冶金儀表智能自動化控制技術應用

畢研然

（山信軟件股份有限公司萊蕪自動化分公司，山東 濟南 271104）

冶金儀表也被稱之為過程檢測控制儀表，進入二十一世紀后，人工智能技術、自動化控制技術迅猛發(fā)展，給冶金儀表的功能創(chuàng)新與技術改良提供了強大的技術支撐，尤其在精度控制、檢測范圍、高清監(jiān)控、節(jié)能生產(chǎn)等方面，冶金儀表的智能自動化技術發(fā)揮了不可替代的重要作用。

1 冶金儀表智能自動化控制技術分析

1.1 數(shù)據(jù)處理與分析

在冶金生產(chǎn)過程中，高爐煉鐵等大型設備將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，比如爐頂壓力、風溫、風量、爐溫等，為了保證這些數(shù)據(jù)始終在正常值范圍內(nèi)波動，使生產(chǎn)過程能夠正常有序進行，冶金儀表需要全程對這些數(shù)據(jù)指標進行監(jiān)測、分析和處理。（熱電偶及壓力表實物圖如圖1 所示。）過去，由于冶金儀表機械化程度較高，自動化水平較低，導致無法對各項數(shù)據(jù)進行智能化處理，甚至冶金儀表的硬件設施在持續(xù)加重荷載的影響下，極易出現(xiàn)運行故障，生產(chǎn)效率也大打折扣。而冶金儀表智能自動化控制技術的介入，給大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)留出了足夠的存儲空間，這就減輕了高荷載給儀表硬件設施帶來的損害，進而提高了生產(chǎn)作業(yè)效率，對冶金行業(yè)經(jīng)濟效益的提升起到了積極的促進作用。

圖1 熱電偶

壓力表

1.2 有效監(jiān)測與數(shù)據(jù)計算

與傳統(tǒng)的機械式冶金儀表相比，智能自動化控制儀表內(nèi)部包含一個微型的計算單元，該單元借助于計算機的云計算技術，將涉及到的冶金生產(chǎn)過程中各個生產(chǎn)參量的計算公式寫入程序當中，進而可以對監(jiān)測到的各種數(shù)據(jù)指標進行智能化與自動化計算。技術人員根據(jù)計算結(jié)果，可以分析判斷出冶金設備在運轉(zhuǎn)過程中的異常數(shù)據(jù)，并第一時間采取有效的補救措施，對相關的執(zhí)行程序進行調(diào)整，以保證正常的生產(chǎn)過程不受任何影響[1]。

1.3 故障自我監(jiān)測功能

由于冶金行業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境惡劣，常常在高溫、高壓、高濕的生產(chǎn)條件下進行，這就大幅提高了冶金設備的故障幾率，一旦冶金設備中止運轉(zhuǎn)，不僅影響正常的生產(chǎn)工序，同時，也會影響到冶金產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量。而冶金儀表的智能自動化控制技術，能夠?qū)υO備與儀表故障實施自我監(jiān)測，通過系統(tǒng)內(nèi)部傳感器的智能分析功能，能夠快速查找出故障部位與故障原因，使冶金儀表與主控室之間始終保持信息通暢狀態(tài)，避免傳輸信號中斷，這就大幅減少了生產(chǎn)成本，為冶金生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造更多的直接經(jīng)濟效益。

2 冶金儀表智能自動化控制系統(tǒng)功能分析

2.1 智能監(jiān)控功能

傳感器是智能儀表的中樞神經(jīng)，它可以對冶金生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進行有效監(jiān)控與精準分析，并將爐溫、風溫、壓力、流量等多類型數(shù)據(jù)及時反饋給系統(tǒng)操作終端，由此可見，冶金儀表的智能監(jiān)控功能完全依賴于傳感器的信號接收與傳輸過程，才能實現(xiàn)對生產(chǎn)全過程的監(jiān)督與控制。傳感器主要借助于紅外線發(fā)光二極管來獲取和收集相關數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)進入到傳感器的處理中樞后，能夠快速識別數(shù)據(jù)類型。在傳感器正常工作狀態(tài)下，可以接收到冶金設備產(chǎn)生的紅外線波，這時，生產(chǎn)工序中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)就會存儲在數(shù)據(jù)庫當中，一旦數(shù)據(jù)傳輸受到外界電波電磁干擾，就會切斷信息傳輸通道，切斷信號將第一時間反饋到系統(tǒng)終端，在這種情況下，系統(tǒng)終端的操作人員就可以對生產(chǎn)全過程進行遠程監(jiān)控，這種智能化監(jiān)控功能不僅節(jié)約了大量的人力資源，同時，也降低了生產(chǎn)運營成本。

2.2 抗干擾功能

受到電磁感應通訊靜電感應的干擾，冶金儀表的數(shù)據(jù)監(jiān)測精度將受到嚴重影響，進而導致生產(chǎn)效率大打折扣。智能自動化控制技術在冶金儀表中的應用使這一問題得到有效解決，以冶金儀表硬件設施的抗干擾設計為例，儀表設計人員首先考慮信號傳輸設置與干擾源之間的距離問題，為了保證儀表的監(jiān)測精度，設計人員在信號傳輸導線與干擾源之間設置了安全距離，比如當傳輸電壓為220V 時，50 安培電流的最小距離應當保持在460mm，數(shù)據(jù)傳輸才不會受到影響。信號傳輸系統(tǒng)與電力線之間最小間隔距離如表1 所示。

表1 信號傳輸系統(tǒng)與電力線之間最小間隔距離

在設計冶金儀表軟件時，設計人員也著重考慮儀表的抗干擾功能，比如MCU 內(nèi)部程序受到外界干擾最為嚴重的是EPROM 程序空間，當該程序受到電磁波干擾后，儀表指針將失去控制，導致儀表的監(jiān)測功能喪失。因此，設計人員在ROM 內(nèi)寫入跳轉(zhuǎn)指令的二進制代碼，然后再寫入EPROM 程序代碼，這就有效解決了指針失控的問題，儀表軟件的抗干擾能力也得到大幅提升。

2.3 數(shù)據(jù)測量功能

由于冶金企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不同，因此，冶金生產(chǎn)設備數(shù)量也存在較大差異，對于大型冶金企業(yè)來說，引進的生產(chǎn)設備種類、型號較多，這就導致整個生產(chǎn)流程將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，而過去的冶金儀表由于存儲量小，導致數(shù)據(jù)測量功能喪失，一些關鍵指標無法得到有效監(jiān)控，進而埋下了重大的安全隱患。而智能自動化控制技術介入之后，冶金儀表的智能中樞系統(tǒng)的存儲空間不斷增大，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)能夠及時存儲在系統(tǒng)空間當中，這就使得冶金儀表能夠?qū)Ω黜棓?shù)據(jù)指標進行精準測量和分析，進而對冶金生產(chǎn)全過程進行精準監(jiān)控，有效避免了安全事故的發(fā)生[2]。

3 冶金儀表智能自動化控制技術的具體應用

3.1 監(jiān)測精準度大幅提升

過去的機械式冶金儀表的監(jiān)測偏差較大，尤其在檢測高爐爐溫、風溫、爐頂壓力等參數(shù)指標時，由于監(jiān)測數(shù)據(jù)有誤，出現(xiàn)爐溫與風溫超高或者超低的極端現(xiàn)象，以至于給正常的生產(chǎn)作業(yè)流程造成嚴重影響。而冶金儀表智能自動化控制技術能夠有效提升數(shù)據(jù)監(jiān)測精度，這主要是由于系統(tǒng)內(nèi)部設置了微型計算機，等同于給系統(tǒng)安裝一個智能人工大腦，當監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過智能大腦處理后，數(shù)據(jù)精準度將大幅提高，生產(chǎn)工作效率也將超過1兆赫茲以上。比如在設置冶金儀表的主時鐘時，一般一個周期設置為一毫秒，第一條操作語言需要五個字節(jié)，這樣一個周期下來，所消耗的時間僅僅為幾秒鐘。

另外，隨著數(shù)字技術的快速發(fā)展，冶金儀表的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換功能逐步得到優(yōu)化和完善，由于儀表監(jiān)測的模擬量已經(jīng)事先存儲在內(nèi)部儲存器當中，而在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，在與監(jiān)測模擬量進行比對后，冶金儀表可以在最短的時間內(nèi)，完成對海量數(shù)據(jù)的處理過程。近年來，我國在冶金儀表研發(fā)領域，逐步向精細化、智能化方向過渡，其中最具代表性的冶金儀表包括材料分析精密儀、力學性能測試儀、無損檢測裝置、多用熱值測定儀等，目前，這些智能化儀表被廣泛應用于冶金生產(chǎn)領域，并收到了較為理想的應用效果，并且儀表的監(jiān)測精度完全能夠滿足正常的冶金生產(chǎn)過程的需要。

3.2 監(jiān)測誤差大幅縮減

過去，冶金儀表的測量數(shù)據(jù)精準度較低，測量誤差較大，而且受到外界干擾較為嚴重，這就給正常的生產(chǎn)作業(yè)流程造成不利影響，甚至給冶金企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。進入二十一世紀，隨著自動化技術、智能技術、計算機技術、微電子技術的迅猛發(fā)展，冶金儀表的智能自動化控制水平大幅提升，進而縮減了儀表的測量誤差，同時，抗干擾能力不斷增強，能夠有效抵御冶金生產(chǎn)設備產(chǎn)生的電磁、電波等干擾源。

比如以熱電偶儀表為例，由于這種儀表抗震性能好、測量精度高、測溫范圍大，因此，適用于測量高爐爐溫。過去，熱電偶常常受到外界電磁波的干擾，導致溫度超出測量范圍，當溫度越過臨界點以后，就會出現(xiàn)非線性變化，進而影響正常的生產(chǎn)作業(yè)流程，甚至造成生產(chǎn)中斷。而智能自動化控制技術能夠有效調(diào)節(jié)測量溫度，即便測量值超出了熱電偶的溫度臨界點，智能自動化系統(tǒng)也會自動發(fā)生預警信號，在這種情況之下，操作人員可以隨時調(diào)整熱電偶的程序參數(shù)，使溫度監(jiān)測誤差得到有效控制。

3.3 監(jiān)測范圍得到拓展

過去，冶金儀表的測量范圍往往局限于爐溫、風溫、壓力以及液位等方面，忽略了生產(chǎn)工序開始前的一些檢測項目，導致生產(chǎn)人員盲目的投入到生產(chǎn)作業(yè)當中，不僅消耗了大量能源，同時，使生產(chǎn)效率大幅降低。而冶金儀表智能自動化控制技術的介入，使儀表的監(jiān)測監(jiān)控范圍得到進一步拓展，尤其在事前防范方面，借助于智能自動化控制技術，可以對生產(chǎn)前的一些監(jiān)測項目進行必要的監(jiān)視與測量。比如智能化水分檢測儀，能夠準確檢測出冶金產(chǎn)品中中含水量的高低，如果含水量過高，超出國家及行業(yè)標準，應當嚴禁該產(chǎn)品進入市場流通環(huán)節(jié)。如果含水量符合國家及行業(yè)標準，則可以正常進入市場銷售環(huán)節(jié)，這就避免了中間繁瑣的審核程序，進而促進生產(chǎn)效率的提升[3]。

4 冶金儀表智能自動化控制技術的發(fā)展前景

近年來，我國的冶金行業(yè)呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭，而冶金儀表智能自動化控制技術功不可歿，隨著社會與時代的進步，智能化自動控制技術也日漸純熟。在未來發(fā)展進程中，該技術也必將朝著智能化、高效化、精準化、高集成化方向發(fā)展。比如對PLC技術的改進和優(yōu)化，使冶金儀表的監(jiān)測精度更高，測量誤差更小。再比如對傳感技術的進一步完善，首先，設計人員應對冶金儀表的性能進行等級劃分，使每一個等級的性能都能夠與每一道生產(chǎn)工序相匹配，通過修改寫入程序，優(yōu)化傳感器性能，使冶金儀表的最大化價值在實際生產(chǎn)當中得到切實體現(xiàn)。

5 結(jié)束語

冶金儀表在冶金生產(chǎn)過程中肩負著數(shù)據(jù)測量、分析、計算等功能，現(xiàn)場操作人員可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)作業(yè)流程與生產(chǎn)工藝進行調(diào)整與優(yōu)化，使單位時間內(nèi)的生產(chǎn)效率得到提升。與此同時，由于冶金儀表智能自動化控制技術的實際應用，操作人員能夠隨時查找出生產(chǎn)過程中的不足與存在的問題，進而將安全事故隱患消滅在萌芽狀態(tài)。由此可以看出，智能自動化控制技術為冶金生產(chǎn)企業(yè)提供了強大的技術支撐，也為冶金企業(yè)生產(chǎn)效益的提升注入了源源不斷的驅(qū)動力。