张卫民：工业自动化领域的最新发展趋势

　　2009年第四届中国水泥信息化与自动化高峰论坛已于2月28日在杭州圆满落幕，在会上，天津水泥设计院教授级高工张卫民发表了题为《工业自动化领域的最新发展趋势》的主题演讲，以下为演讲全文：

　　上世纪80年代起，我国引进和发展了新型干法水泥工艺线，水泥工业自动化也经历了由无到快速发展的过程。25年前我国水泥工业在自动化系统中，首次应用了Modicon584 PLC可编程序控制器，后在新型干法水泥线普遍推广了DCS，目前我们广泛使用了现场总线FF系统和混合控制系统HCS。国内新型干法水泥工艺线的自动化水平与其他行业相比，我认为还是处于相对先进的水平，前段时间，国家主席胡锦涛在沙特参观了RCC水泥厂，在中控室里有一个用于自动分析、自动取样的机器人，表明了我们已能为国外提供自动化水平达到世界一流的新型干法水泥厂。此外，一些著名的跨国自动化大公司高度注视我国水泥行业自动化的水平提高，他们在国内和某些水泥集团有很好的协作和伙伴关系，如ABB和海螺集团，西门子和华新集团，西门子的CEMAT系统，ABB的Optimize IT系统 已在这些集团开始应用，同时在协作开发TIA，MES，ERP等方面也取得了一定的成果。

　　当今随着市场竞争不断加剧要求工业自动化领域有新的发展，水泥工业作为一种流程工业，自动化系统在水泥生产过程中所占的份量比较高，为适应新形势，要求我们了解工业自动化领域的最新发展趋势，今天我们就谈谈当今工业自动化领域的最新发展趋势。

　　一、自动化集成体系架构 

　　在当今的IT 时代，对水泥企业来说，生产过程自动化不仅是操作和运行生产工艺的工具，随着市场竞争不断加剧，在挖潜增效的动机驱使下，企业更要求自动化技术能够提供一揽子解决自动化控制，以及整个集团的生产管理、执行等信息系统全集成解决方案，而不是PLC或DCS的自动化孤岛和信息孤岛的陈旧模式，以向用户提供持续增长的利益，诸如资产的可用性和回收率，降低成本，在这种趋势下，在全球有影响力的控制系统供应商现今纷纷推出全集成架构。如施耐德的Transparent Ready（透明就绪）、西门子的Total Integrated Automation（全集成自动化）、罗克威尔的Integrated Architecture（集成架构）、三菱的e—Factory（可视化工厂）、ABB的Industrial IT（工业信息系统）、Emerson Process的Plant Web（工厂管网）、Invensys Process(Foxboro)的ECS(Enterprise Control System)（企业控制系统）、Yokogawa 的Vigilant Plant（警醒的工厂）、浙大中控的 WebField ECS-700等。

　　推出全集成架构的背景是：现今企业过程管理与控制系统体系结构已发生了本质性的变化，工业自动化的金字塔模型已由原来的5层结构简化为3层， 3层是：企业资源规划（ERP），制造执行系统 （MES ）与过程控制系统（PCS），它们分别起着计划层（制定生产计划），执行层（实施生产管理与质量控制），控制层（实现逻辑、闭环和过程控制等）作用，生产过程借助于MES进行集成与协调控制，通过工厂的信息管理系统（PMIS），产品规范管理系统（PSMS），物流管理系统，设备管理系统，实验室和化验室的信息管理系统，生产定单的管理系统以及详细的生产排程和生产运营记录系统，使得制造业（包括大的水泥集团）的信息不仅具有很好的计划系统，还能使计划落实到实处，最终实现操作过程自动化，使生产更有序，更经济，既提高了生产效率，又节约了成本，公司竞争力也得到进一步加强。  

　　如上图所示，最下面第一层是PCS层，第二层是MES层，第三层是ERP层。在水泥行业许多集团MIS系统和物流管理系统已基本形成，但实验室和化验室信息管理系统应加在MIS系统中，MIS应和生产定单的管理系统以及详细的生产排程和生产运营记录系统配合，达到稳定的生产管理，信息之间应该是流通的，不是孤立的，信息从底层往上走，经过执行后还要往下来指导生产，最终形成指导生产的企业资源规划，生产规划下来后又来指导生产，这一点很重要，目前各水泥公司正在做ERP，就是为了企业生产和资产的最优管理。

　　各公司推出的自动化架构虽然设计理念不同，但他们都有一个共同的特点，即建造的是三层模型，且三层模型联系紧密，强调企业信息和控制系统的集成，即自动化控制系和制造（或生产）执行系统以及业务管理系统（企业资源规划）的集成，主要目的在于为工程设计和组态（工艺设计、设备设计、自动化设计和编程等）、调试投运、运行操作、资产管理和优化、维护等各环节提供统一平台。当然，它只是对工业自动化来讲的，MES在烟草工业用得很多，它把工程设计组态、调试运行，运行操作三层合在一起，水泥行业由于工艺比较单一，应讲究的是资产的优化管理，目前资产管理的优化还没有做到位，还有很大的提升空间。

　　水泥厂的控制包括电控（电气控制）、仪控（仪表控制），现在还有种叫运动控制，就像机床，有好多轴在一起运动，罗克韦尔已推出了PAC即可编程的自动化控制系统，也就是把电控、仪控、运动控制都完全放在一起，这一点很重要，即控制层能完成多专业控制功能，此外，各层不同网络的信息应是无缝连接的，实际上，我觉得很多企业现在无法做到无缝连接，因为还没有形成一个无缝连接的网络，也就是信息从下往上，往下，从PCS到MES，再到ERP，这都要通过一个网络，现今用工业以太网组成的网络可实现信息无缝网上连接，并可执行MES，最终达到ERP-企业资源优化规划，但实现还要做大量工作。

　　我国水泥工业和其他流程工业一样，尽管自动化程度已较高，但也面临着市场和能源、清洁生产和环境保护、高效和规范、负责和协调等多方面的挑战，现在还受到全球经济危机的影响。节能、环保、安全、高效是每一个水泥集团必须要面对的课题。此外，一些大型水泥企业，下属有很多熟料厂和粉磨站，这些工厂的距离可能很远，地域相当分散，企业必须综合调度其生产、管理和销售等；另外，随着节能环保的需要，这些大集团还必须考虑电能、热能的综合应用，粉尘以及SO₂的排放，为此进一步提高这些大集团的管控水平是十分需要和迫切，自动化全集成体系架构的推出，为水泥行业大集团提升生产、管理、控制水平创造了条件。

　　90年代，国内有些设计院也搞过PMIS，但它仅作为管理层熟悉生产的CRT；进入本世纪，国内大集团开始有自己的自动化机构和网站，华新集团和海螺集团，在企业内的管理、销售、原料和成品的分析、工程设计，运行操作、维护，物流等方面正逐渐趋于统一的信息平台，用工业以太网和数据库，努力实现信息在各网络之间正确连接，扩展了自动化范围和功能，同时也实现了生产过程的高效和成本优化的集成，并最终实现集团的资源管理共享和绩效最佳。 
   
　　二、现场总线和工业以太网技术的发展和推广应用

　　现场总线和工业以太网技术的发展和推广应用，为全集成自动化体系架构的形成和发展奠定了通信的基础。另外从工业编程语言、现场总线、工业以太网等各种自动化国际标准的制定和推广应用，也为工业以太网技术的发展奠定了标准化的基础。

　　当今自动化领域内，从工艺现场层到工厂（集团）管理层可经由以太网，基本实现信息的畅通无缝流通，通过信息的无缝集成、过程优化和资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成，以缩短企业新产品的开发周期、提高质量、降低成本、改进服务和改善环境，从而提升企业的市场的应变能力和竞争能力. 在工业自动化领域当今较认可的有两种，一个是P-NET，它是基于PROFIBUS系统开发的，华新集团的特点在于所有的系统都是采用西门子PROFIBUS系统， 通过P-NET就可以把管理和控制连起来。第二个是由罗克韦尔为主开发的即CIP（通用工业协议的工业网络）-它包括DeviceNet、 EtherNet/IP、 ControlNet.
水泥行业现场总线仪表实际上比其它行业用得还早、还快。新型干法生产线在窑尾，窑头有很多压力和温度仪表，过去一个点，一个点的都是用两根线接到两线制仪表，现在有现场现场总线，只要通过一根电缆就直接下来了，不但电缆大量减少且I/0的设备也减小了很多。

　　三、自动化技术的互补与渗透

　　自动化追求互补，刚才谈到的PLC 、DCS现在不是各管各的了，PLC、DCS、IPC结合在一起，他们会形成一定的互补，现在又提出混合控制系统HCS，混合型控制系统一个特点就是把PLC、DCS完全的互补与渗透，就水泥行业来说，水泥行业的特点就是开关量多，模拟量比较少，回路控制也不多，用HCS最为合适，ABB，西门子和罗克韦尔推出的FC800，PCS7，Logix多属于HCS的范畴。同时在水泥行业控制系统的供应商已将先进控制算法用于DCS和PLC等控制器中，如西门子公司专门为水泥工业开发的CEMAT集成化标准软件，它具有水泥工厂过程控制优化的功能块，还包括窑的煅烧和磨的负荷优化控制，该软件包并集成于西门子公司的过程控制系统PCS7中；ABB公司的Optimize IT优化专家则集成于Industry IT成大量已验证的先进控制技术及广泛的专家知识库，如模糊逻辑、控制模型、神经元和模糊控制等，实现对水泥生产过程进行控制及实施优化决策管理。

　　四、自动化系统要更加注重功能与信息安全

　　自动化控制系统安全主要分四种，电气安全、防爆安全、信息安全和功能安全。电气安全和防爆安全我们暂且不讲。另外主要是信息安全，信息安全主要是指防止黑客入侵，信息泄密等；功能安全是指控制系统所执行的安全功能失效引起的可能危险。目前已相继出台的国际标准有IEC61508—电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全标准，IEC61511—关于过程工业领域安全仪表系统的功能安全标准，一般以整体安全等级SIL来评估风险程度，共有4级，安全等级SIL越高，风险就越低。

　　新型干法工艺其安全等级是较高的。要进一步提高整体安全等级，必须增强故障诊断环节；人机操作界面要便于故障的监测；对生产规模越大的生产线，如日产万吨熟料的生产线系统配置要提高冗余度，另外信息安全也必须高度关注，另外要特别增强煤磨车间的防爆安全等级，对于设置低温余热发电的企业，整体安全等级SIL要高于一般企业。在自动化领域内现今纷纷出台了相应的标准产品，如西门子的故障安全容错S7F/FH系统，Rockwell的Gruard  PLC等。

　　五、无线通讯技术进一步渗透控制领域

　　现在无线通讯技术应用很广，且已在汽车、石化、水处理等行业有较多应用。在水泥行业，有的大集团局部辅助流程也采用了无线技术，如冀东水泥厂的循环水泵站离工厂比较远， 它采用的就是无线通讯控制水泵的运行。无线通讯正方兴未艾地用于工业自动化系统中，也是工业自动化产品一个新的增长点，具有优良的抗干扰性和高可靠性，现在大家可以放心，通过一定的技术，无线通讯的干扰是可以完全避免的。

　　水泥行业过去有些装得很高、环境很差的压力变送器，维修起来很麻烦，而现在有无线压力变送器，将来可替代。此外无线遥控也比较方便，开关就是用无线通讯功能实现控制的。无线通讯压力变送器已有产品，在无线通讯领域内有许多供应商，如西门子的SCALANCE W，它是无线局域网产品系列，可用于移动设备之间的通讯，也可实现移动设备与固定网络之间的通讯；菲尼克斯公司（Phoenix）的产品采用无线通讯技术有蓝牙，局域网和Trusted wireless(信托无线)等。

　　六、变频器性能更加扩展

　　变频器不属于自动化，变频现在有高端的、低端的。高端的是自动化的，它与信息系统集合在一起，还有联网的。变频器最主要的问题是低负荷和高负荷的运行性能不一样，变频器最怕低负荷运行，低负荷运行电流大，容易烧掉。所以它自身有控制它的负荷变化的变频器。为实施节能降耗，在风机、泵类、输送设备、喂料机械变频器在我们水泥行业已经被广泛应用。如何在低速时经受较大的过载转矩，提高中压变频器的性价比是对制造商提出的课题。西门子公司推出罗宾康中压变频器作为中压变频器的首选方案将有助于性价比的提高。

　　七、其它

　　最后补充几点，现在工业上用得比较多的是RFID（射频识别技术）。RFID在运动控制，物流技术上应用很广泛，射频识别技术主要是通过一个条形码或通过数码照相技术来识别目标。在水泥行业，包装车间，粉尘很大，过去用光电的来计包效果不好，可用射频技术。射频识别技术（RFID）的突起，它促使机器视觉及其系统的迅速发展；和视觉系统连在一体的是运动控制系统，它更趋高度智能化，这对于有上百台驱动器的制造业，为提高生产效率，降低运行成本是极为有利的。

　　此外，在自动化界引起关注的是控制系统正由集中向分散化发展。智能化分布式I/O是将某一部分I/O组成一个有自治能力的节点，其本身带有处理器，独立完成某一部分的控制。由于组合在一个框架内，它可直接安装在现场，甚至空间十分有限的地方，但它同时又可链接到中央计算机，从而将控制系统从传统的三层结构简化为二层结构。一个水泥厂的立磨系统或一个预粉磨系统，用一个处理柜把I/0跟CPU放在一起，作为一个节点，跟其他的联系起来，这样整个系统运作起来更简化，更便捷。

　　现在人机界面的发展越来越广泛，已日趋人性化。人机界面已全系列化，现在有手持式、面板式、台式和PC机式等多种。今后的人机界面已不仅仅局限于SCADA以及编程、监控和诊断等，在工业自动化领域，人机界面可以为操作和管理人员提供越来越多的信息，功能强大的模块化软件和多客户机/服务器结构，使人机界面成为企业实时生产信息以及商务垂直集成的统一。

　　以上内容主要是作为一个提示跟大家共享，第四届中国水泥信息化与自动化高峰论坛的举办意义非凡。我们搞信息化的目的最主要还是改进企业的经济效益，改进、指导我们的生产，这一点很重要。谢谢！