淺談工業自動化改造的應用

【摘要】

本文以一個信息化改造項目為例討論了實時系統與信息系統的集成。我曾參加了一箇中等規模的現代化生產企業的數字化改造項目，該企業擁有4座自動化連續式工作的窯爐，以及8座自動化間隙式工作的窯爐以及多台半自動的中大型輔助機器。該企業希望能將這些設備實現數字化，並且重點要建立起一箇中央監控室，能實現對設備的運行狀態參數的監督和記錄兩大任務，前者用於防止意外事故，後者可用於向該企業的決策人員和技術開發部門提供信息。

通過我們的開發組與該企業相關人員一起努力，分四個步驟共同完成了這一工作。第一步是實現設備狀態參數的數字化輸出；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；第四步則是實現生產設備自動化控制的數字信號接入功能。

我在其中的主要工作有三個方面：

（1）作為公司開發組和企業間聯絡的橋樑；

（2）負責確定該項目中各部分之間的分工，在發生衝突或出現問題時提出相應的具體解決辦法；

（3）幫助解決與協調在工作過程中出現的各種困難。

【正文】

現代化企業發展生產與提高效率的根本途徑之一是加速信息化的進程。在所從事的專業生產領域中，我參與開發項目的這家企業可以認為已經具有相當程度的現代化的基礎了，比如它已擁有4條自動化連續式工作的窯爐、8座自動化間隙式工作的窯爐和多台半自動的中大型輔助機器。但是這些設備的自動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、彙總與分析功能。該企業一方面出於對今後發展的需要，希望記錄下這些設備在工作過程中連續的狀態參數的變化情況，有運行的`日誌與歷史記錄，以提供給其技術開發部門，作為產品質量改進研究中的參考；進一步還可提供給企業管理部門決策分析時的參考。另一方面，企業希望能夠對設備生產狀態有全面的監督和一定的緊急控制與應變的能力，能對生產設備的操作意外和設定不當，或者發生突然的未預料到的事件，防止造成事故與損失。

我們根據該企業的要求，結合項目的資金、時間、人員等現實狀況，再三考慮了該企業的經營情況、產品的市場和前景、項目開發所面臨的風險等諸多因素，經過仔細分析，得出瞭如下的4條意見：

（l）由於資金的限制，切實地在相應各個環節上節約成本是相當重要的，因此要儘可能地在原有設施與條件的基礎上進行改造，而不是進行根本性的替換；

（2）此企業需要的是“實時控制系統和企業信息系統的初步集成”，而不是一個功能相當豐富和完善的系統，該企業現階段既不具備開發這樣一個系統的能力和條件，也不具備管理維護和應用高級集成系統的相關人員，所以，項目的目標應當切合於目前條件下企業的總體要求。這樣既有利於控制成本，也有利於減少項目風險；

（3）由於該企業的生產情況和資金、人員的限制，項目必須分階段地進行。大體上可劃分為如下四個階段：①實現設備狀態參數的數字化輸出；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實現生產設備自動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業領域，因此必須在加強互相溝通的同時，確定明確的分工關係。

上述四條意見在經過雙方的磋商與研究後，獲得了雙方全體項目參與人員的一致認同，成為這個項目開發過程中雙方必須理解與遵循的準則。

在第一階段，我們開展了對半自動的中大型輔助機器的自動化改造。事實上，該企業早有這類打算，並且已做了相應的技術儲備，因而這一部分的工作由該企業自身的技術人員全權負責並加以實施。項目中所涉及到的所有自動化生產設備都已具有依據狀態參數模擬信號量進行控制的能力，對於所採集到的狀態參數模擬量，企業曾計劃採用一類以模擬信號遠程地傳至中央監控室，再進行模數轉換的方案。此方案對企業來説實現比較簡單，但存在着成本較高、遠傳過程易受到干擾等不利因素。隨着模數轉換設備成本的顯著下降和可靠性提高，經我們建議和雙方討論，企業有決心在生產設備的控制設備上就地實現現場模數轉換，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的企業技術人員實行。

第二階段的工作主要由我方開發組成員負責。我們將人員大體上分為3組，第一組主要是根據企業長期累積的資料以及公開發表的相關技術，建立起一個合理有效的模型，其中包括諸如數據採樣記錄的間隔時間，不同生產階段的數據處理時所採用的數學模型等數據處理的相關內容；第二組負責監控記錄軟件的輸入輸出接口，用户圖形界面的選定和設計等軟件外圍功能的實現；第三組則集中力量編寫一個簡單實用的、針對性強和小巧的相關數據記錄的專用數據庫。這一階段是控制質量和成本的關鍵性階段。出於對成本的考慮，以及根據數據的流量不很大，對數據的實時性處理要求不是很高（通常情況下，設備的實時控制仍由原來的自動化系統所承擔）的實際情況，中央監控室採用了一套有雙機備份的服務器作為數據處理用的服務器，另一套同樣有雙機備份的服務器作為數據庫服務器，並且沒有使用價格昂貴的商用數據庫，而採用了由自己開發的一個經濟實用的專用數據庫。

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後所獲得的數據，依據設備的多種臨界指標，進行相應的判斷，允許在緊急情況下，發出相應的警報，並同時依據設備本身的相應緊急情況處理辦法，發出控制信號加以處理實現。這一階段的關鍵有兩方面內容：一個問題是要求數據轉換設備擁有相對較高的可靠性與可用性，另一個問題是要注意做好與自動化設備原有控制系統的自我保護功能的配合協調工作。

第四階段則仍然由該企業的技術人員為主實施，在實現過程中主要是解決好第三階段所遇到的上述兩個關鍵問題。對於第一個問題，使用了更好的設備和部件來實現數模轉換和動態控制；對於第二個問題，則在控制設備中設立了優先級判斷，使自我保護裝置的啟動優先級離開中央監控室（由於自我保護啟動速度更快，但是功能較弱）而加以解決。

從總的項目實施進程上來看，一、四兩個階段相連貫，二、三兩個階段相連貫，而它們之間則可並行地進行，從而滿足了時間進度上的要求。

今後，本項目所採用的這類技術可能要走向全自動化。項目中涉及到的數據量將會更大得多，實時性要求也會更高。我們應注意使現有成熟的商業系統與產品如何應用到其中去，使之能儘快地滿足企業的要求，節約成本，並且減少開發的風險。

評註：本項目初步實現了生產控制與信息系統的第一階段集成，項目實現目標明確，效果直接。摘要中寫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施的策略、過程與主要技術。（本文主要參考了上海沈子敬等人的論文）