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淺談工業(yè)自動(dòng)化改造的應用
【摘要】
本文以一個(gè)信息化改造項目為例討論了實(shí)時(shí)系統與信息系統的集成。我曾參加了一個(gè)中等規模的現代化生產(chǎn)企業(yè)的數字化改造項目，該企業(yè)擁有4座自動(dòng)化連續式工作的窯爐，以及8座自動(dòng)化間隙式工作的窯爐以及多臺半自動(dòng)的中大型輔助機器。該企業(yè)希望能將這些設備實(shí)現數字化，并且重點(diǎn)要建立起一個(gè)中央監控室，能實(shí)現對設備的運行狀態(tài)參數的監督和記錄兩大任務(wù)，前者用于防止意外事故，后者可用于向該企業(yè)的決策人員和技術(shù)開(kāi)發(fā)部門(mén)提供信息。
通過(guò)我們的開(kāi)發(fā)組與該企業(yè)相關(guān)人員一起努力，分四個(gè)步驟共同完成了這一工作。第一步是實(shí)現設備狀態(tài)參數的數字化輸出；第二步是建立中央監控室的監督和記錄功能；第三步健全監控室的控制功能及相應信號的輸出；第四步則是實(shí)現生產(chǎn)設備自動(dòng)化控制的數字信號接入功能。
我在其中的主要工作有三個(gè)方面：
�。�1）作為公司開(kāi)發(fā)組和企業(yè)間聯(lián)絡(luò )的橋梁；
�。�2）負責確定該項目中各部分之間的分工，在發(fā)生沖突或出現問(wèn)題時(shí)提出相應的具體解決辦法；
�。�3）幫助解決與協(xié)調在工作過(guò)程中出現的各種困難。
【正文】
現代化企業(yè)發(fā)展生產(chǎn)與提高效率的根本途徑之一是加速信息化的進(jìn)程。在所從事的專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，我參與開(kāi)發(fā)項目的這家企業(yè)可以認為已經(jīng)具有相當程度的現代化的基礎了，比如它已擁有4條自動(dòng)化連續式工作的窯爐、8座自動(dòng)化間隙式工作的窯爐和多臺半自動(dòng)的中大型輔助機器。但是這些設備的自動(dòng)化控制在改造前還主要依靠模擬量控制，也不具備信息與數據的記錄、匯總與分析功能。該企業(yè)一方面出于對今后發(fā)展的需要，希望記錄下這些設備在工作過(guò)程中連續的狀態(tài)參數的變化情況，有運行的日志與歷史記錄，以提供給其技術(shù)開(kāi)發(fā)部門(mén)，作為產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)研究中的參考；進(jìn)一步還可提供給企業(yè)管理部門(mén)決策分析時(shí)的參考。另一方面，企業(yè)希望能夠對設備生產(chǎn)狀態(tài)有全面的監督和一定的緊急控制與應變的能力，能對生產(chǎn)設備的操作意外和設定不當，或者發(fā)生突然的未預料到的事件，防止造成事故與損失。
我們根據該企業(yè)的要求，結合項目的資金、時(shí)間、人員等現實(shí)狀況，再三考慮了該企業(yè)的經(jīng)營(yíng)情況、產(chǎn)品的市場(chǎng)和前景、項目開(kāi)發(fā)所面臨的風(fēng)險等諸多因素，經(jīng)過(guò)仔細分析，得出了如下的4條意見(jiàn)：
�。╨）由于資金的限制，切實(shí)地在相應各個(gè)環(huán)節上節約成本是相當重要的，因此要盡可能地在原有設施與條件的基礎上進(jìn)行改造，而不是進(jìn)行根本性的替換；
�。�2）此企業(yè)需要的是“實(shí)時(shí)控制系統和企業(yè)信息系統的初步集成”，而不是一個(gè)功能相當豐富和完善的系統，該企業(yè)現階段既不具備開(kāi)發(fā)這樣一個(gè)系統的能力和條件，也不具備管理維護和應用高級集成系統的相關(guān)人員，所以，項目的目標應當切合于目前條件下企業(yè)的總體要求。這樣既有利于控制成本，也有利于減少項目風(fēng)險；
�。�3）由于該企業(yè)的生產(chǎn)情況和資金、人員的限制，項目必須分階段地進(jìn)行。大體上可劃分為如下四個(gè)階段：①實(shí)現設備狀態(tài)參數的數字化輸出；②建立中央監控室的監督和記錄功能；③健全中央監控的控制功能和相應信號的輸出；④實(shí)現生產(chǎn)設備自動(dòng)化控制的數字信號接入功能；
�。�4）參與本項目涉及到的雙方的大多數人員都不精通對方的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，因此必須在加強互相溝通的同時(shí)，確定明確的分工關(guān)系。
上述四條意見(jiàn)在經(jīng)過(guò)雙方的磋商與研究后，獲得了雙方全體項目參與人員的一致認同，成為這個(gè)項目開(kāi)發(fā)過(guò)程中雙方必須理解與遵循的準則。
在第一階段，我們開(kāi)展了對半自動(dòng)的中大型輔助機器的自動(dòng)化改造。事實(shí)上，該企業(yè)早有這類(lèi)打算，并且已做了相應的技術(shù)儲備，因而這一部分的工作由該企業(yè)自身的技術(shù)人員全權負責并加以實(shí)施。項目中所涉及到的所有自動(dòng)化生產(chǎn)設備都已具有依據狀態(tài)參數模擬信號量進(jìn)行控制的能力，對于所采集到的狀態(tài)參數模擬量，企業(yè)曾計劃采用一類(lèi)以模擬信號遠程地傳至中央監控室，再進(jìn)行模數轉換的方案。此方案對企業(yè)來(lái)說(shuō)實(shí)現比較簡(jiǎn)單，但存在著(zhù)成本較高、遠傳過(guò)程易受到干擾等不利因素。隨著(zhù)模數轉換設備成本的顯著(zhù)下降和可靠性提高，經(jīng)我們建議和雙方討論，企業(yè)有決心在生產(chǎn)設備的控制設備上就地實(shí)現現場(chǎng)模數轉換，再遠傳數字信號至監控室，這一工作同樣地由熟悉這項技術(shù)的企業(yè)技術(shù)人員實(shí)行。
第二階段的工作主要由我方開(kāi)發(fā)組成員負責。我們將人員大體上分為3組，第一組主要是根據企業(yè)長(cháng)期累積的資料以及公開(kāi)發(fā)表的相關(guān)技術(shù)，建立起一個(gè)合理有效的模型，其中包括諸如數據采樣記錄的間隔時(shí)間，不同生產(chǎn)階段的數據處理時(shí)所采用的數學(xué)模型等數據處理的相關(guān)內容；第二組負責監控記錄軟件的輸入輸出接口，用戶(hù)圖形界面的選定和設計等軟件外圍功能的實(shí)現；第三組則集中力量編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的、針對性強和小巧的相關(guān)數據記錄的專(zhuān)用數據庫。這一階段是控制質(zhì)量和成本的關(guān)鍵性階段。出于對成本的考慮，以及根據數據的流量不很大，對數據的實(shí)時(shí)性處理要求不是很高（通常情況下，設備的實(shí)時(shí)控制仍由原來(lái)的自動(dòng)化系統所承擔）的實(shí)際情況，中央監控室采用了一套有雙機備份的服務(wù)器作為數據處理用的服務(wù)器，另一套同樣有雙機備份的服務(wù)器作為數據庫服務(wù)器，并且沒(méi)有使用價(jià)格昂貴的商用數據庫，而采用了由自己開(kāi)發(fā)的一個(gè)經(jīng)濟實(shí)用的專(zhuān)用數據庫。
第三階段可以看成是第二階段的自然延伸，在第二階段成功的基礎上，利用第二階段模塊處理后所獲得的數據，依據設備的多種臨界指標，進(jìn)行相應的判斷，允許在緊急情況下，發(fā)出相應的警報，并同時(shí)依據設備本身的相應緊急情況處理辦法，發(fā)出控制信號加以處理實(shí)現。這一階段的關(guān)鍵有兩方面內容：一個(gè)問(wèn)題是要求數據轉換設備擁有相對較高的可靠性與可用性，另一個(gè)問(wèn)題是要注意做好與自動(dòng)化設備原有控制系統的自我保護功能的配合協(xié)調工作。
第四階段則仍然由該企業(yè)的技術(shù)人員為主實(shí)施，在實(shí)現過(guò)程中主要是解決好第三階段所遇到的上述兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。對于第一個(gè)問(wèn)題，使用了更好的設備和部件來(lái)實(shí)現數模轉換和動(dòng)態(tài)控制；對于第二個(gè)問(wèn)題，則在控制設備中設立了優(yōu)先級判斷，使自我保護裝置的啟動(dòng)優(yōu)先級離開(kāi)中央監控室（由于自我保護啟動(dòng)速度更快，但是功能較弱）而加以解決。
從總的項目實(shí)施進(jìn)程上來(lái)看，一、四兩個(gè)階段相連貫，二、三兩個(gè)階段相連貫，而它們之間則可并行地進(jìn)行，從而滿(mǎn)足了時(shí)間進(jìn)度上的要求。
今后，本項目所采用的這類(lèi)技術(shù)可能要走向全自動(dòng)化。項目中涉及到的數據量將會(huì )更大得多，實(shí)時(shí)性要求也會(huì )更高。我們應注意使現有成熟的商業(yè)系統與產(chǎn)品如何應用到其中去，使之能盡快地滿(mǎn)足企業(yè)的要求，節約成本，并且減少開(kāi)發(fā)的風(fēng)險。
評注：本項目初步實(shí)現了生產(chǎn)控制與信息系統的第一階段集成，項目實(shí)現目標明確，效果直接。摘要中寫(xiě)了項目的背景與作者所從事的工作，正文中條理較清晰地列舉了項目實(shí)施的策略、過(guò)程與主要技術(shù)。（本文主要參考了上海沈子敬等人的論文）
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