人工智能在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的應用研究

陳有源

摘 要：新時代以來，人工智能已經(jīng)在多種行業(yè)中得到了廣泛的應用和滲透，工業(yè)自動化控制系統(tǒng)也不例外。本文從分析工業(yè)自動化系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，探討了人工智能應用于工業(yè)自動化控制的優(yōu)勢，結合人工智能目前在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀，提出了人工智能控制系統(tǒng)的設計理念和應用方向。

關鍵詞：人工智能；工業(yè)自動化；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0047-02

0 引言

工業(yè)自動化控制系統(tǒng)設計是一項對穩(wěn)定性、精確性和安全性都要求很高的工作，只有具備高靈敏度和精確細致的控制系統(tǒng)，才能保證工業(yè)流程的質量和安全。人工智能集多種學科的精華于一體，是對傳統(tǒng)計算機功能的深度延伸，是將機器語言、數(shù)理邏輯、語義分析等多種知識融合的創(chuàng)造性技術，能對人類思維和行為進行模擬分析和吸收，并能通過深度運算自動作出具體的對應行動。這項新興科技所具備的自主學習、強化學習、控制系統(tǒng)擴展等優(yōu)點，都能在一定程度上精準滿足工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的要求，彌補和完善了以往系統(tǒng)中可能存在的缺漏，能夠實現(xiàn)科學、理想化的工業(yè)自動化控制。

1 工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的應用意義

工業(yè)自動化控制系統(tǒng)目前主要在電力系統(tǒng)、采礦通風系統(tǒng)、智能化建筑等中發(fā)揮著最大的優(yōu)勢[1]。在電網(wǎng)調度系統(tǒng)中，工業(yè)自動化控制技術能實現(xiàn)對電力系統(tǒng)調度中心、發(fā)電廠電力調以及變電站設備等的分散監(jiān)測和自動化控制；在采礦通風系統(tǒng)中，自動化控制系統(tǒng)能夠對燃燒、爆炸等安全事件進行有效自動化預警，并能利用技術對難以人工深入的礦場空氣質量進行檢測；而在智能化建筑的應用過程中，自動化控制技術能夠實現(xiàn)建筑中復雜具體的施工布局得以合理規(guī)劃，并能對建筑中的環(huán)境進行全方位感應，自動發(fā)出報警信號，保障人們的生命財產(chǎn)安全。

1.2 工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的技術發(fā)展

目前所使用的控制技術中，主要利用的是PLC、工業(yè) PC和DCS三種[2]。其中，PLC是一種自動化的可編程控制產(chǎn)品，能通過數(shù)字運算操作可編程邏輯控制器，能夠執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計算操作等指令，還能對各種類型的機械或者生產(chǎn)過程進行有效控制；而工業(yè)PC主要包含了IPC以及Compact PCI工控機兩種形式，能夠利用多種不同的PC機兼做服務器以及客戶機，實現(xiàn)管理和控制功能都具備的綜合系統(tǒng)，尤其有助于企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)流程信息溝通交換；而集散控制系統(tǒng)DCS是一種新型的集中式控制系統(tǒng)，隨著中國對該系統(tǒng)的研發(fā)，我國已經(jīng)有不少企業(yè)在使用該系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的效率改善。

1.3 工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的現(xiàn)存問題

目前的自動化控制系統(tǒng)功能相對簡單，且主要基于工作人員的工作經(jīng)驗來完成設計，系統(tǒng)所能分析的數(shù)據(jù)有限，且缺乏數(shù)據(jù)的反饋機制，整體性能不佳，在系統(tǒng)異常時無法實現(xiàn)自動化的分析判斷，也仍然離不開工作人員的人工控制。

2 在工業(yè)自動化控制中利用人工智能的優(yōu)勢

2.1 有效提高控制系統(tǒng)的精準性

由于人工智能技術都是在計算機程序的自動命令和操作中進行，所以計算機能夠自動在操作過程中留下數(shù)據(jù)備份，并且在下一次命令時，自動跟蹤和監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，結合以往留下的數(shù)據(jù)痕跡，計算機程序會自動進行智能判斷和控制，從而較大程度上改善工業(yè)自動化控制中的嚴重失誤。一般而言，在保證硬件設備的時刻檢查和沒有出現(xiàn)偏差的情況下，人工智能技術能夠保證工業(yè)自動化控制系統(tǒng)實際工作狀態(tài)的精確性和穩(wěn)定性，保障工業(yè)運行過程的質量和效率。

2.2 減少控制系統(tǒng)所需的人力資源

人工智能技術的應用能夠在現(xiàn)有技術條件下，極大程度的減少工業(yè)自動化控制所需的人力成本，與傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)相比，基本上只需要幾位關鍵的技術人員進行主要的操控和日常的排查即可。此外，在解放人力的同時，還能利用人工智能實現(xiàn)對大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動加工和計算，使人類智慧在決策、統(tǒng)籌等更高層次中發(fā)揮價值，而不是在繁瑣、大量的數(shù)據(jù)分析中耗費。

2.3 盡力避免控制系統(tǒng)的失控和失誤

以往的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)依舊脫離不開人為的把控和操作，難免會因為個人判斷偏差及操作過程失誤等問題而影響工業(yè)運行流程的正常進展，甚至會帶來不可避免的損失和意外事件。如果在自動化控制系統(tǒng)中利用人工智能技術，就可以利用計算機強大的數(shù)據(jù)分析能力和精確計算能力來控制一些可避免的因素，以及減少一些不必要的流程，實現(xiàn)安全高效便捷的工業(yè)自動化控制。

2.4 提升控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性

人工智能的利用，使得工業(yè)流程只需嚴格按照錄入的程序就可以自動運行，且加以計算機的高精度計算控制，減少了大量的外界因素干擾，使得整個運行過程平穩(wěn)流暢，提高了工業(yè)自動化流程的控制質量和水平。此外，人工智能工業(yè)自動化控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的大量采集、處理，實現(xiàn)對相關數(shù)據(jù)的儲存，保障了系統(tǒng)的整體性能，可以長久的為后續(xù)的工作提供參考。

3 人工智能自動化控制系統(tǒng)設計原則

3.1 自主學習原則

人工智能機器人——谷歌的阿爾法圍棋（AlphaGo），成功打敗人類職業(yè)圍棋選手和圍棋世界冠軍就是人工智能強大自我學習能力的最好體現(xiàn)。利用人工智能技術的自主學習能力來實現(xiàn)真正意義上的自動化處理，首先要對設定的具體項目建立內(nèi)容龐大的專項數(shù)據(jù)庫，然后讓計算機自動記錄工程運行中所產(chǎn)生的參數(shù)和內(nèi)容，然后再靠強大的人工智能計算能力對龐大數(shù)據(jù)進行分析加工，建立多個數(shù)學模型，自動調整系統(tǒng)運行狀態(tài)來滿足設定好的程序要求。數(shù)據(jù)庫的建立是保障人工智能自動學習的關鍵前提，所以還可以在系統(tǒng)中接入互聯(lián)網(wǎng)，借助大數(shù)據(jù)獲取海量數(shù)據(jù)資源，通過擴大數(shù)據(jù)源實現(xiàn)更高精確度的分析，服務于自動控制運行狀態(tài)，并實現(xiàn)自動關鍵決策等。

3.2 模糊控制原則

模糊控制已經(jīng)普遍應用于很多行業(yè)，其能夠實現(xiàn)與多種信號發(fā)生系統(tǒng)銜接，大力降低對系統(tǒng)的控制難度。所以在設計工業(yè)自動化控制系統(tǒng)時，就可以將系統(tǒng)的控制構件配置為模糊控制器，在運行中靈敏獲取系統(tǒng)中的信號，并經(jīng)過處理后將信號傳遞到被控制的設備中去[3]。此外，在實際系統(tǒng)運行中，人工智能自動化控制系統(tǒng)往往都需要同時對多個子系統(tǒng)進行控制，設計和搭建難度較高，而模糊控制理念的應用就能一定程度上降低難度，并能夠完善對設備的精準控制，滿足自動化系統(tǒng)自動命令操作設備的要求。

3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡控制原則

對于較為復雜和體系龐大的工業(yè)運行，就需要采用神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的理念，才能實現(xiàn)對不同層面和級別的控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的快速收集和分析，從而提升對控制設備的管理速度。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡的構建能夠使控制系統(tǒng)建立不同大量的數(shù)據(jù)模型，提高系統(tǒng)整體的運行效率。目前而言，這種方式其穩(wěn)定性和完整性還需要進一步優(yōu)化，但是隨著技術研究的進一步發(fā)展，其利用能夠對自動化控制系統(tǒng)帶來巨大的改善和提升。

4 人工智能技術在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中的應用

4.1 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效采集與處理

數(shù)據(jù)的采集和處理是掌握工業(yè)自動化控制系統(tǒng)運行狀態(tài)的必備基礎條件，也是發(fā)現(xiàn)運行過程出現(xiàn)異常和提出解決措施的重要依據(jù)。人工智能技術的應用，能夠實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)采集的完整性和高效率，還能確保捕捉到容易遺漏的動態(tài)數(shù)據(jù)信息，且能保證數(shù)據(jù)安全，不會出現(xiàn)自動丟失的情況，從而進一步保障了工業(yè)運行過程的安全性和高質量。

4.2 實現(xiàn)系統(tǒng)運行的監(jiān)視及報警

工業(yè)自動化控制系統(tǒng)是在計算機程序的控制下，嚴格執(zhí)行預設的設計模型和計算邏輯來操作控制的設備，從而實現(xiàn)工業(yè)流程的自動化管理。但是如果程序或運算出現(xiàn)了異常和故障，就會造成整個自動化控制系統(tǒng)的混亂和失靈。面對這一難題，利用人工智能技術就可以實時對系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)進行監(jiān)測，并能夠通過自主學習進行分析判斷，對特殊的嚴重情況會予以及時的報警，對生產(chǎn)安全和故障排除發(fā)揮了關鍵的排查作用，更方便管理人員的及時檢查和管理。

4.3 實現(xiàn)自動操作控制功能

工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的設計初衷就是要滿足實際運行過程中的高效、簡潔和方便，基本上能通過計算機的一鍵操作就可以實現(xiàn)對整個工業(yè)系統(tǒng)的整體控制和細節(jié)掌握，有力保障自動化運行符合現(xiàn)實需要。人工智能技術的應用，能夠實現(xiàn)機器學習和智能計算，在綜合龐大數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的基礎上對系統(tǒng)進行分析，在極大滿足自動化設計的需求上，實現(xiàn)自動操作的自動化，提高管理效率，也減少了以往單獨指令操作中的系統(tǒng)沖突問題，降低系統(tǒng)發(fā)生故障的頻率。

4.4 實現(xiàn)專家控制系統(tǒng)

專家控制系統(tǒng)是一種實時控制系統(tǒng)，主要是利用人工智能技術將專家學者的專業(yè)知識、專業(yè)經(jīng)驗等內(nèi)容融入到自動化控制系統(tǒng)中去，從而實現(xiàn)更好的控制效果。具體應用上，需要工作人員在控制系統(tǒng)的運行中輸入相關參數(shù)，利用計算公式完成對相關工業(yè)設備的控制。在這樣的控制系統(tǒng)設計中，專業(yè)人員的專業(yè)知識應用是最為關鍵的部分，需要控制系統(tǒng)的設計人員詳細分析系統(tǒng)的控制效果并編寫相應的代碼，來把握這控制結果的正確性和科學性，實現(xiàn)在充分發(fā)揮專業(yè)知識的基礎上，構成以計算機控制為中心，以數(shù)據(jù)庫內(nèi)容、控制模型等為工具的自動化控制系統(tǒng)。

4.5 實現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)

在實際應用中，需要將自動化控制系統(tǒng)的信號輸入端和輸出端中間設置模糊控制器，讓模糊控制器自動采集系統(tǒng)運行中產(chǎn)生的參數(shù)，并將收集到的數(shù)據(jù)以模糊信號的方式傳遞到被控制設備中，實現(xiàn)對設備運行狀態(tài)的控制。模糊控制器使該項設置中最為重要的部件，此外在該系統(tǒng)中還需要設置檢測裝置，通過將模擬數(shù)據(jù)進行轉化從而發(fā)揮傳感器的作用，能夠實時監(jiān)控模糊控制系統(tǒng)對被控對象的控制效果，讓工作人員保持對設備運行狀態(tài)的知情和掌控。

4.6 實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)

神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)分析速度快、控制精度更高、控制信號可以多點輸入和多點輸出等特點。因為工業(yè)自動化控制系統(tǒng)需要管理大量成體系的控制對象，這就顯得使用神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)尤其重要。在設計神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)時，需要應用大量的控制器件，并將控制組織設計為多層次的體系架構，在并行連接的基礎上構建專用的控制網(wǎng)絡，最大限度的發(fā)揮人工智能技術的運算處理優(yōu)勢。為確保神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的結果把控性，需要設置大量靈敏的傳感器，通過傳感器反饋的數(shù)據(jù)實現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)分析。

5 結語

我國工業(yè)自動化控制技術的使用，給我國工業(yè)現(xiàn)代化建設提供了非常重要的技術保證，有助于我國經(jīng)濟發(fā)展水平的提高。應用自動化技術可以有效提高企業(yè)工作效率，降低企業(yè)成本，推動企業(yè)進行項目開發(fā)、技術研發(fā)，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。將人工智能技術融入到工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，能極大改善現(xiàn)有自動化控制的缺陷，彌補人工操作的不足，是我國工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必經(jīng)之路。

參考文獻

[1] 王鵬飛，高博，孫紹曾.人工智能在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的應用[J].中外企業(yè)家，2019（09）：113.

[2] 謝欣岳.人工智能在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的應用[J].電子技術與軟件工程，2019（02）：253.

[3] 黃敏楷.工業(yè)自動化控制的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析[J].山東工業(yè)技術，2018（16）：51.