型工程自动化系统设计优化的需要。 关键词：自动化系统设计 进程模式 设计方法学 方案设计 技术设计 施工设计 在工业自动化领域，尽管有很多成功的自动化系统设计范例，但是，一般设计师对自动化系统设计进程却缺少专门和系统的理解，许多自动化系统的设计工作对设计师的工程实践经验依赖性很大，不同的设计师可能会有完全不同的设计方法和设计思路。近年来，随着控制理论、计算机技术、数字控制技术的发展和自动化控制水平的提高，自动化系统的设计发生了许多变化： (1)许多先进的控制理论日趋成熟，可是缺少行之有效的选择方法来满足现代化大中型工程的要求，控制理论的工程化势在必行，改善自动化系统的设计方法和效率是可行的途径；(2)T业生产自动化控制水平的提高，控制范围和控制功能的扩大，增加了自动化系统的设计难度，需要采用递阶分布式控制系统；(3)计算机控制与电气传动、自动化仪表控制已经无明显的界限，需要打破原有的专业划分，统一各专业的设计习惯；(4)软件设计复杂程度和工作量的大量增加，要求采用软件工程的方法进行软件设计；(5)闭i着CAD技术在各个领域设计工作中的广泛应用，计算机辅助自动化系统设计成为必然趋势。 上述变化要求将自动化系统的设计工作系统化和规范化，并对自动化系统的设计进程有完整的认识。 文111阐述了控制系统设计方法学的概念和意义，文探讨了控制系统设计的一般进程模式。本文运用设计方法学有关设计进程的理论，结合笔者在自动化系统工程中的设计经验，对工业领域自动化系统工程的设计过程进行系统分析，并探讨工业领域自动化系统工程设计的一般进程模式。 1 设计方法学的基本概念 设计方法学是研究设计项目中设计进程的一般性理论，它讨论了设计进程的战略思想和设计进程各个阶段工作步骤中的具体战术，建立工程项目设计的一般进程模式是设计方法学的重要工作内容。 设计方法学认为：任何一种过程都可以分懈成为较小的组成部分，这与递阶分布式控制系统的集合性特征相一致，后者认为：分布系统是由两个以上可以相互区别的元素或组成部分构成。技术系统是经过人的有意识活动而创造出的或组成的人造系统，技术系统作为一种把完全确定的输入量(物料、能量和信息)，在一定的空间和时间下，实现所期望的转化效应(输出量)的过程，一般用具体的目标和指标体现系统的目的性。根据系统的集合性和相关性特征，技术系统可以分为许多承担不同功能(任务)的子系统，将技术系统的工程设计工作按照实现上的时间先后顺序，结合其工作内容在系统中的组成规律和特征，分解为承担不同任务的各个阶段，以有利于项目组成员在不同的工作阶段相互协调、有重点地开展工作，也有利于设计师对不同的工作内容有针对性、有目的地选择合适的方法，提高设计质量。 在机械工程领域，有关设计进程的研究已经取得了实际效果，对机械产品设计的系统化、规范化和最优化产生了积极的促进作用，对开展机械产品CAD、自动化设计和CIMS等的应用与研究具有重要的指导意义。 工业自动化系统作为一种重要的技术系统，其工程项目设计工作也遵循设计方法学的一般规律，同时又有特殊性。文阁指出了国内冶金自动化的工程能力与国外著名电气公司相比的主要差距，国外电气公司对各类冶金自动化系统拥有成套的技术，具有自己专用的硬件设备、基本软件和开发平台，更重要的是，具有完整的工程规范，它规定了一个冶金自动化工程的阶段划分、各个阶段的任务和技术文件的内容与格式。我国冶金自动化与国外的差距在其它领域的自动化方面也有具体体现。因此，研究工业自动化系统工程设计方法学对实际工作具有重要的指导意义。 2 自动化系统设计一般进程模式与其特点 早在20世纪70年代，VDI(西德工程师协会）就制1)就制定了西德技术准则，其中VDI 221l就是有关设计程的。VDI 2211以机械制造、精密机械技术、线路和件开发以及化工装置等行业为着眼点，制定了开发和设计时的进程，其主要阶段为： (1)阐述任务书信息方面的说明；(2)方案设计原理方面的确定；(3)技术设计结构方面的确定；(4)施工设计制造技术方面的确定。 上述设计阶段的划分对中小型自动化系统设计项目比较适用。但是对大型项目，特别是需要进行可行性研究的项目还缺少内容。文献41按生命周期方法将自动化系统设计一般进程模式分为六个阶段： (1)可行性分析通过调查、分析和研究，从技术和经济可行性两方面确定是否有必要有可能建立该系统；(2)系统分析相当于系统总体设计或方案设计或能分析，分析用户需求，确定系统的逻辑功能；(3)系统设计相当于传统意义上的技术设计或初设计，也相当于概要设计，根据系统总体设计进行各部分(包括软件)的具体设计；(4)详细设计相当于传统意义上的施工设计，将系设计具体实施，并进行程序设计与编码；(5)实施与测试对系统进行全面测试、检验与调试，检查是否满足设计与工艺要求；(6)系统维护控制系统的日常维护。 根据设计方法学对一般设计工作进程模式提出的要求，结合自动化系统的特殊性，我们认为自动化系统设计的一般进程模式应具有如下特点： (1)普遍性一般进程模式应对自动化系统工程具普遍的指导作用；(2)整体性一般进程模式应该结构清晰，完整地描自动化系统工程的工作内容；(3)先进性一般进程模式要有利于经济地获得控系统的最佳设计方案；(4)可裁剪性一般进程模式应允许项目主持人能根据自动化系统工程的规模，既可以完整地利用整个模式，也可以仅利用其部分模式；(5)7操作性一般进程模式应有利于从事实际工作项目组织人员、项目计划人员、技术管理人员和设计师的应用，有利于通过直觉的方式得到某些阶段性的设计结果；(6)集成性易于与设计单位和用户各自的CIM集成。 因此，我们认为：依据设计方法学和生命周期方法，结合产品fl每(-TQCSE(Time，Quality，vironment)属性，工业自动化系统工程设计的模式可以分为六个阶段：可行性分析、方案设计、技术设计、施工设计、实施与调试、系统维护，特别强调的是在技术设计和施工设计阶段不可忽视软件设计与程序设计。 3 一般进程模式的工作内容 31 可行性分析 可行性分析的目的是用最小的代价和最短的时问，确定自动化工程项目目标是否能够实现，问题能否解决和是否值得解决，以决定该项目是否应该立项，包括分析控制对象特性、了解和分析控制系统的有关物理量、明确系统的工作环境条件、控制性能要求、设计时间进度、系统成本以及国内外在本领域控制系统的研究和应用情况等。可行性分析的产品是可行性研究报告。 自动化系统作为整个工程项目的一部分，其技术经济分析通常与整个工程统一进行，因此，在经营活动中，应该参与用户的可行性研究工作，以便为后期项目的中标创造条件。 可行性研究报告主要包括： 自动化系统的专业分工与内容和设计范围； 设计原则； 系统组成； 系统主要功能； 控制水平与主要控制思想； 主要设备与技术装备水平； 关键技术的实现方案； 系统技术指标； 几种控制方案的分析比较； 设计时间计划； 结论。 32 方案设计 方案设计的任务是对整个系统进行全面的系统分析，根据工艺要求和具体控制对象提出各项功能与科学合理的性能指标。方案设计是确定自动化系统实现原理方案的过程，通过抽象化来认清问题本质，将系统功能分解细化，建立功能结构，并对各个具体功能寻求原理方案。 有时有若干个方案或其变形，评价结果又很相近，那么，只有在进一步具体化后才能作出决断。 方案设计阶段是决定自动化系统设计是否成功的关键阶段，也决定了系统的性能和成本范围。在其后的技术设计和施工设计很难纠正原理方案中的根本缺陷，往往会放大这些缺陷。 方案设计的产品是功能需求说明书和初步的用户手册，功能需求说明书应由工艺专业和各有关专业共同编制，而不仅仅是电气自动化专业的任务。 功能需求说明书主要包括： 编制依据和编制说明； 项目总体情况及要求； 生产工艺流程、各种参数、工艺设备计算方法及相关说明； 工艺设备组成、规格和性能； 机电设备组成、规格和性能； 工艺设备布置图； 确定系统各项功能，提出具体规定、约束和控制要求； 确定系统性能，如控制精度、系统响应速度、产品精度等技术指标； 工艺设备运转方案； 系统运行方式、操作方式、要求与说明； HMI描述； 打印内容与格式； 细化的设计时间计划； 其它。 33 技术设计 技术设计主要解决功能需求说明书提出的问题如何实现。既包括电气传动、自动化、计算机和仪表系统的硬件技术设计，也包括软件系统技术设计。设计师以工艺、机械和液压等专业的任务书为依据，从原理方案出发，根据技术和经济分析，从时间一空间权衡与软件一硬件功能分配角度明确、完整地拟订实现载体。 传统的控制系统设计方法为技术设计阶段的工作积累了丰富的工程经验和许多有效的方法，如系统辫识、建模方法、控制算法的确定、控制参数的整定、执行机构的选择、系统优化和系统仿真等，技术设计阶段确定了整个自动化系统涉及到的全部技术参数、精度指标和系统成本。在本阶段，对自动化系统的具体组成、元器件结构优化是保证系统可靠、经济的实现的关键。 技术设计的产品是技术设计图纸、技术设计说明书和系统调试规格书。 技术设计说明书主要包括： 技术设计依据； 工艺设备、工艺流程与工艺要求； 专业分工与设计范围； 系统构成与主要功能； 控制水平与主要控制思想； 自动化系统硬件设计； 自动化系统软件设计； 系统运行方式、操作方式设计与说明； I-IIVlI界面设计； I0接口设计； 系统可靠性。 技术设计说明书的自动化系统硬件设计部分包括如下内容： 硬件设备选型原则； 自动化系统的体系结构； 网络通讯、数据传输与信息传递； 电气传动设备组成、选型、性能及相关参数； 自动化设备(IPC、PEg、nui)组成、能及相关参数； 过程计算机系统组成、选型、性能及相关参数； 自动化仪表组成、选型、性能及相关参数； 检测元件与装置组成、选型、性能及相关参数和主要作用。 技术设计说明书的自动化系统软件设计部分对于基础自动化级和过程自动化级与管理自动化级有较大差别，对于基础自动化级可以直接编制基础自动化系统软件详细设计说明书，其主要内容应包括： 采用适当的软件详细设计工具描述程序设计思想与存储器分配； 说明重要的操作顺序、控制算法； IO信号接线表；网络信号列表； HMI界面格式与内容、功能键操作与说明； 软件设计标准。 而对于过程自动化级与管理自动化级由于软件的复杂性，需将技术设计划分为两个阶段：软件需求分析和软件详细设计阶段，可以依据软件工程与国家标准进行设计，软件详细设计阶段可以与施工设计同步开展工作。 34 施工设计 施工设计一般和软件详细设计同时分别进行，施工设计包括自动化系统配线与配管图、屏台柜箱结构设计、现场施工设计等内容。以往设备制造工厂的自动化设计部门不承担此部分工作，但这不利于设备制造工厂的发展，无法进行工程总承包，无法承担交钥匙工程。 3.5 实施与调试 该阶段包括屏台柜箱的制造与单元调试、软件编码与单元调试、软件组装测试、现场安装、现场无负荷调试和现场负荷调试等内容。 软件测试应注重测试用例的设计，逻辑覆盖属于白箱测试方法，而等价类划分、边值分析和因一果图属于黑箱测试方法。 为了优化调试过程，提高调试质量，加快调试进度，使调试过程科学化、规范化，在调试之前，应组织设计人员根据工程的总体时间安排，编写自动化系统调试说明书，其主要内容包括： 调试目的；调试方案；调试步骤和调试方法；调试应达到的功能和性能指标；应具备的调试条件；调试前的准备工作；调试需要的设备、仪表、工具、材料和备品备件；选型、性调试分工与人员安排；调试时间进度安排；其它有关说明与要求。 36 系统维护 系统维护是保证自动化系统正常运行的日常工作，系统维护工作包括四方面工作内容： 日常性维护处理系统运行发生的异常与故障，更换坏损的设备、元器件与电线电缆；改正性维护改正系统的设计缺陷；适应性维护使系统适应外部环境(如工艺变化等)的变动；完善性维护扩充系统功能、提高系统性能。 系统维护应有必要的记录。 4 结论 按设计方法学的思想研究工业自动化系统工程设计的一般进程模式，其目的在于实现自动化系统设计的系统化、规范化和标准化为实现自动化系统的整体优化及CAD设计和PDM管理奠定基础。文中提出了自动系统工程设计的一般进程模式，但是对于不同的控制对象和工艺过程，自动化系统的设计进程并不完全遵循一般设计进程模式，有时不是有序进行的，而是跳跃式进行的。自动化系统设计过程本身也是具有迭代和反复特性，随着技术的进步，自动化系统的一般进程模式也会发生变化。 自动化