2009年第四屆中國水泥信息化與自動化高峰論壇已于2月28日在杭州圓滿落幕，在會上，天津水泥設計院教授級高工張衛(wèi)民發(fā)表了題為《工業(yè)自動化領域的最新發(fā)展趨勢》的主題演講，以下為演講全文：
上世紀80年代起，我國引進和發(fā)展了新型干法水泥工藝線，水泥工業(yè)自動化也經歷了由無到快速發(fā)展的過程。25年前我國水泥工業(yè)在自動化系統(tǒng)中，首次應用了Modicon584 PLC可編程序控制器，后在新型干法水泥線普遍推廣了DCS，目前我們廣泛使用了現場總線FF系統(tǒng)和混合控制系統(tǒng)HCS。國內新型干法水泥工藝線的自動化水平與其他行業(yè)相比，我認為還是處于相對先進的水平，前段時間，國家主席胡錦濤在沙特參觀了RCC水泥廠，在中控室里有一個用于自動分析、自動取樣的機器人，表明了我們已能為國外提供自動化水平達到世界一流的新型干法水泥廠。此外，一些著名的跨國自動化大公司高度注視我國水泥行業(yè)自動化的水平提高，他們在國內和某些水泥集團有很好的協(xié)作和伙伴關系，如ABB和海螺集團，西門子和華新集團，西門子的CEMAT系統(tǒng)，ABB的Optimize IT系統(tǒng) 已在這些集團開始應用，同時在協(xié)作開發(fā)TIA，MES，ERP等方面也取得了一定的成果。
當今隨著市場競爭不斷加劇要求工業(yè)自動化領域有新的發(fā)展，水泥工業(yè)作為一種流程工業(yè)，自動化系統(tǒng)在水泥生產過程中所占的份量比較高，為適應新形勢，要求我們了解工業(yè)自動化領域的最新發(fā)展趨勢，今天我們就談談當今工業(yè)自動化領域的最新發(fā)展趨勢。
一、自動化集成體系架構
在當今的IT 時代，對水泥企業(yè)來說，生產過程自動化不僅是操作和運行生產工藝的工具，隨著市場競爭不斷加劇，在挖潛增效的動機驅使下，企業(yè)更要求自動化技術能夠提供一攬子解決自動化控制，以及整個集團的生產管理、執(zhí)行等信息系統(tǒng)全集成解決方案，而不是PLC或DCS的自動化孤島和信息孤島的陳舊模式，以向用戶提供持續(xù)增長的利益，諸如資產的可用性和回收率，降低成本，在這種趨勢下，在全球有影響力的控制系統(tǒng)供應商現今紛紛推出全集成架構。如施耐德的Transparent Ready（透明就緒）、西門子的Total Integrated Automation（全集成自動化）、羅克威爾的Integrated Architecture（集成架構）、三菱的e—Factory（可視化工廠）、ABB的Industrial IT（工業(yè)信息系統(tǒng)）、Emerson Process的Plant Web（工廠管網）、Invensys Process(Foxboro)的ECS(Enterprise Control System)（企業(yè)控制系統(tǒng)）、Yokogawa 的Vigilant Plant（警醒的工廠）、浙大中控的 WebField ECS-700等。
推出全集成架構的背景是：現今企業(yè)過程管理與控制系統(tǒng)體系結構已發(fā)生了本質性的變化，工業(yè)自動化的金字塔模型已由原來的5層結構簡化為3層， 3層是：企業(yè)資源規(guī)劃（ERP），制造執(zhí)行系統(tǒng) （MES ）與過程控制系統(tǒng)（PCS），它們分別起著計劃層（制定生產計劃），執(zhí)行層（實施生產管理與質量控制），控制層（實現邏輯、閉環(huán)和過程控制等）作用，生產過程借助于MES進行集成與協(xié)調控制，通過工廠的信息管理系統(tǒng)（PMIS），產品規(guī)范管理系統(tǒng)（PSMS），物流管理系統(tǒng)，設備管理系統(tǒng)，實驗室和化驗室的信息管理系統(tǒng)，生產定單的管理系統(tǒng)以及詳細的生產排程和生產運營記錄系統(tǒng)，使得制造業(yè)（包括大的水泥集團）的信息不僅具有很好的計劃系統(tǒng)，還能使計劃落實到實處，最終實現操作過程自動化，使生產更有序，更經濟，既提高了生產效率，又節(jié)約了成本，公司競爭力也得到進一步加強。
如上圖所示，最下面第一層是PCS層，第二層是MES層，第三層是ERP層。在水泥行業(yè)許多集團MIS系統(tǒng)和物流管理系統(tǒng)已基本形成，但實驗室和化驗室信息管理系統(tǒng)應加在MIS系統(tǒng)中，MIS應和生產定單的管理系統(tǒng)以及詳細的生產排程和生產運營記錄系統(tǒng)配合，達到穩(wěn)定的生產管理，信息之間應該是流通的，不是孤立的，信息從底層往上走，經過執(zhí)行后還要往下來指導生產，最終形成指導生產的企業(yè)資源規(guī)劃，生產規(guī)劃下來后又來指導生產，這一點很重要，目前各水泥公司正在做ERP，就是為了企業(yè)生產和資產的最優(yōu)管理。
各公司推出的自動化架構雖然設計理念不同，但他們都有一個共同的特點，即建造的是三層模型，且三層模型聯(lián)系緊密，強調企業(yè)信息和控制系統(tǒng)的集成，即自動化控制系和制造（或生產）執(zhí)行系統(tǒng)以及業(yè)務管理系統(tǒng)（企業(yè)資源規(guī)劃）的集成，主要目的在于為工程設計和組態(tài)（工藝設計、設備設計、自動化設計和編程等）、調試投運、運行操作、資產管理和優(yōu)化、維護等各環(huán)節(jié)提供統(tǒng)一平臺。當然，它只是對工業(yè)自動化來講的，MES在煙草工業(yè)用得很多，它把工程設計組態(tài)、調試運行，運行操作三層合在一起，水泥行業(yè)由于工藝比較單一，應講究的是資產的優(yōu)化管理，目前資產管理的優(yōu)化還沒有做到位，還有很大的提升空間。
水泥廠的控制包括電控（電氣控制）、儀控（儀表控制），現在還有種叫運動控制，就像機床，有好多軸在一起運動，羅克韋爾已推出了PAC即可編程的自動化控制系統(tǒng)，也就是把電控、儀控、運動控制都完全放在一起，這一點很重要，即控制層能完成多專業(yè)控制功能，此外，各層不同網絡的信息應是無縫連接的，實際上，我覺得很多企業(yè)現在無法做到無縫連接，因為還沒有形成一個無縫連接的網絡，也就是信息從下往上，往下，從PCS到MES，再到ERP，這都要通過一個網絡，現今用工業(yè)以太網組成的網絡可實現信息無縫網上連接，并可執(zhí)行MES，最終達到ERP-企業(yè)資源優(yōu)化規(guī)劃，但實現還要做大量工作。
我國水泥工業(yè)和其他流程工業(yè)一樣，盡管自動化程度已較高，但也面臨著市場和能源、清潔生產和環(huán)境保護、高效和規(guī)范、負責和協(xié)調等多方面的挑戰(zhàn)，現在還受到全球經濟危機的影響。節(jié)能、環(huán)保、安全、高效是每一個水泥集團必須要面對的課題。此外，一些大型水泥企業(yè)，下屬有很多熟料廠和粉磨站，這些工廠的距離可能很遠，地域相當分散，企業(yè)必須綜合調度其生產、管理和銷售等；另外，隨著節(jié)能環(huán)保的需要，這些大集團還必須考慮電能、熱能的綜合應用，粉塵以及SO2的排放，為此進一步提高這些大集團的管控水平是十分需要和迫切，自動化全集成體系架構的推出，為水泥行業(yè)大集團提升生產、管理、控制水平創(chuàng)造了條件。
90年代，國內有些設計院也搞過PMIS，但它僅作為管理層熟悉生產的CRT；進入本世紀，國內大集團開始有自己的自動化機構和網站，華新集團和海螺集團，在企業(yè)內的管理、銷售、原料和成品的分析、工程設計，運行操作、維護，物流等方面正逐漸趨于統(tǒng)一的信息平臺，用工業(yè)以太網和數據庫，努力實現信息在各網絡之間正確連接，擴展了自動化范圍和功能，同時也實現了生產過程的高效和成本優(yōu)化的集成，并最終實現集團的資源管理共享和績效最佳。
二、現場總線和工業(yè)以太網技術的發(fā)展和推廣應用
現場總線和工業(yè)以太網技術的發(fā)展和推廣應用，為全集成自動化體系架構的形成和發(fā)展奠定了通信的基礎。另外從工業(yè)編程語言、現場總線、工業(yè)以太網等各種自動化國際標準的制定和推廣應用，也為工業(yè)以太網技術的發(fā)展奠定了標準化的基礎。
當今自動化領域內，從工藝現場層到工廠（集團）管理層可經由以太網，基本實現信息的暢通無縫流通，通過信息的無縫集成、過程優(yōu)化和資源優(yōu)化，實現物流、信息流、價值流的集成，以縮短企業(yè)新產品的開發(fā)周期、提高質量、降低成本、改進服務和改善環(huán)境，從而提升企業(yè)的市場的應變能力和競爭能力. 在工業(yè)自動化領域當今較認可的有兩種，一個是P-NET，它是基于PROFIBUS系統(tǒng)開發(fā)的，華新集團的特點在于所有的系統(tǒng)都是采用西門子PROFIBUS系統(tǒng)， 通過P-NET就可以把管理和控制連起來。第二個是由羅克韋爾為主開發(fā)的即CIP（通用工業(yè)協(xié)議的工業(yè)網絡）-它包括DeviceNet、 EtherNet/IP、 ControlNet.
水泥行業(yè)現場總線儀表實際上比其它行業(yè)用得還早、還快。新型干法生產線在窯尾，窯頭有很多壓力和溫度儀表，過去一個點，一個點的都是用兩根線接到兩線制儀表，現在有現場現場總線，只要通過一根電纜就直接下來了，不但電纜大量減少且I/0的設備也減小了很多。
三、自動化技術的互補與滲透
自動化追求互補，剛才談到的PLC 、DCS現在不是各管各的了，PLC、DCS、IPC結合在一起，他們會形成一定的互補，現在又提出混合控制系統(tǒng)HCS，混合型控制系統(tǒng)一個特點就是把PLC、DCS完全的互補與滲透，就水泥行業(yè)來說，水泥行業(yè)的特點就是開關量多，模擬量比較少，回路控制也不多，用HCS最為合適，ABB，西門子和羅克韋爾推出的FC800，PCS7，Logix多屬于HCS的范疇。同時在水泥行業(yè)控制系統(tǒng)的供應商已將先進控制算法用于DCS和PLC等控制器中，如西門子公司專門為水泥工業(yè)開發(fā)的CEMAT集成化標準軟件，它具有水泥工廠過程控制優(yōu)化的功能塊，還包括窯的煅燒和磨的負荷優(yōu)化控制，該軟件包并集成于西門子公司的過程控制系統(tǒng)PCS7中；ABB公司的Optimize IT優(yōu)化專家則集成于Industry IT成大量已驗證的先進控制技術及廣泛的專家知識庫，如模糊邏輯、控制模型、神經元和模糊控制等，實現對水泥生產過程進行控制及實施優(yōu)化決策管理。
四、自動化系統(tǒng)要更加注重功能與信息安全
自動化控制系統(tǒng)安全主要分四種，電氣安全、防爆安全、信息安全和功能安全。電氣安全和防爆安全我們暫且不講。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統(tǒng)所執(zhí)行的安全功能失效引起的可能危險。目前已相繼出臺的國際標準有IEC61508—電氣/電子/可編程電子安全相關系統(tǒng)的功能安全標準，IEC61511—關于過程工業(yè)領域安全儀表系統(tǒng)的功能安全標準，一般以整體安全等級SIL來評估風險程度，共有4級，安全等級SIL越高，風險就越低。
新型干法工藝其安全等級是較高的。要進一步提高整體安全等級，必須增強故障診斷環(huán)節(jié)；人機操作界面要便于故障的監(jiān)測；對生產規(guī)模越大的生產線，如日產萬噸熟料的生產線系統(tǒng)配置要提高冗余度，另外信息安全也必須高度關注，另外要特別增強煤磨車間的防爆安全等級，對于設置低溫余熱發(fā)電的企業(yè)，整體安全等級SIL要高于一般企業(yè)。在自動化領域內現今紛紛出臺了相應的標準產品，如西門子的故障安全容錯S7F/FH系統(tǒng)，Rockwell的Gruard PLC等。
五、無線通訊技術進一步滲透控制領域
現在無線通訊技術應用很廣，且已在汽車、石化、水處理等行業(yè)有較多應用。在水泥行業(yè)，有的大集團局部輔助流程也采用了無線技術，如冀東水泥廠的循環(huán)水泵站離工廠比較遠， 它采用的就是無線通訊控制水泵的運行。無線通訊正方興未艾地用于工業(yè)自動化系統(tǒng)中，也是工業(yè)自動化產品一個新的增長點，具有優(yōu)良的抗干擾性和高可靠性，現在大家可以放心，通過一定的技術，無線通訊的干擾是可以完全避免的。
水泥行業(yè)過去有些裝得很高、環(huán)境很差的壓力變送器，維修起來很麻煩，而現在有無線壓力變送器，將來可替代。此外無線遙控也比較方便，開關就是用無線通訊功能實現控制的。無線通訊壓力變送器已有產品，在無線通訊領域內有許多供應商，如西門子的SCALANCE W，它是無線局域網產品系列，可用于移動設備之間的通訊，也可實現移動設備與固定網絡之間的通訊；菲尼克斯公司（Phoenix）的產品采用無線通訊技術有藍牙，局域網和Trusted wireless(信托無線)等。
六、變頻器性能更加擴展
變頻器不屬于自動化，變頻現在有高端的、低端的。高端的是自動化的，它與信息系統(tǒng)集合在一起，還有聯(lián)網的。變頻器最主要的問題是低負荷和高負荷的運行性能不一樣，變頻器最怕低負荷運行，低負荷運行電流大，容易燒掉。所以它自身有控制它的負荷變化的變頻器。為實施節(jié)能降耗，在風機、泵類、輸送設備、喂料機械變頻器在我們水泥行業(yè)已經被廣泛應用。如何在低速時經受較大的過載轉矩，提高中壓變頻器的性價比是對制造商提出的課題。西門子公司推出羅賓康中壓變頻器作為中壓變頻器的首選方案將有助于性價比的提高。
七、其它
最后補充幾點，現在工業(yè)上用得比較多的是RFID（射頻識別技術）。RFID在運動控制，物流技術上應用很廣泛，射頻識別技術主要是通過一個條形碼或通過數碼照相技術來識別目標。在水泥行業(yè)，包裝車間，粉塵很大，過去用光電的來計包效果不好，可用射頻技術。射頻識別技術（RFID）的突起，它促使機器視覺及其系統(tǒng)的迅速發(fā)展；和視覺系統(tǒng)連在一體的是運動控制系統(tǒng)，它更趨高度智能化，這對于有上百臺驅動器的制造業(yè)，為提高生產效率，降低運行成本是極為有利的。
此外，在自動化界引起關注的是控制系統(tǒng)正由集中向分散化發(fā)展。智能化分布式I/O是將某一部分I/O組成一個有自治能力的節(jié)點，其本身帶有處理器，獨立完成某一部分的控制。由于組合在一個框架內，它可直接安裝在現場，甚至空間十分有限的地方，但它同時又可鏈接到中央計算機，從而將控制系統(tǒng)從傳統(tǒng)的三層結構簡化為二層結構。一個水泥廠的立磨系統(tǒng)或一個預粉磨系統(tǒng)，用一個處理柜把I/0跟CPU放在一起，作為一個節(jié)點，跟其他的聯(lián)系起來，這樣整個系統(tǒng)運作起來更簡化，更便捷。
現在人機界面的發(fā)展越來越廣泛，已日趨人性化。人機界面已全系列化，現在有手持式、面板式、臺式和PC機式等多種。今后的人機界面已不僅僅局限于SCADA以及編程、監(jiān)控和診斷等，在工業(yè)自動化領域，人機界面可以為操作和管理人員提供越來越多的信息，功能強大的模塊化軟件和多客戶機/服務器結構，使人機界面成為企業(yè)實時生產信息以及商務垂直集成的統(tǒng)一。
以上內容主要是作為一個提示跟大家共享，第四屆中國水泥信息化與自動化高峰論壇的舉辦意義非凡。我們搞信息化的目的最主要還是改進企業(yè)的經濟效益，改進、指導我們的生產，這一點很重要。謝謝！
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