智能自動化在工業(yè)過程控制方面的選擇與應(yīng)用

萬泉

（中材建設(shè)有限公司，河北唐山，063030）

0 引言

電氣自動化技術(shù)的利用離不開設(shè)備和自動化儀表的安裝，自動化儀表能夠收集工業(yè)生產(chǎn)中的各種信息和數(shù)據(jù)，并輸送到DCS（Distributed control system，集散控制系統(tǒng)）上，然后這個控制中樞又能夠根據(jù)特定的編程，把編寫好的命令傳輸?shù)诫姎庠O(shè)備中，以此來執(zhí)行后續(xù)的生產(chǎn)任務(wù)。

1 分析電氣設(shè)備和自動化儀表的主要內(nèi)容

通常意義上所說的電氣設(shè)備，主要以電力系統(tǒng)為基礎(chǔ)，涉及到發(fā)電設(shè)備和輸電設(shè)備，電機驅(qū)動、保護設(shè)備和電力監(jiān)控設(shè)備等裝置。而在具體的設(shè)備體現(xiàn)為電動機類的感性負載和電容類的容性負載及電阻器類的阻性負載等負載裝置，從現(xiàn)代工業(yè)的角度來看，電氣設(shè)備面臨的技術(shù)性要求也愈發(fā)嚴格，需要不斷向著更加精密化、智能化的方向發(fā)展。

就自動化儀表的應(yīng)用來講，其自身涉及到各種類型的溫度儀表，液位儀表和壓力儀表等裝置，并且也具有十分明顯的智能性特點，自動化儀表與電氣設(shè)備的結(jié)合，就構(gòu)成了較為完整的自控系統(tǒng)回路，能夠有效實現(xiàn)工業(yè)控制的自動化。在通常情況下，自動化儀表的應(yīng)用主要涉及到溫度監(jiān)測，流量監(jiān)測等工作，并且也與水泥廠和危廢處理廠的發(fā)展息息相關(guān)，這些監(jiān)測不僅可以反映出最為基本的數(shù)據(jù)，同時也可以對數(shù)據(jù)進行分析和處理，發(fā)出相應(yīng)的報警信號，然后進行連鎖，最終再經(jīng)由中央控制室發(fā)放指令，確保執(zhí)行器能夠執(zhí)行任務(wù)，完成工業(yè)的自動化控制。從以上這些敘述中也可以看出，電氣設(shè)備和自動化儀表是電氣自動化技術(shù)應(yīng)用最為鮮明的體現(xiàn)，而這一態(tài)勢也成為眾多工業(yè)制造領(lǐng)域的共識。

2 分析電氣自動化在工業(yè)過程控制中應(yīng)用的重要意義

從生產(chǎn)行業(yè)建設(shè)的角度來看，電氣自動化技術(shù)的引進給水泥行業(yè)的發(fā)展帶來了更多的可能性，不僅可以讓企業(yè)對各類機械設(shè)備進行長期的監(jiān)督和調(diào)控，同時也能夠凸顯出生產(chǎn)機械的自動控制技能，確保自身的生產(chǎn)模式能夠向著智能化和現(xiàn)代化的方向發(fā)展。而機器的生產(chǎn)效率，在自動化技術(shù)的引導下，也能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)的飛躍，這就能夠有效降低危險事故發(fā)生的幾率和可能性。另外，電氣自動化的應(yīng)用本身就可以實現(xiàn)勞動力的置換，這就能夠減輕現(xiàn)場操作人員的負擔和壓力，讓操作人員能夠保留更多的時間和精力去維修現(xiàn)場的設(shè)備和器材。

智能自動化技術(shù)是信息化技術(shù)的重要體現(xiàn)，在具體的應(yīng)用過程中使得計算機反應(yīng)速度較快的特點與電氣設(shè)備存儲量較大的特點充分融合在一起，對提升電氣工程的運行速度、運行智能化及分布范圍，促進了電氣工程自動化的進步。同時還對增大電氣設(shè)備產(chǎn)品的儲存量，實現(xiàn)電氣設(shè)備產(chǎn)品智能化，通過技術(shù)手段不斷進行實質(zhì)性的改進和發(fā)展。

圖1 某水泥廠的原料磨DSC 自動控制

總的來說，電氣自動化所帶來的影響是全面且綜合的，能夠有效推動企業(yè)生產(chǎn)模式和管理模式的更新，讓企業(yè)順應(yīng)社會市場發(fā)展的主流趨勢，穩(wěn)固自身在行業(yè)競爭中的地位，提高市場占有率。

3 分析電氣自動化在工業(yè)過程控制中的具體應(yīng)用

首先，從電氣自動化設(shè)備的設(shè)計原理來看，大致可以從4 個方面來敘述，首先要確保設(shè)計能夠充分了解現(xiàn)場的生產(chǎn)環(huán)境，其次，要保證設(shè)備具有較高的智能化和現(xiàn)代化水平，另外，設(shè)備的運行必須要突破時間和空間的限制，滿足工業(yè)生產(chǎn)遠程操作的基本要求，最后，設(shè)備必須要為現(xiàn)場維修人員提供管理上的便利。也就是說，電氣自動化設(shè)備的設(shè)計原理突破了傳統(tǒng)工業(yè)過程模式的限制和束縛，而且也實現(xiàn)了人為操作的代換，保證現(xiàn)場操作的安全性。

就生產(chǎn)環(huán)境了解這一原理來看，自動化儀表和電氣設(shè)備都是以此為設(shè)計基礎(chǔ)的，例如，以某水泥廠的原料磨為例，在一般情況下，磨機自身的核載都符合額定的限制，但如果面臨需要提高核載的情況，那么安全數(shù)值也應(yīng)當隨之有所上升，并符合相應(yīng)的比例。如果只是簡單的設(shè)定電氣設(shè)備的最大核定載荷，不僅會造成大量的資源浪費，嚴重時甚至會發(fā)生安全事故。這就需要根據(jù)入磨氣體溫度調(diào)節(jié)、喂料量及配比、尤其是磨機主電機的各個參數(shù)，如峰值電流、功率等指標參考，從而不僅僅是達標達產(chǎn)，而且達標超產(chǎn)。顯然，如果達到這一目標，各個監(jiān)控儀表提供給DCS 的數(shù)據(jù)，以及對各個數(shù)據(jù)進行分析后的各項指令都是缺一不可的。

從設(shè)備智能化這一原理來看，電氣設(shè)備和自動化儀表應(yīng)當滿足測量，監(jiān)控，調(diào)節(jié)和處理的基本要求。筆者仍舊把工業(yè)生產(chǎn)中的水泥廠當做例子，測量強調(diào)的是儀表能夠隨時檢測到預(yù)熱器分解爐的工作狀態(tài)，監(jiān)測強調(diào)的是分解爐內(nèi)的溫度特性能夠被顯示到特定的上位機上，調(diào)節(jié)強調(diào)的是設(shè)備能夠自動適應(yīng)生產(chǎn)的需求，處理強調(diào)的是上位機能夠及時根據(jù)分解爐出現(xiàn)的問題作出處理，下達必要的指令，傳送到終端電氣設(shè)備上，采取必要的措施，為工作人員的后續(xù)工作奠定堅實的基礎(chǔ)。例如，如果分解爐內(nèi)溫度偏低，煙室甚至低于1000 攝氏度，那么自動化比色高溫計就可以把信號發(fā)送到計算機上，計算機制定相應(yīng)的指令，輸送到電氣設(shè)備上，以此來提高預(yù)熱器高溫風機的轉(zhuǎn)速，拉動窯-煙室-分解爐-預(yù)熱器各級旋風筒之間的熱量傳遞。另外，上位機也可以對基本的報警信號和故障狀態(tài)進行整理和識別。值得注意的是，遠程操作是電氣自動化的突出優(yōu)勢，遠程控制的主要目的是為了提高調(diào)節(jié)的靈活性，如果主機需要產(chǎn)讓更多的動力來達到生產(chǎn)額定負荷的85%，那么計算機就可以進行遠程操作，修改既定的程序，改變原有的數(shù)值。這一點在一些PID 控制上，尤為明顯。而上文所提到的便于維修和管理這一原理，主要針對的是設(shè)備的檢查和保養(yǎng)，這一操作不需要耗費大量的人力，依靠的是既定的程序和智能技術(shù)，只要程序的設(shè)定符合標準和要求，就可以實現(xiàn)管理的無人化。例如現(xiàn)在很多國內(nèi)危廢處理廠的倉儲，均是使用無人叉車，程序控制，達到全廠房無人值守，大大降低了危廢存儲對人體造成危害的可能性。

其次，就測量環(huán)節(jié)來看，自動化儀表就是以測量作為基礎(chǔ)功能的，能夠?qū)δ繕藬?shù)據(jù)進行收集和整理，并把具體的測量值保存下來，為后續(xù)的統(tǒng)計工作提供參考依據(jù)。智能自動化在工業(yè)過程控制方面的應(yīng)用選擇，更能通過智能化的自控能力，為一線操作工人提供簡單有效的機械設(shè)備控制參數(shù)，以在實際生產(chǎn)中減少勞動力的使用；與此同時，在該公開背景下，還能避免因人為原因?qū)е碌母鞣N失誤，一定程度上提高了操作準確性和工業(yè)生產(chǎn)效率。加之，在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，自動化儀表儀自動化控制技術(shù)以其強有力的保護能力，可在故障出現(xiàn)的第一時間，時及時進行維修處理，保證整個工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)運作的安全，避免傳統(tǒng)技術(shù)因不能及時進行檢測維修而造成的經(jīng)濟損失。再者，工業(yè)化自動技術(shù)以計算機信息技術(shù)為基礎(chǔ)，在實際運用時操作人員能夠?qū)ο到y(tǒng)運行電流和電壓等實時有效地控制，通過遠程控制，一旦出現(xiàn)異常情況時，即可利用報警設(shè)備及時通知工作人員。

另外，在監(jiān)測工作開展的時候，電氣自動化的應(yīng)用也十分突出。監(jiān)測是工程過程控制的重要組成部分，目的是對系統(tǒng)的生產(chǎn)進行全天檢查，而且這一環(huán)節(jié)也貫穿于工業(yè)生產(chǎn)和制造的全過程，當生產(chǎn)停止之后，監(jiān)測工作也自然會告一段落。例如，危廢處理廠的各項監(jiān)測和工廠對各電氣設(shè)備的監(jiān)測，都屬于這一范疇。對此，筆者將以危廢處理廠水處理車間的生產(chǎn)作為切入點，采用的自動化流量儀表，就可以把流量計、上位機和控制器結(jié)合到一起，保證凈水流量在合理的范圍內(nèi)。如果進水量超過或低于限度，流量會給上位機發(fā)信號，而信號就會被傳遞到指定閥門上，從而實現(xiàn)流量的超限關(guān)閥。更為重要的是，對于流量的監(jiān)測與調(diào)節(jié)的過程，工作人員隨時可以通過DCS 系統(tǒng)調(diào)取任意時點的設(shè)備運行狀態(tài)，進行監(jiān)測和記錄[1]。

圖2 DCS 系統(tǒng)對流量和監(jiān)測和調(diào)節(jié)

再有，電氣自動化同樣也可以在執(zhí)行環(huán)節(jié)中有所體現(xiàn)，這些環(huán)節(jié)是整個工業(yè)控制過程的核心，也是衡量生產(chǎn)自動化水平的關(guān)鍵因素。執(zhí)行環(huán)節(jié)決定著發(fā)令器的最終動作，所以依賴相應(yīng)的自動化執(zhí)行儀表，例如電動閥，同時還要借助電氣設(shè)備，也就是電控柜的運行。在此，仍舊把水處理系統(tǒng)當作例子，如果設(shè)備受到了外界的損壞，造成水流的涌入量暴增，當流量已監(jiān)測到異常情況的時候，會迅速發(fā)出相應(yīng)的警報，如果水流量增大的程度已經(jīng)超過了安全的限制，流量計就會把這一情況反饋給中央處理器上，處理器向執(zhí)行器去下達指令，這樣就可以對進水口進行封閉，或者是開啟備用水池[2]。以巴斯夫工業(yè)4.0 計劃的工廠控制室為例，應(yīng)用虛擬化技術(shù)通過八臺大屏幕Experion Orion 控制臺為操作員提供整合的工廠信息，控制臺將分布式控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)微軟 Office桌面應(yīng)用程序分開。兩個Experion 協(xié)作站使巴斯夫能夠通過使用實時數(shù)據(jù)和在線文檔更高效地運行生產(chǎn)；期間29 個C300 控制器和2 萬個I/O 模塊便于全廠范圍的監(jiān)控，并改善安全性和防火保護。且工廠的六座焚化爐處理危險廢物，并將不能再利用或回收轉(zhuǎn)化為蒸汽和電力；清潔、可重復(fù)使用的能源被重新引入巴斯夫的生產(chǎn)流程，幫助企業(yè)節(jié)約資源，減少排放。

最后，電氣自動化可以保護工業(yè)的過程控制，保護環(huán)節(jié)是以監(jiān)測和執(zhí)行工作為基礎(chǔ)的，主要指的是，當監(jiān)測對象發(fā)生異常的時候，就需要采取保護措施。對此，筆者將以電力設(shè)備的控制系統(tǒng)作為切入點，在工業(yè)生產(chǎn)的時候，大型電力設(shè)備的運用是必不可少的，從水泥廠的兩磨一窯就可見一斑，而在升溫調(diào)風工作進行的時候，由于設(shè)備自身的功率較大，所以產(chǎn)生的負載也相對較大，如果超過了安全限制，就會給設(shè)備甚至生產(chǎn)線帶來一定的損害。在此，操作人員就可以利用各種監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測各點的工作情況，特別是就那些大型設(shè)備，電流、功率、轉(zhuǎn)速等監(jiān)測能夠?qū)⑺查g發(fā)生的情況反饋給中央處理器，然后由中央處理器下達指令。電氣自動化技術(shù)監(jiān)測功能用于電氣系統(tǒng)的選擇，也是實現(xiàn)全分布式保護測控功能，基于現(xiàn)場總線及以太網(wǎng)技術(shù)共同構(gòu)成了分層分布式的發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)。以發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)為例，F(xiàn)CS 系統(tǒng)(Fieldbus ControlSystem，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）中，內(nèi)含6KV 及400V 的全部電源及電動機保護監(jiān)視、機組部分保護自動裝置。其中，通信控制方式下DCS，是以電氣系統(tǒng)監(jiān)測管理為主要目的，實現(xiàn)全廠電氣系統(tǒng)集中監(jiān)視、管理及輔助控制等功能。通過DCS 系統(tǒng)下發(fā)給ECMS，執(zhí)行ELMS 系統(tǒng)保護測控裝置；既為DCS 系統(tǒng)一部分，同時又獨立為單一電氣自動化系統(tǒng)，完成DCS 步伐實現(xiàn)的集中抄表、狀態(tài)檢修、電氣邏輯閉鎖、電氣開關(guān)順序控制、定值管理、保護動作分析等內(nèi)容。

4 結(jié)束語

從上文的敘述中可以看出，電氣設(shè)備和自動化儀表都是電氣自動化發(fā)展的重要產(chǎn)物，而這兩者，在工業(yè)過程控制中的應(yīng)用也具有聯(lián)合性與協(xié)調(diào)性的特點，是相輔相成的。本文通過設(shè)計原理，測量環(huán)節(jié)，監(jiān)測環(huán)節(jié)，執(zhí)行環(huán)節(jié)和保護環(huán)節(jié)這幾個角度論述了電氣自動化在工業(yè)過程控制中的應(yīng)用內(nèi)容，并以水泥廠和危廢處理廠為例，充分論證了電氣自動化的應(yīng)用，具有理論上的合理性與實踐上的可行性，作為行業(yè)和企業(yè)的參考依據(jù)。