工業(yè)自動化儀表與自動化控制技術(shù)的應(yīng)用研究

劉國超，李春會

(中糧生化能源(龍江)有限公司，黑龍江 齊齊哈爾161100)

隨著科技的不斷進(jìn)步，工業(yè)自動化儀表技術(shù)也得到迅速發(fā)展。工業(yè)自動化儀表技術(shù)，最開始應(yīng)用是被動的數(shù)據(jù)測量，測量后提交到系統(tǒng)測量系統(tǒng)中，其缺點是被動測量并傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能會有遺漏，由于沒有按規(guī)定的時間、要求測量并傳遞，就導(dǎo)致一些測量數(shù)據(jù)缺失，用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)就不全面。隨著近十幾年的自動化儀表技術(shù)的快速發(fā)展，主動式數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)發(fā)展很快，并被應(yīng)用于制造業(yè)中，主動的數(shù)據(jù)測量能夠提前預(yù)設(shè)好整個自動化系統(tǒng)，在哪個位置、哪個點、哪個時間進(jìn)行測量，并自動傳入自動化系統(tǒng)中，這樣的發(fā)展理念可以更好地協(xié)同系統(tǒng)整體的運行，避免數(shù)據(jù)遺漏，也便于分析數(shù)據(jù)的異常情況，方便進(jìn)行追溯。自動化儀表控制技術(shù)的使用，是根據(jù)企業(yè)的實際需求設(shè)計的，它與企業(yè)系統(tǒng)設(shè)計特點和企業(yè)的資源供給以及員工的水平等都有關(guān)系，自動化儀表系統(tǒng)的應(yīng)用對于提高系統(tǒng)的應(yīng)用水平也有著重要意義。

1 工業(yè)自動化儀表和自動化技術(shù)的特點

1.1 工業(yè)自動化儀表特點

談到工業(yè)自動化儀表的特點，不得不討論一下工業(yè)自動化儀表測量技術(shù)的分類。工業(yè)自動化儀表測量技術(shù)分兩種類型，一種是傳統(tǒng)的被動式測量儀表，一種是當(dāng)前普遍使用的主動式測量儀表。被動式測量儀表的特點是：根據(jù)整個自動化控制系統(tǒng)的測量需求，在相應(yīng)的位置安裝好所需儀表，根據(jù)功能不同分為壓力表、流量表、溫度表等，通過對這些儀表所測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與傳遞，以傳遞到整個工業(yè)自動化的自動控制系統(tǒng)中，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析其整個運行控制體系可能存在的問題、故障或安全隱患。主動式測量儀表的特點是：自動化控制系統(tǒng)可以根據(jù)整個系統(tǒng)的運行情況，根據(jù)預(yù)設(shè)好的系統(tǒng)方案，進(jìn)行自動測量獲取數(shù)據(jù)，并用于自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析。簡單地說，就是在自動化系統(tǒng)安裝前，要結(jié)合系統(tǒng)特點、電力設(shè)施特點合理安裝配置，設(shè)置適用的電力系統(tǒng)的使用標(biāo)準(zhǔn)，讓系統(tǒng)可以自動開展信號的調(diào)節(jié)與工作模式的選擇分析等功能，使得該控制儀表可以在后續(xù)運行中始終處于高效便捷的運行狀態(tài)。工業(yè)自動化測量儀表是對工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)各類在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取裝置，也是對整個生產(chǎn)過程控制信號的獲取和數(shù)據(jù)自主調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

1.2 自動化技術(shù)特點

自動化技術(shù)剛剛興起時，技術(shù)還很落后，只能對單一數(shù)據(jù)進(jìn)行測量與分析，測量誤差、分析誤差都相對較高。隨著自動化控制技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)水平越來越高，現(xiàn)如今已經(jīng)發(fā)展為多線程性和高精度性的控制特點，可以同時測量多個數(shù)據(jù)，而且測量精度也有所提高，誤差也相對減少。

對于主動式測量儀表控制系統(tǒng)，引用了最新的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和人工智能性控制系統(tǒng)，來替代傳統(tǒng)的PLC 控制系統(tǒng)，這種新控制系統(tǒng)的使用，通過對使用過程效果的總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)新系統(tǒng)的應(yīng)用確實比舊系統(tǒng)先進(jìn)得多，它可以同時處理大量的數(shù)據(jù)，且能夠通過系統(tǒng)程序來自主排查問題，分析系統(tǒng)存在的缺陷，以便于分析問題產(chǎn)生的原因，制定較適宜的措施加以改進(jìn)，進(jìn)而對整個系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到使用要求。

對于精確性大幅度提高的控制和分析系統(tǒng)，主要是通過對于各類數(shù)據(jù)的采集、整理與研究，提高數(shù)據(jù)的精確性，減少誤差。對于該控制系統(tǒng)的特點，要想提高精確性，需要研究對于工作指標(biāo)的選擇制訂方案，整理優(yōu)化選擇方案，能夠提高整個自動化控制系統(tǒng)的運行水平，從而發(fā)出指令，提高整個工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的運行質(zhì)量。

2 工業(yè)自動化儀表與自動化控制技術(shù)的使用思路

2.1 自動化儀表的選擇

自動化儀表要安裝在整個運行系統(tǒng)中，所以在選擇儀表時，要根據(jù)其安裝環(huán)境要求、在控制系統(tǒng)中的作用、專業(yè)化要求的程度相適應(yīng)。對于安裝環(huán)境惡劣的區(qū)域，其儀表安裝后可能出現(xiàn)穩(wěn)定性差的缺點，要想自動化系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地采集數(shù)據(jù)，提供可靠的測量數(shù)據(jù)，就需要選擇質(zhì)量好、穩(wěn)定性好，能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境、有較高的環(huán)境抵抗力的儀表。對于當(dāng)前普遍使用的主動式測量儀表系統(tǒng)和自動化數(shù)據(jù)測量儀表系統(tǒng)，其運行過程受到多種因素制約，比如，專業(yè)化線纜的連接強(qiáng)度、相關(guān)電子元件的環(huán)境抵抗能力等。所以，該系統(tǒng)不適用在環(huán)境較惡劣的空間使用。而對于高精度控制狀態(tài)的系統(tǒng)，則需要在控制系統(tǒng)中使用自主式測量系統(tǒng)，一方面，可以自主完成各類數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測工作;另一方面，也可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的控制系統(tǒng)裝置，根據(jù)整個系統(tǒng)的指令要求，自主調(diào)節(jié)運行狀態(tài)，及時調(diào)整以適應(yīng)整個自動化系統(tǒng)，以保證穩(wěn)定的、精確的數(shù)據(jù)輸出。

2.2 自動化技術(shù)框架搭建

對于從事工業(yè)生產(chǎn)自動化控制技術(shù)的人來說，在進(jìn)行自動化控制技術(shù)框架初步設(shè)計時，一定要選擇最適宜的、最合理的方案，同時設(shè)計方案不能太完美化，要結(jié)合實際情況考慮使用的位置、使用的環(huán)境、使用的系統(tǒng)，還要結(jié)合生產(chǎn)指標(biāo)的監(jiān)測要求和生產(chǎn)部件的精度等各方面因素，來選擇自動化儀表設(shè)備，選擇設(shè)備要保證誤差最小，在可適用的設(shè)備中，選擇穩(wěn)定性最高的控制方案。

作者從事自動化控制技術(shù)工作多年，也曾參與過自動化儀表建設(shè)設(shè)計項目。作者認(rèn)為，現(xiàn)代人工智能技術(shù)是比較完善的，所以可以考慮將人工智能技術(shù)納入現(xiàn)代化自動化技術(shù)框架內(nèi)，選擇合理、合適的儀表。儀表是整個智能控制系統(tǒng)中，用來采集數(shù)據(jù)、獲取平臺信號的裝置，該裝置與RFID 射頻識別技術(shù)結(jié)合，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破脚_中，這些數(shù)據(jù)即包括儀表的位置信息，也包括儀表測量的信號信息，將這兩個數(shù)據(jù)同時傳遞給控制平臺，從而通過數(shù)據(jù)分析判斷該控制區(qū)域是否有異常數(shù)據(jù)，是否存在問題瑕疵，或者該區(qū)域若出現(xiàn)安全問題，將帶來多大的影響，借助已經(jīng)建成的數(shù)據(jù)分析模型，來實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的自動調(diào)節(jié)工作。例如，某液體輸送管道設(shè)計流速為7-9m/s，但運行過程中，數(shù)據(jù)自動采集儀表測量的液體流速達(dá)到了10m/s，這個流速偶然出現(xiàn)，不會對設(shè)備、生產(chǎn)造成影響，但若長期保持10m/s，則可能導(dǎo)致管道造成不可逆的損傷。該儀表將這個測量數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)傳遞給自動化平臺控制系統(tǒng)內(nèi)，該系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的流程，將該流速的合理值傳輸?shù)奖豢刂频脑O(shè)備中，該設(shè)備將進(jìn)行合理的調(diào)控，以滿足生產(chǎn)要求，避免嚴(yán)重的安全事故發(fā)生。

2.3 自動化技術(shù)數(shù)據(jù)分析

自動化控制技術(shù)的數(shù)據(jù)分析，要根據(jù)不同子系統(tǒng)的運行要求，事先建立不同的數(shù)學(xué)模型，之后通過專業(yè)化的分析與整理，來確定是否要發(fā)出更改的指令。數(shù)據(jù)模型的建立，要考慮某一自動化儀表控制點發(fā)生故障的幾率、導(dǎo)致系統(tǒng)大范圍故障的權(quán)重和發(fā)生的幾率。經(jīng)過自動化控制技術(shù)專家學(xué)者多年的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)多個自動化控制節(jié)點同時失效時，則會對整個系統(tǒng)造成進(jìn)一步的損害，所以對于使用的數(shù)學(xué)模型計算公式，大多是計算出現(xiàn)風(fēng)險的嚴(yán)重程度，而對于風(fēng)險發(fā)生的幾率，則要綜合考慮設(shè)備運行狀態(tài)，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、運行參數(shù)的設(shè)計合理性，實際發(fā)生偏離的概率，最終確定不同風(fēng)險的風(fēng)險水平。當(dāng)所有獲取后的信號帶入到整個計算公式中，發(fā)生風(fēng)險的幾率超過50%時，則需要做好整個節(jié)點的控制工作，需要綜合調(diào)節(jié)上下游的設(shè)備運行狀態(tài)，以保證生產(chǎn)安全，確保整個生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3 工業(yè)自動化儀表與自動化控制技術(shù)的使用方法

3.1 自動化儀表的裝配

自動化儀表在設(shè)計安裝過程中，要考慮整個系統(tǒng)的運行特點，及該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式、儀表使用的環(huán)境要求等，綜合考慮選擇哪類儀表。對于傳統(tǒng)的被動式測量儀表，只要將儀表與設(shè)備連接好就可以，這類儀表要重點考慮它所處的工作環(huán)境，要選擇對于環(huán)境的耐受力及酸堿等腐蝕性液體的耐受力更強(qiáng)的儀表，提高數(shù)據(jù)監(jiān)測的穩(wěn)定性。例如，對于某液體管道流速的監(jiān)測儀表，在進(jìn)行裝配時，要把儀表的連接法蘭與相關(guān)管道進(jìn)行高強(qiáng)度的連接，確保連接緊密、無滲漏，而連接之后，對于該裝置采集的數(shù)據(jù)信息輸入到整個數(shù)據(jù)分析平臺中，并做好水壓的測試工作。對于水壓測試工作，一般會提高測試壓力，通常都是將水壓設(shè)置成正常運行狀態(tài)，管道內(nèi)液體流速的1.5 倍，這樣連續(xù)流動10min 后，再測量管道內(nèi)液體的壓力。如果管道內(nèi)的壓力下降過多，則說明整個管道有漏滲情況，沒有密封好，就需要重點檢查儀表與管道相連的法蘭連接處，確定此處無滲漏點之后，再檢查管道的其他位置是否有滲漏，逐一排查問題點，找到問題后再進(jìn)行整改。總之，要確保儀表裝配過程不會給管道整體的運行帶來不良影響或其他安全隱患。

3.2 自動化系統(tǒng)的設(shè)計

自動化系統(tǒng)的設(shè)計工作，是需要考慮整個自動化運行系統(tǒng)的自動數(shù)據(jù)采集控制理論的，采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺中，如何發(fā)出指令，怎么進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，這個過程需要專業(yè)化分析。根據(jù)作者多年從事自動化儀表工作經(jīng)驗看，就實際的作用效果，自動化系統(tǒng)設(shè)計項目包括相關(guān)的數(shù)學(xué)模型的建立和使用，專業(yè)化自動控制模型的建立與輸入、專業(yè)化控制線纜的設(shè)計與搭建等，要求所有的建設(shè)和設(shè)計信息都要被納入到后續(xù)的管理系統(tǒng)之中，以提高系統(tǒng)的運行水平。自動化系統(tǒng)設(shè)計完成，并不代表工作就完成了，也要關(guān)注后續(xù)的使用管理，要研究RFID 射頻識別技術(shù)是否能夠很好地應(yīng)用，與自動化系統(tǒng)的控制平臺有效關(guān)聯(lián)，并且分析選擇芯片的運行質(zhì)量，做好專業(yè)化的數(shù)據(jù)編程工作，讓所有的數(shù)據(jù)都能夠被及時、準(zhǔn)確地采集，并傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)平臺中，以確保自動化系統(tǒng)能夠獲得正確的數(shù)據(jù)，根據(jù)整個系統(tǒng)編程情況，做出正確的判斷與自主調(diào)整。除了依靠機(jī)器系統(tǒng)編程的控制，也要依賴人工控制系統(tǒng)，對于提高問題的處理速度和效率，都有著重要作用。方便的人工智能系統(tǒng)，再加上人機(jī)交互界面的安裝與使用，可以快速發(fā)現(xiàn)問題，并第一時間解決問題，提高解決問題的效率，提高安全保障，也降低由此帶來的損失。例如，某工業(yè)企業(yè)的自動化系統(tǒng)設(shè)計，就將所有的儀表與RFID 控制芯片連接,其發(fā)送的數(shù)據(jù)與信息分析平臺相對接，以便于做進(jìn)一步分析，看是否需要做相應(yīng)的調(diào)整工作，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，與運行安全。

3.3 自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模塊

自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模塊建設(shè)工作，行業(yè)內(nèi)常用的做法是將整個大的系統(tǒng)劃分為幾個小的系統(tǒng)機(jī)制，對于每個系統(tǒng)機(jī)制要單獨設(shè)立數(shù)據(jù)模塊，以保證各自完成自己的工作與管理，對這些模塊再進(jìn)行整合，以確保完成整個系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)采集與分析工作。通常這么做的好處就是為了減少整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺的工作壓力。在工業(yè)企業(yè)中，普遍應(yīng)用的輔助性設(shè)置模塊，是單片機(jī)結(jié)構(gòu)，從單片機(jī)的名字上就可以看出，這個裝置主要用來完成單機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集的，通常完成比較單一的、簡單化的工作任務(wù)。例如，對于相關(guān)信息的對比、儀表傳回信號的位置識別等。舉個例子解釋一下單片機(jī)結(jié)構(gòu)的工作內(nèi)容。例如，某單片機(jī)設(shè)置的程序要求是：檢測當(dāng)前管道的液體壓力，當(dāng)壓力超過標(biāo)準(zhǔn)值時，要將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)分析平臺，當(dāng)壓力值在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)時，不做信號的傳遞與調(diào)整工作。我們假定編寫的數(shù)據(jù)對比程序是：數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)為X，通過管道內(nèi)儀表讀取的管道內(nèi)液體壓力值是Y，后續(xù)完成信號對比工作，當(dāng)X 大于Y 時，則該單片機(jī)不向外發(fā)出數(shù)據(jù)指令，當(dāng)X 小于Y 時，剛要向外發(fā)出數(shù)據(jù)脈沖信號。而對于專業(yè)化的數(shù)據(jù)分析平臺，要將這些信號都收集到整個數(shù)據(jù)分析體系中，在系統(tǒng)內(nèi)有一套完整的核算方法與程序，以上信號經(jīng)過核算后，確認(rèn)是否會對整個系統(tǒng)造成重大安全問題，若會造成嚴(yán)重安全影響，則會將信號傳遞給各相關(guān)的控制環(huán)節(jié)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)進(jìn)行處理，若不會造成嚴(yán)重安全影響，或不是系統(tǒng)性問題，只需要改變一個設(shè)備運行狀況就可以解決的，則發(fā)出單一的控制指令來解決。

3.4 自動化系統(tǒng)的控制模式

自動化系統(tǒng)的控制模式建設(shè)，不是憑空想象的，是結(jié)合要控制的實物的情況來設(shè)計建設(shè)的，根據(jù)實際情況來設(shè)計需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)、監(jiān)測的位置，自動監(jiān)測采集數(shù)據(jù)后傳入系統(tǒng)管理平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

自動監(jiān)測采集數(shù)據(jù)裝置，就是數(shù)據(jù)的獲取平臺裝置，比較常用的就是傳感器裝置，控制儀表獲取的數(shù)據(jù)通過通信線纜直接傳遞給數(shù)據(jù)平臺，例如單片機(jī)以及數(shù)據(jù)控制平臺，就是自主獲取數(shù)據(jù)后傳遞給被控制對象，分析數(shù)據(jù)，這種模式常常用于主控平臺。對于子控制平臺，常常選用可以同時期發(fā)送數(shù)據(jù)的控制方案，將信號收集后直接轉(zhuǎn)發(fā)給所有的被控制對象，它們的前綴部分通常都是RFID 芯片可以識別的指令，信號被同時識別后傳入到管理系統(tǒng)中，進(jìn)行運行的自主調(diào)整。這種方法在自動化系統(tǒng)控制模式中被廣泛應(yīng)用，因為這種方法錯誤率低，而且傳送的效率高，可靠性好。

4 結(jié)束語

總之，工業(yè)自動化儀表技術(shù)的廣泛應(yīng)用，既可以對于各類控制參數(shù)進(jìn)行測量，又可以通過傳感器將自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)平臺，以此分析整個自動化控制系統(tǒng)是否符合運行要求，從而做出相應(yīng)的工作指令，對于提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性都很重要。