淺談自動(dòng)化領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)水泥工業(yè)和其他流程工業(yè)一樣，未來(lái)的十年將面臨著市場(chǎng)和能源；清潔生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)；高效和規(guī)范；負(fù)責(zé)和協(xié)調(diào)的挑戰(zhàn)。節(jié)能、環(huán)保、安全、高效是每一水泥集團(tuán)必須要面對(duì)的課題，而自動(dòng)化技術(shù)和這四大目標(biāo)又是緊密相連，本文將就當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)和水泥行業(yè)有關(guān)的最新發(fā)展趨勢(shì)做一簡(jiǎn)述，以便為我國(guó)水泥工業(yè)發(fā)展，搭建更為廣闊的交流和溝通的平臺(tái)。 

一．    信息技術(shù)推動(dòng)自動(dòng)化 
以信息技術(shù)改造水泥行業(yè)，以信息化推進(jìn)自動(dòng)化，自動(dòng)化再促使節(jié)能、環(huán)保、安全、高效四大目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，已成為業(yè)界的共識(shí)。在當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)，從工藝現(xiàn)場(chǎng)層到工廠（集團(tuán)）管理層可經(jīng)由以太網(wǎng)，基本實(shí)現(xiàn)信息的暢通無(wú)縫流通，所謂的“現(xiàn)代集成生產(chǎn)工藝”是將信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代新工藝相結(jié)合，并應(yīng)用于企業(yè)產(chǎn)品生命周期的各個(gè)階段，通過(guò)信息的無(wú)縫集成、過(guò)程優(yōu)化和資源優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)物流、信息流、價(jià)值流的集成，以縮短企業(yè)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期（T）、提高質(zhì)量（Q）、降低成本（C）、改進(jìn)服務(wù)（S）和改善環(huán)境（E），從而提升企業(yè)的市場(chǎng)的應(yīng)變能力和競(jìng)爭(zhēng)能力，與此想適應(yīng)開(kāi)發(fā)出一系列管理層軟件，如ERP、MRP、MIS、PES等，并越來(lái)越顯示其巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 

國(guó)內(nèi)一些大水泥集團(tuán)在當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇的壓力下，也緊跟這股信息化的潮流，推進(jìn)自動(dòng)化的發(fā)展，如國(guó)內(nèi)某水泥集團(tuán)近幾年來(lái)，在新建的水泥生產(chǎn)線做自動(dòng)化控制系統(tǒng)配置時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和過(guò)程控制級(jí)（PCS）的上端，還增加了制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES ）層，并正在策劃和運(yùn)作ERP，即企業(yè)資源規(guī)劃和管理層，它包括有生產(chǎn)管理系統(tǒng)、質(zhì)量控制系統(tǒng)、采購(gòu)管理系統(tǒng)、倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)、銷(xiāo)售子系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化管理系統(tǒng)和綜合管理子系統(tǒng)等。在水泥市場(chǎng)供大于求，競(jìng)爭(zhēng)激烈的形勢(shì)下，由于該集團(tuán)初步實(shí)現(xiàn)了MES的運(yùn)營(yíng)，集團(tuán)化管理的控制力和執(zhí)行力明顯提高，精細(xì)化運(yùn)行方式使得物流成本和原材料成本得到控制，實(shí)現(xiàn)了綜合效益的大幅增長(zhǎng)，凈利潤(rùn)比去年同期增加了12.76%。筆者認(rèn)為該集團(tuán)的MES運(yùn)營(yíng)還是初期的，要把生產(chǎn)調(diào)度和企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)的決策統(tǒng)一成為真正的企業(yè)管理級(jí)（ERP）還需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。  

現(xiàn)今計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和先進(jìn)的控制技術(shù)相結(jié)合，已不再停留在理論和實(shí)驗(yàn)階段如模型預(yù)測(cè)、神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、多變量控制。自適應(yīng)和自尋優(yōu)等先進(jìn)控制算法已進(jìn)入實(shí)踐并用于DCS、PLC等控制器中，而且這種趨勢(shì)在加快。在水泥工業(yè)用于窯和磨的模糊控制、多變量控制以及專(zhuān)家系統(tǒng)早在上世紀(jì)就有應(yīng)用，但這些大多是由水泥設(shè)備供應(yīng)商自行開(kāi)發(fā)的如FLS、KHD等，他們提供的僅是獨(dú)立的軟件，和系統(tǒng)幾乎沒(méi)有任何聯(lián)系。而現(xiàn)在是控制系統(tǒng)的供應(yīng)商已將先進(jìn)控制算法用于DCS和PLC等控制器中，如Siemens公司專(zhuān)門(mén)為水泥工業(yè)開(kāi)發(fā)的CEMAT集成化標(biāo)準(zhǔn)軟件，它具有水泥工廠過(guò)程控制優(yōu)化的功能塊，還包括窯的煅燒和磨的負(fù)荷優(yōu)化控制，該軟件包并集成于Siemens公司的過(guò)程控制系統(tǒng)PCS7中；ABB公司的Optimize IT優(yōu)化專(zhuān)家則集成于Industry IT中，它通過(guò)集成大量已驗(yàn)證的先進(jìn)控制技術(shù)及廣泛的專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，如模糊邏輯、控制模型、神經(jīng)元和模糊控制等，來(lái)對(duì)水泥生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制及實(shí)施優(yōu)化決策管理。 

IT技術(shù)與自動(dòng)化結(jié)合另一熱點(diǎn)是公共數(shù)據(jù)庫(kù)、局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線技術(shù)等滲透控制系統(tǒng)使控制系統(tǒng)扁平化，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)，跨地區(qū)的控制。西門(mén)子公司全集成自動(dòng)化TIA的自動(dòng)化新理念，Schneider公司推出的“協(xié)同自動(dòng)化Collaborate Automation”，“透明就緒Transparent Ready”,“Unity 自動(dòng)化平臺(tái)”新概念；以及Rockwell提出的全集成的EtherNet/IP等，這些自動(dòng)化新理念使得自動(dòng)化控制系統(tǒng)更完整，也更完美。 

二．    自動(dòng)化技術(shù)的互補(bǔ)與滲透 
DCS，PLC，IPC是自動(dòng)控制領(lǐng)域的三大支柱，它們之間競(jìng)爭(zhēng)激烈，但又取長(zhǎng)補(bǔ)短和相互滲透，相互融合，因而形成了具有混合控制策略的PLC/DCS混合系統(tǒng)HCS，某咨詢(xún)集團(tuán)把其稱(chēng)之為PAC。水泥行業(yè)作為較典型的流程工業(yè)決定了其開(kāi)關(guān)量邏輯控制的主導(dǎo)地位，同時(shí)模擬量的處理多為簡(jiǎn)單的顯示和給定，控制回路基本上為并不復(fù)雜的單回路調(diào)節(jié)，這些特點(diǎn)適合于HCS的應(yīng)用。目前市場(chǎng)以PLC為主導(dǎo)地位的Siemens、Schneider、Rockwell等公司紛紛推出的具有混合控制策略的PLC/DCS混合系統(tǒng)HCS，如Siemens的PCS7, ABB的AC800F，800M, Schneider的Modicon Quantum, Rockwell的ControlLogix等，已作為主導(dǎo)產(chǎn)品在水泥行業(yè)推廣，并已取得不俗的業(yè)績(jī)。 

混合系統(tǒng)HCS的主要特點(diǎn)是：構(gòu)建一個(gè)公共的、集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)、共用標(biāo)簽和單一數(shù)據(jù)庫(kù)，以滿足多領(lǐng)域自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成的需要； 

同時(shí)它采用了可自由組合的模塊化的硬件架構(gòu)，減少系統(tǒng)升級(jí)帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)。它支持IEC61158等現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)高度分散的自動(dòng)化環(huán)境，也支持事實(shí)上的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可方便地和上一級(jí)的ERP、MIS、MES集成。有些水泥廠控制系統(tǒng)采用了Siemens的PCS7，就感到比西門(mén)子公司原有的PLC和step7的系統(tǒng)前進(jìn)了一大步，主要就是開(kāi)發(fā)環(huán)境的完善，并能方便實(shí)現(xiàn)集團(tuán)的MIS和MES集成，這對(duì)于做系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)院和系統(tǒng)集成商是至關(guān)重要的。 

三. 自動(dòng)化系統(tǒng)更注重功能和信息安全 
安全生產(chǎn)越來(lái)越引起人們的關(guān)注，人的生命高于一切，已成為衡量現(xiàn)代工業(yè)的重要指標(biāo)，對(duì)于安全事故多發(fā)的我國(guó)，意義更為重要。自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要考慮的安全有：電氣安全、防爆安全、信息安全和功能安全。信息安全是指由于信息泄密、黑客入侵等系統(tǒng)的安全性；功能安全是指控制系統(tǒng)所執(zhí)行的安全功能失效引起的可能危險(xiǎn)。目前已相繼出臺(tái)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有IEC61508—電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)，IEC61511—關(guān)于過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)，一般以整體安全等級(jí)SIL來(lái)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)程度，共有4級(jí)，安全等級(jí)SIL越高，風(fēng)險(xiǎn)就越低。 
 
水泥行業(yè)已大多采用新型水泥干法工藝，它是連續(xù)性很強(qiáng)的工藝過(guò)程，并已實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的順序和連鎖控制，筆者認(rèn)為新型干法工藝其安全等級(jí)是較高的。要進(jìn)一步提高整體安全等級(jí)必須增強(qiáng)故障診斷環(huán)節(jié)；人機(jī)操作界面要便于故障的監(jiān)測(cè)；對(duì)生產(chǎn)規(guī)模越大的生產(chǎn)線，如日產(chǎn)萬(wàn)噸熟料的生產(chǎn)線系統(tǒng)配置要提高冗余度，另外信息安全也必須高度關(guān)注，要特別增強(qiáng)煤磨車(chē)間的防爆安全等級(jí)，對(duì)于設(shè)置低溫余熱發(fā)電的企業(yè)，整體安全等級(jí)SIL要高于一般企業(yè)。 
  
在自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)現(xiàn)今紛紛出臺(tái)了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，如Siemens的故障安全容錯(cuò)S7F/FH系統(tǒng)，Rockwell的Gruard  PLC等，有的公司則配置專(zhuān)用的安全模塊和相應(yīng)的組態(tài)軟件，并由被動(dòng)的維護(hù)、診斷發(fā)展到預(yù)防性安全措施，與此相適應(yīng)還出臺(tái)了許多安全協(xié)議，如PROFIsafe、CIPsafety等。 

四. 控制系統(tǒng)由集中向分散化發(fā)展 

智能化分布式I/O是將某一部分I/O組成一個(gè)有自治能力的節(jié)點(diǎn)，其本身帶有處理器，獨(dú)立完成某一部分的控制。由于組合在一個(gè)框架內(nèi)，它可直接安裝在現(xiàn)場(chǎng)，甚至空間十分有限的地方，但它同時(shí)又可鏈接到中央計(jì)算機(jī)，從而將控制系統(tǒng)從傳統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二層結(jié)構(gòu)。許多有名的PLC廠商大都推出了分布式I/O，如Siemens的ET200系列，Rockwell的Flex ArmorI/O, Wago的WAGO-SPEED WAY 767等高速智能I/O。 
智能化分布式I/O將使水泥生產(chǎn)線的系統(tǒng)配置可更趨扁平化，原設(shè)置的遠(yuǎn)程I/O場(chǎng)合，如礦山、預(yù)配料站等可用智能化分布式I/O替代，以節(jié)省I/O安裝電纜和控制系統(tǒng)整體的開(kāi)銷(xiāo)。 

五. 無(wú)線通訊技術(shù)進(jìn)一步滲透控制領(lǐng)域 
無(wú)線通訊技術(shù)作為有線控制系統(tǒng)的補(bǔ)充，正方興未艾地用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，也是工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品一個(gè)新增長(zhǎng)點(diǎn)，運(yùn)行于2.4GHz 1SM波段的跳頻擴(kuò)頻（FHSS）無(wú)線傳輸技術(shù)具有優(yōu)良的抗干擾性和高可靠性，無(wú)線局域網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大了無(wú)線傳輸?shù)母采w范圍。無(wú)線通訊的數(shù)據(jù)安全性是人們所關(guān)心的，但可以通過(guò)加安全密碼和加密密碼等一系列措施來(lái)確保數(shù)據(jù)的安全傳輸。據(jù)悉HART基金會(huì)將在近期推出HART無(wú)線通訊新協(xié)議。 

無(wú)線通訊技術(shù)現(xiàn)在汽車(chē)、石化、水處理等行業(yè)有較多應(yīng)用，在水泥行業(yè)，有的大集團(tuán)局部輔助流程也采用了無(wú)線技術(shù)，如冀東水泥集團(tuán)在循環(huán)水泵站已采用了無(wú)線控制，浙江有些水泥廠采用無(wú)線控制裝卸散裝水泥船等，考慮到有些水泥廠占有的物理空間很大，有些工藝測(cè)量的位置難于安裝，而有些工藝測(cè)量點(diǎn)環(huán)境十分惡劣，用傳統(tǒng)的硬連線安裝器件成本又過(guò)高，如果改用無(wú)線通訊能夠節(jié)約能源，減少配線和維護(hù)費(fèi)用。 

在無(wú)線通訊領(lǐng)域內(nèi)有許多供應(yīng)商，如Siemens的SCALANCE W，它是無(wú)線局域網(wǎng)產(chǎn)品系列，可用于移動(dòng)設(shè)備之間的通訊，也可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備與固定網(wǎng)絡(luò)之間的通訊；菲尼克斯公司（Phoenix）的產(chǎn)品采用無(wú)線通訊技術(shù)有藍(lán)牙，局域網(wǎng)和
Trusted wireless(信托無(wú)線)等，也有許多中國(guó)公司在開(kāi)發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品。 

六. 人機(jī)界面更趨人性化 
人機(jī)界面已全系列化，包括手持式、面板式、臺(tái)式和PC機(jī)式。今后的人機(jī)界面已不僅僅局限于SCADA以及編程、監(jiān)控和診斷等，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，人機(jī)界面可以為操作和管理人員提供越來(lái)越多的信息，功能強(qiáng)大的模塊化軟件和多客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，使人機(jī)界面成為企業(yè)實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息以及商務(wù)垂直集成的統(tǒng)一的軟件平臺(tái)，它也是連通到外部世界的媒介。通過(guò)驅(qū)動(dòng)器或OPC來(lái)驅(qū)動(dòng)各種I/O模塊，總之人機(jī)界面已演變?yōu)橐粋€(gè)完整的系統(tǒng)。某水泥集團(tuán)MES的運(yùn)營(yíng)，集團(tuán)化管理的控制主要依靠是多種人機(jī)界面，通過(guò)OPC實(shí)現(xiàn)了集團(tuán)內(nèi)各個(gè)水泥生產(chǎn)線之間的信息交換，也實(shí)現(xiàn)了主控系統(tǒng)和各子控制系統(tǒng)的互連，如生料質(zhì)量控制系統(tǒng)等。 
七. 變頻器性能更加擴(kuò)展 
   
變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域已從常規(guī)的風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)等拓展到輸送、喂料機(jī)械等，在行業(yè)應(yīng)用面上也越來(lái)越廣，因而其功能也進(jìn)一步提升并多樣化，一方面是全數(shù)字化、功能齊全、能夠補(bǔ)償負(fù)荷變化的自適應(yīng)、調(diào)諧技術(shù)，特別是分布式具有通信、聯(lián)網(wǎng)功能和集成PLC的高端變頻器。另一方面是簡(jiǎn)易或?qū)Ｓ玫淖冾l器以及機(jī)電一體化的變頻器。就開(kāi)展控制技術(shù)而言，DTC直接轉(zhuǎn)矩控制、無(wú)傳感器矢量控制是發(fā)展方向。目前速度響應(yīng)約為2ms，電流響應(yīng)能達(dá)到 0.1到0.5ms。速度調(diào)節(jié)的發(fā)展趨勢(shì)是提高速度的控制精度，一般在閉環(huán)時(shí)，對(duì)應(yīng)于全范圍，調(diào)速比為1:100或更高時(shí)，速度控制精度高達(dá)0.05%。另外變頻器性能在低速時(shí)的過(guò)載能力，穩(wěn)定的、四象限運(yùn)行能力以及一機(jī)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)的負(fù)荷平衡等方面也有所增強(qiáng)。 
在水泥行業(yè)為實(shí)施節(jié)能降耗，在風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)、輸送設(shè)備、喂料機(jī)械等已廣泛應(yīng)用，如何在低速時(shí)經(jīng)受較大的過(guò)載轉(zhuǎn)矩，提高中壓變頻器的性?xún)r(jià)比是對(duì)制造商提出的課題。Siemens公司推出羅賓康中壓變頻器作為中壓變頻器的首選方案將有助于性?xún)r(jià)比的提高。 

除上述領(lǐng)域外，在自動(dòng)化界特別引起關(guān)注的，還有射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）的突起，它促使機(jī)器視覺(jué)及其系統(tǒng)的迅速發(fā)展；和視覺(jué)系統(tǒng)連在一體的是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，它更趨高度智能化，這對(duì)于有上百臺(tái)驅(qū)動(dòng)器的制造業(yè)，為提高生產(chǎn)效率，降低運(yùn)行成本是極為有利的。另一熱點(diǎn)是工業(yè)以太網(wǎng)的突破性發(fā)展，使工業(yè)控制的三層網(wǎng)絡(luò)更能無(wú)縫連接，并能與IT世界相通。自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展將使我們能盡快實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、安全、高效這四大目標(biāo)。