智能自動化在工業過程控制方面的選擇與應用

萬泉

（中材建設有限公司，河北唐山，063030）

0 引言

電氣自動化技術的利用離不開設備和自動化儀表的安裝，自動化儀表能夠收集工業生產中的各種信息和數據，并輸送到DCS（Distributed control system，集散控制系統）上，然后這個控制中樞又能夠根據特定的編程，把編寫好的命令傳輸到電氣設備中，以此來執行后續的生產任務。

1 分析電氣設備和自動化儀表的主要內容

通常意義上所說的電氣設備，主要以電力系統為基礎，涉及到發電設備和輸電設備，電機驅動、保護設備和電力監控設備等裝置。而在具體的設備體現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，從現代工業的角度來看，電氣設備面臨的技術性要求也愈發嚴格，需要不斷向著更加精密化、智能化的方向發展。

就自動化儀表的應用來講，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備的結合，就構成了較為完整的自控系統回路，能夠有效實現工業控制的自動化。在通常情況下，自動化儀表的應用主要涉及到溫度監測，流量監測等工作，并且也與水泥廠和危廢處理廠的發展息息相關，這些監測不僅可以反映出最為基本的數據，同時也可以對數據進行分析和處理，發出相應的報警信號，然后進行連鎖，最終再經由中央控制室發放指令，確保執行器能夠執行任務，完成工業的自動化控制。從以上這些敘述中也可以看出，電氣設備和自動化儀表是電氣自動化技術應用最為鮮明的體現，而這一態勢也成為眾多工業制造領域的共識。

2 分析電氣自動化在工業過程控制中應用的重要意義

從生產行業建設的角度來看，電氣自動化技術的引進給水泥行業的發展帶來了更多的可能性，不僅可以讓企業對各類機械設備進行長期的監督和調控，同時也能夠凸顯出生產機械的自動控制技能，確保自身的生產模式能夠向著智能化和現代化的方向發展。而機器的生產效率，在自動化技術的引導下，也能夠實現質的飛躍，這就能夠有效降低危險事故發生的幾率和可能性。另外，電氣自動化的應用本身就可以實現勞動力的置換，這就能夠減輕現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場的設備和器材。

智能自動化技術是信息化技術的重要體現，在具體的應用過程中使得計算機反應速度較快的特點與電氣設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備產品的儲存量，實現電氣設備產品智能化，通過技術手段不斷進行實質性的改進和發展。

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

3 分析電氣自動化在工業過程控制中的具體應用

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

就生產環境了解這一原理來看，自動化儀表和電氣設備都是以此為設計基礎的，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，那么安全數值也應當隨之有所上升，并符合相應的比例。如果只是簡單的設定電氣設備的最大核定載荷，不僅會造成大量的資源浪費，嚴重時甚至會發生安全事故。這就需要根據入磨氣體溫度調節、喂料量及配比、尤其是磨機主電機的各個參數，如峰值電流、功率等指標參考，從而不僅僅是達標達產，而且達標超產。顯然，如果達到這一目標，各個監控儀表提供給DCS的數據，以及對各個數據進行分析后的各項指令都是缺一不可的。

從設備智能化這一原理來看，電氣設備和自動化儀表應當滿足測量，監控，調節和處理的基本要求。筆者仍舊把工業生產中的水泥廠當做例子，測量強調的是儀表能夠隨時檢測到預熱器分解爐的工作狀態，監測強調的是分解爐內的溫度特性能夠被顯示到特定的上位機上，調節強調的是設備能夠自動適應生產的需求，處理強調的是上位機能夠及時根據分解爐出現的問題作出處理，下達必要的指令，傳送到終端電氣設備上，采取必要的措施，為工作人員的后續工作奠定堅實的基礎。例如，如果分解爐內溫度偏低，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送到計算機上，計算機制定相應的指令，輸送到電氣設備上，以此來提高預熱器高溫風機的轉速，拉動窯-煙室-分解爐-預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勢，遠程控制的主要目的是為了提高調節的靈活性，如果主機需要產讓更多的動力來達到生產額定負荷的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，主要針對的是設備的檢查和保養，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，只要程序的設定符合標準和要求，就可以實現管理的無人化。例如現在很多國內危廢處理廠的倉儲，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，就測量環節來看，自動化儀表就是以測量作為基礎功能的，能夠對目標數據進行收集和整理，并把具體的測量值保存下來，為后續的統計工作提供參考依據。智能自動化在工業過程控制方面的應用選擇，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備控制參數，以在實際生產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導致的各種失誤，一定程度上提高了操作準確性和工業生產效率。加之，在實際的工業生產中，自動化儀表儀自動化控制技術以其強有力的保護能力，可在故障出現的第一時間，時及時進行維修處理，保證整個工業生產系統運作的安全，避免傳統技術因不能及時進行檢測維修而造成的經濟損失。再者，工業化自動技術以計算機信息技術為基礎，在實際運用時操作人員能夠對系統運行電流和電壓等實時有效地控制，通過遠程控制，一旦出現異常情況時，即可利用報警設備及時通知工作人員。

另外，在監測工作開展的時候，電氣自動化的應用也十分突出。監測是工程過程控制的重要組成部分，目的是對系統的生產進行全天檢查，而且這一環節也貫穿于工業生產和制造的全過程，當生產停止之后，監測工作也自然會告一段落。例如，危廢處理廠的各項監測和工廠對各電氣設備的監測，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、上位機和控制器結合到一起，保證凈水流量在合理的范圍內。如果進水量超過或低于限度，流量會給上位機發信號，而信號就會被傳遞到指定閥門上，從而實現流量的超限關閥。更為重要的是，對于流量的監測與調節的過程，工作人員隨時可以通過DCS系統調取任意時點的設備運行狀態，進行監測和記錄[1]

再有，電氣自動化同樣也可以在執行環節中有所體現，這些環節是整個工業控制過程的核心，也是衡量生產自動化水平的關鍵因素。執行環節決定著發令器的最終動作，所以依賴相應的自動化執行儀表，例如電動閥，同時還要借助電氣設備，也就是電控柜的運行。在此，仍舊把水處理系統當作例子，如果設備受到了外界的損壞，造成水流的涌入量暴增，當流量已監測到異常情況的時候，會迅速發出相應的警報，如果水流量增大的程度已經超過了安全的限制，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4.0計劃的工廠控制室為例，應用虛擬化技術通過八臺大屏幕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與傳統微軟 Office桌面應用程序分開。兩個Experion協作站使巴斯夫能夠通過使用實時數據和在線文檔更高效地運行生產；期間29個C300控制器和2萬個I/O模塊便于全廠范圍的監控，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化為蒸汽和電力；清潔、可重復使用的能源被重新引入巴斯夫的生產流程，幫助企業節約資源，減少排放。

圖1 某水泥廠的原料磨DSC自動控制

圖2 DCS系統對流量和監測和調節

最后，電氣自動化可以保護工業的過程控制，保護環節是以監測和執行工作為基礎的，主要指的是，當監測對象發生異常的時候，就需要采取保護措施。對此，筆者將以電力設備的控制系統作為切入點，在工業生產的時候，大型電力設備的運用是必不可少的，從水泥廠的兩磨一窯就可見一斑，而在升溫調風工作進行的時候，由于設備自身的功率較大，所以產生的負載也相對較大，如果超過了安全限制，就會給設備甚至生產線帶來一定的損害。在此，操作人員就可以利用各種監測設備，監測各點的工作情況，特別是就那些大型設備，電流、功率、轉速等監測能夠將瞬間發生的情況反饋給中央處理器，然后由中央處理器下達指令。電氣自動化技術監測功能用于電氣系統的選擇，也是實現全分布式保護測控功能，基于現場總線及以太網技術共同構成了分層分布式的發電廠電氣監控管理系統。以發電廠電氣監控管理系統為例，FCS系統(Fieldbus ControlSystem，現場總線控制系統）中，內含6KV及400V的全部電源及電動機保護監視、機組部分保護自動裝置。其中，通信控制方式下DCS，是以電氣系統監測管理為主要目的，實現全廠電氣系統集中監視、管理及輔助控制等功能。通過DCS系統下發給ECMS，執行ELMS系統保護測控裝置；既為DCS系統一部分，同時又獨立為單一電氣自動化系統，完成DCS步伐實現的集中抄表、狀態檢修、電氣邏輯閉鎖、電氣開關順序控制、定值管理、保護動作分析等內容。

4 結束語

從上文的敘述中可以看出，電氣設備和自動化儀表都是電氣自動化發展的重要產物，而這兩者，在工業過程控制中的應用也具有聯合性與協調性的特點，是相輔相成的。本文通過設計原理，測量環節，監測環節，執行環節和保護環節這幾個角度論述了電氣自動化在工業過程控制中的應用內容，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用，具有理論上的合理性與實踐上的可行性，作為行業和企業的參考依據。