低成本自动化在工业控制中应用

1低本钱自动化及其在工业控制中应用马竹梧循角摘要永：本垫文首束先叙舌述低阻本钱柜自动悔化的英概念淹，系早统构赵成、父硬件介、软怪件和神功能均选择户原那么罚，特婚别是题先进崭功能说的考躺虑方串法和再效益臭。最瞧后叙鸦述低鼠本钱骑自开工化应招用的廉例子偏。

购象1.耗前言

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2.低本钱自动化的概念

什么是LCA〔低本钱自动化〕？很难有确切的定义，但其本质上是针对中小企业或某些准大型企业，因为大型机组如钢铁工业的5000立方米高炉、300t转炉、1900mm连铸机、2050mm板带热连轧机和5000mm中厚板轧机等，虽然也要求价廉物美的自动化系统，但无论企业产值、效益，对自动化的要求及允许投资占总设备投资的百分数，对装备完善的自动化系统是不会有问题的〔当然，近年来这些机组也采用局部LCA技术了〕，此外也不能把什么都算低本钱自动化或什么自动化都是低本钱的，否那么将会得出错误的概念而不利于实现低本钱自动化。

低本钱自动化广义的概念是：

〔1〕其投资可以到达或增加产量或改善质量、节能和降耗目的，并可使资金在1-2年内回收，一般占设备总投资的7-12％；

〔2〕低本钱自动化必须是紧凑的、功能是必需的、可用性是良好的；

〔3〕低本钱自动化抽粗后，其功能投入率应在95％以上；

〔4〕低本钱自动化必须是易维护的且维护费用是较低的，工作是可靠的，在线率应在95％以上；

〔5〕低本钱自动化的投入产出比应是显著的，应为1：3-5假设以投资在1-2年内回收，那么设备寿命应为在5-8年；

〔6〕低本钱自动化投资应有个相对上限值，在新建厂矿应低于一般规定的占总设备总投资的百分比，对特殊工程应远低于省市权限批准的资金范围内。

3.低本钱自动化的范围

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有人认为使用先进控制，例如使用专家系统很难，其实不然，根据作者的经验，只要长期不懈致力于专家系统的开发，方法正确，深入研究工艺知识〔事实上许多工艺机组，如炉窑、轧机，其理论根底都相差无几，只是与产品和工艺流程不同而有些差异〕和了解专家系统知识和蔼于使用开发工具，积累资料，开发一个专家系统是不大困难的，表1示出了作者开发的几个专家系统所需的时间。

从表1可以看出，构成专家系统并投入现场所需时间越来越短，序号1是使用C语言编制专家系统骨架〔知识库、推理机等〕，不仅耗时间，且增添、修改不方便，可靠性也差，以后使用专家系统开发工具，就大大节省时间，且增添、修改也容易，可靠性也好，序列号2就是一例，规那么千余条，前后修改3、4次，一次投运成功，到达预定目标。以后由于对开发方法更为掌握，工艺知识更了解，接口、汉化等编程越来越熟悉，使用更先进的专家系统开发工具，采用面向用户无需编程的专家系统开发工具〔附有标准原程序，当自行设计专用界面时，可用此剪贴〕，故速度越来越快，总之开发一个专家系统，在掌握以后，就不是难事了。

5.2硬件的选择

〔1〕根底自动化硬件的选择。传统的方法是使用PLC或DCS，对于大规模的系统，往往其电控局部采用PLC，而回路控制即过程量控制采用DCS，近年来由于PLC增强了回路控制的功能，同样DCS也加强逻辑控制的功能，而彼此能互相覆盖。为减少备件数量和便于连网，采用IE〔I-仪表、E-电力传动控制〕设备一体化，即采用全PLC或全DCS构成根底自动化，一般认为回路控制占主要的机组应采用全DCS的解决方法，因为DCS针对回路控制的模块多，使用方便，而逻辑控制占主要机组应采用全PLC的解决方法。根据笔者的经验，特别对低本钱自动化而言，由于PLC比DCS要廉价〔约低1/4以上〕，而PLC用于回路控制的模块和软件虽然不及DCS完备，但已足够使用，因为工业控制主要是使用PID、加、减、乘、除、开方等，笔者在设计上海梅山冶金公司的120立方米高炉自动化系统就是采用全PLC系统，执行电控〔DI,DO两千多点〕和仪测仪控〔AI,AO约700点，控制回路约50〕这样的大规模功能，但价格比PLC+DCS方法低1/4以上。近年来，PLC生产商更设计适合于回路控制的但价格低的PLC，如德国西门子公司的PCS-7可编程序控制器，它采用价格较低的S7-300系列的I/O模块，加强CPU的回路控制的功能。因此采用全PLC系统看来是低本钱自动化的适宜趋向，当然，最终还应从价格和其他因素综合考虑。

近来，由于PC-based〔以工控机为根底〕的开展，以工控机、I/O装置、监控器组成自动化系统，对大规模系统更加上网络组成分布式系统，多级计算机系统，而且能够双机热备和冗余配置。此外，还有许多公司〔如美国的Entivity公司、Think&Do公司、Steeplechase公司等〕从事支持软件的工作，并已商品化，PC-based的根底自动化系统已在矿业、冶金、石油、机械、化工、水处理、医药、电子、食品、纺织、半导体等许多机组中应用。我国重庆钢铁公司这样的大企业的几乎全部大型加热炉也撤除了原来DCS或单回路数字式调节器，而改用PC-based工控机来组成控制系统，并采用模糊控制算法而获得良好效果，节约大量投资、方便维护和取得显著经济效益。

〔2〕过程自动化级硬件的选择。传统的方法是使用美国DEC公司的VAX型过程计算机或Alpha系列的小型机或其他公司生产的类似计算机作为核心组成过程自动化级，其硬件的价格，还有其系统软件的价格均令人却步，加以应用软件的编制也较为困难和价格高，而使人们疑心对设置过程自动化级是否值得和有效。其实工控机的开展，其内存和硬盘的容量、主频即速度已足以满足过程自动化级的要求，在欧洲电气公司设计的自动化系统，其过程自动化级的硬件大多使用工控机，其实20多年前，即80年代世界上最著名的水泥设备的供给商和制造商之一的，我国也早已引进多套〔柳州水泥厂、珠江水泥厂等〕的丹麦F.L.Smith公司的现代化的窑外分解式大型水泥厂的自动化系统已使用PC机来组成过程自动化级，使用三台PC机，分别执行过程监控、筒体〔水泥窑〕温度和配料数学模型运算与闭环控制。然而在大中型企业和机组，特别是钢铁工业及大多数设计者、使用局部仍积习难改而采用VAX或Alpha系列的计算机作为过程自动化级硬件。笔者在许多年前，在设计上海梅山冶金公司的1250立方米高炉自动化系统的过程自动化级的方案中，就是采用两台工控机实现训炉过程自动化级的功能，并已成功地运行多年。但不少人并不认同使用PC机作为过程计算机，直到近几年国外广泛使用PC机作为过程计算机而大量降低价格，才使这些人改变看法。

图2是德国SMS-DEMAG不锈钢生产线三电自动化系统同时也是为宝钢集团公司上海第一钢铁厂新建不锈钢生产线的推荐系统。它包括超高功率电弧炉、AOD炉和VOD炉各一座，后配连铸机〔不包括在本系统内〕，其过程自动化级包括4台PC机〔每台设奔腾处理器，10GB硬盘，256MB内存，CD-ROM驱动器，内部键盘和鼠标，系统总线接口板，软件为Windows-NT〕，分别作为中央数据库系统、EAF(电弧炉)/AOD炉/VOD炉的过程计算机、开发试验计算机和供主技术专家使用的计算机。其功能相当复杂，包括电弧炉、AOD炉和VOD炉复杂数学模型及在线控制。系统的特点是无论操作员终端或过程计算机、OS效劳器都全部使用PC机，系统软件也是通用的，因而造价低廉，但功能强大。

似乎可以得出结论，即应使用PC机来组成过程自动化级来到达低本钱自动化的目的。

〔3〕管理自动化级硬件的选择。和过程自动化级同样，管理自动化级也可以使用PC机来组成，文献[1]提出的多级自动化系统就是一例〔图3〕，它已在某钢铁厂实施了，但由于是近20年设计的，受当时PC机水平所限，还只是MIS系统〔信息管理系统〕，今天PC机