冶金工業(yè)自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)3

1、 冶金工業(yè)自動化冶金工業(yè)自動化 第一單元第一單元 冶金工藝流程及自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)冶金工藝流程及自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 模塊二模塊二 冶金工業(yè)自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)冶金工業(yè)自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 一、知識點 冶金工業(yè)自動化的進展及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。包括從簡單的檢測發(fā)展成三級結(jié)構(gòu)的計算機集成制造系統(tǒng)（ CIMS ）和網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng)（ WIMS ）。 冶金工業(yè)自動化內(nèi)容（基礎(chǔ)自動化、過程自動化和管理自動化）、特點（ EIC 一體化等）與結(jié)構(gòu)分析（基礎(chǔ)自動化、過程自動化和管理自動化系統(tǒng)的多種結(jié)構(gòu)形式）。 二、知識點分析 1 冶金工業(yè)自動化的進展與自動化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)冶金工業(yè)自動化從 1755 年英國人詹姆士一瓦

2、特發(fā)明蒸汽機作為動力源，并連同其自動調(diào)速器一起用于高爐開始，經(jīng)歷了簡單的熱管理和單參數(shù)自動控制系統(tǒng)、 EIC 一體化系統(tǒng)、 1964 年英國人 D . H Kelley 提出的分層計算機系統(tǒng)及 20 世紀 70 年代新日鐵的把其 9 個鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的多級計算機系統(tǒng)與其東京總部的管理計算機系統(tǒng)相連成為當時冶金工業(yè)最大規(guī)模的多級計算機系統(tǒng)、 80 年代的 CIMS （計算機集成制造系統(tǒng)，國內(nèi)稱為管理控制一體化系統(tǒng)）化等幾個階段。至今，現(xiàn)代冶金工業(yè)自動化系統(tǒng)已達到如圖 1 一 37 所示的 CIMS 結(jié)構(gòu)的多級計算機系統(tǒng)。CIMS 體系結(jié)構(gòu)按 ISO （國際標準化組織）如圖 1 一 37a 所示分成

3、 6 級，后來又有 5 級、 3 級之分，但實質(zhì)是把功能分配在不同級別。 5 級體系結(jié)構(gòu)（見圖 1 一 37b ）由于層次多、結(jié)構(gòu)復雜，在牽涉到大量既有生產(chǎn)性質(zhì)又有管理性質(zhì)的信息時，就很難明確應(yīng)該歸于 CIMS 的哪一層次，造成開發(fā)混亂和標準不統(tǒng)一，實現(xiàn) CIMS 成本高、不便形成平臺技術(shù)，難以推廣。因此，近來提出 3 級結(jié)構(gòu)（見圖 1 一 37C ）。其中BPS（ Business Planning system ，業(yè)務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)）級是單純考慮企業(yè)經(jīng)營管理問題，近來應(yīng)用于 ERP , （企業(yè)資源規(guī)劃），它主要是利用以財務(wù)分析決策為核心的整體資源優(yōu)化技術(shù)； MES ( Manufacturing

4、 execution system ，制造執(zhí)行系統(tǒng)）級是考慮生產(chǎn)與管理結(jié)合問題的系統(tǒng)，主要利用以產(chǎn)品質(zhì)量和工藝要求為指標的先進控制技術(shù)和以生產(chǎn)綜合指標為目標的生產(chǎn)過程優(yōu)化運行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理技術(shù)，使 cIMS 中具有生產(chǎn)與管理雙重性質(zhì)的信息問題得到了解決； PCS ( Process Control system ）級是單純考慮生產(chǎn)過程問題的過程控制系統(tǒng)，即過程自動化和基礎(chǔ)控制系統(tǒng)。 近年來由于要適應(yīng)激烈的市場竟爭需要，互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的發(fā)展，全球化的趨勢是鋼鐵公司的自動化已從公司內(nèi)部到顧客和社會。實行生產(chǎn) 物流 銷售 體化，不僅內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)，且與最終用戶（汽車、機電制造等工廠）以至稅務(wù)部門和

5、海關(guān)聯(lián)網(wǎng)，使信息更廣域化和高效化，甚至通過衛(wèi)星監(jiān)視船舶已到達地點，以向用戶報告使之作接收準備。此外，電子商務(wù)的發(fā)展等，這就要求自動化系統(tǒng)能適應(yīng)這些進展。為此，出現(xiàn)如圖 1 一 38 所示的 WIMS （網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng)）。WIMS 是以 Web 和智能技術(shù)為基礎(chǔ)，能充分利用互聯(lián)網(wǎng)的資源，能實現(xiàn)全球化供銷鏈、遠程技術(shù)支持和遠程診斷等， M2 一 N2 是常規(guī)控制和智能控制等， M3 一 N3 可進行監(jiān)控、復雜的數(shù)學模型和人工智能等運算， M4 一 N4 以上是智能信息處理系統(tǒng)， M4 一 NS 服務(wù)器將運行生產(chǎn)經(jīng)營管理軟件如 ERP 、 MES 等， M5 一 N5 是電子商務(wù)，運行其軟件的服務(wù)

6、器與互連網(wǎng)相連。至此，冶金工業(yè)自動化已經(jīng)成為自動化與信息化相結(jié)合的系統(tǒng)。 2 冶金工業(yè)自動化的內(nèi)容與特點 ( l ）冶金工業(yè)自動化的內(nèi)容從圖 1 一 37 及圖 1 一 38 可以看出，無論是 6 級、 5 級還是 3 級結(jié)構(gòu)的 CIMS 系統(tǒng)，現(xiàn)代冶金工業(yè)自動化包括：基礎(chǔ)自動化、過程自動化、管理自動化和全球化的信息網(wǎng)絡(luò)?；A(chǔ)自動化主要是執(zhí)行生產(chǎn)過程所必需的監(jiān)控。包括參數(shù)檢測、自動控制（如溫度、流量壓力等過程量控制和工藝設(shè)備動作的順序控制等）、報警保護和連鎖、監(jiān)控（生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、整理、顯示和打印等）。一般分為過程檢測及控制（儀表）和電氣傳動控制（電控）兩部分。過程自動化主要是執(zhí)行優(yōu)化和某些管理

7、功能，如：接收上位機指令并向基礎(chǔ)自動化級發(fā)指令或 SPC 控制、過程跟蹤、技術(shù)計算、數(shù)學模型運算與優(yōu)化控制、某些設(shè)備或工藝參數(shù)管理、數(shù)據(jù)采集儲存與整理、數(shù)據(jù)顯示（含專門顯示、趨勢曲線、歷史數(shù)據(jù)等大規(guī)模的數(shù)據(jù)儲存與顯示）與記錄（打印各種報表）、生產(chǎn)實績向上位機反饋、數(shù)據(jù)通信等。管理自動化主要是生產(chǎn)管理（如基于訂單的生產(chǎn)管理，以 CAD 、 CAM 等進行計劃編制和組織生產(chǎn)并監(jiān)視實況和及時調(diào)度等）與事務(wù)管理（如財務(wù)管理、設(shè)備管理等）。如制造執(zhí)行系統(tǒng)（ MES ）大致有下列功能和子系統(tǒng)：制造標準管理、作業(yè)計劃編制及計劃合同管理、生產(chǎn)指令生成及下達、生產(chǎn)實績收集及統(tǒng)計、質(zhì)量管理、生產(chǎn)成本控制、生產(chǎn)及設(shè)

8、備狀況監(jiān)視與技術(shù)數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計、產(chǎn)品庫存管理、設(shè)備管理和生產(chǎn)調(diào)度等子系統(tǒng)以及業(yè)務(wù)數(shù)學模型等。全球化的信息網(wǎng)絡(luò)主要是與冶金企業(yè)外的信息系統(tǒng)和電子商務(wù)。 ( 2 ）冶金工業(yè)自動化系統(tǒng)的特點系統(tǒng)結(jié)構(gòu) EIC 一體化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化以及分層和分布式，功能和內(nèi)容是管理控制一體化，并趨向于建立高效、高質(zhì)、高產(chǎn)的遠距離監(jiān)控的無人化工廠。 E ( Electric Drive ）是指電力傳動控制，是針對主要是電力傳動裝備的順序控制或某些參量（如速度、位置等）定值控制等； I ( Instrument ）是指儀表及其控制系統(tǒng)，主要是針對工藝過程參量即溫度、流量和液位等的檢測和控制； C ( C omputer

9、）是指計算機，最初主要是指過程計算機，后來則包括上位的各級管理計算機。 冶金自動化開始是熱管理和過程參數(shù)的閉環(huán)控制，并從電氣專業(yè)分離出自動化（儀表）專業(yè)，其后，電氣首先開始順序邏輯等控制和聯(lián)鎖以及監(jiān)視報警等（如高爐配料上料控制等），跟著，出現(xiàn)電氣閉環(huán)控制（如電動機速度控制、軋鋼的尺寸控制、位置控制、張力控制等）。初期，電氣和儀表是獨立的，彼此之間很少聯(lián)系，電氣只需要儀表提供信號（如熱風爐自動換爐的均壓信號）與提供檢測儀表及其安裝（如高爐配料要測重，軋鋼要測溫、測厚、測寬等） ; 1958 年電子計算機出現(xiàn)后，情況發(fā)生了變化，計算機開始只進行數(shù)據(jù)采集與記錄（最先是用于轉(zhuǎn)爐，接著是高爐），其后進行

10、 DDC （數(shù)字直接控制，如高爐配料上料、轉(zhuǎn)爐氧槍、軋鋼機的尺寸、位置、張力等控制），跟著是使用數(shù)學模型優(yōu)化的 SPC （設(shè)定控制）。這樣，電子計算機不僅需要從基礎(chǔ)自動化級的電氣與儀表取得數(shù)據(jù)，還需向它們發(fā)出控制指令和設(shè)定數(shù)值并收集反饋數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，至此，就形成了 EIC 一體化系統(tǒng)（我國冶金界稱之為三電系統(tǒng)），自動化于是涵蓋電控和儀測儀控， CIMS 的出現(xiàn)，導致自動化和 EIC 系統(tǒng)的延伸（見圖 1 一 39 ) ，成為包括 CIMS 的多級自動化系統(tǒng)，也是國內(nèi)外電氣公司自動化的內(nèi)容。 3 基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的構(gòu)成。有 4 種形式： ( l ）電氣傳動控制與過程測控功能

11、分別由不同類型控制器執(zhí)行的 PLC + DCS 形式。圖 1 - 40 （電控由 PLC 執(zhí)行， I/O 約 5681 點。儀表由 DCS 執(zhí)行， I/O 約 3497 點）是最典型的例子；優(yōu)點是電控和儀表各自采用最合適的控制裝置。缺點是電控和儀表設(shè)備不同，備件要多些。 ( 2 ）電氣傳動控制與過程測控功能都由 DCS 控制的全 DCS 形式。圖 1 一 41 是典型例子 ( 3 ）電氣傳動控制功能與過程測控功能都由 PLC 控制的全 PLC 形式。由于 PLC 大力發(fā)展儀表連續(xù)調(diào)節(jié)控制功能，且其價格比 DCS 要低，故近來較多使用全PLC以：形式（見圖 1 42）。 ( 4 ）電氣傳動控制功

12、能與過程測控功能都由工控機執(zhí)行的工控機形式。這種方式特點是低成本，過去主要用于小的機組，但近來由于工控機的支持軟件的進展，如美國 Entivity 、 Think andDo 等公司生產(chǎn)的許多工控機支持軟件使工控機能使用商品 I/O （如西門子公司的 ET200）并能執(zhí)行電氣邏輯順序控制與儀表連續(xù)調(diào)節(jié)控制等功能，為在大機組應(yīng)用創(chuàng)造條件。 4 過程自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析過程自動化系統(tǒng)的構(gòu)成。也有 4 種形式： 單機集中控制型。過去由于設(shè)備昂貴，故都是采用 1 臺過程計算機承擔過程自動化級全部功能。對于較緩慢過程，其操作的關(guān)鍵問題包括關(guān)鍵監(jiān)控功能大部分在基礎(chǔ)自動化，過程自動化級的數(shù)學模型主要是操作指

13、導形式等情況下大都使用這樣的方式。 雙機集中控制型。由于冶金機組大型化，操作稍有不正常，損失就很大，過程計算機的功能越來越多、越來越重要，數(shù)學模型也很多是閉環(huán)，許多數(shù)據(jù)不容丟失，加以中型計算機的價格也在下降，故集中型大多是雙機集中控制形式。典型例子如圖 l 一 40 。 分散控制型。即過程自動化級的功能由多臺計算機分擔，典型例子如圖 1 一 41 所示， 4 臺工作站有獨立的 ORACLE 數(shù)據(jù)庫，獨立運行各自的程序，互不干擾。這種配置的特點是由于整個系統(tǒng)由各個獨立子系統(tǒng)組成，關(guān)聯(lián)很少，其中一臺故障，不會造成整個系統(tǒng)癱瘓。 客戶機一服務(wù)器（ Client 一Server ）型。典型例子如上鋼一

14、廠從德國 SMS 一 DEMAG 引進的不銹鋼生產(chǎn)線自動化系統(tǒng)。它包括超高功率電弧爐、 AoD 爐和 VOD 爐各一座，其過程計算機全部使用 PC ，系統(tǒng)軟件也是通用的，因而造價低廉，但功能強大。過程自動化包括 4 臺 PC （每臺的配置為奔騰處理器， 10GB 硬盤， 256MB 內(nèi)存， CD 一 ROM 驅(qū)動器，內(nèi)部鍵盤和鼠標，系統(tǒng)總線接口板，軟件為 Windows 一 NT ) ，分別作為中央數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、 EAF （電弧爐） / AOD 爐 / VOD 爐的過程計算機、開發(fā)試驗計算機和供主技術(shù)專家使用的計算機。雖然上述系統(tǒng)都是冶煉過程計算機的體系結(jié)構(gòu)，但其他如軋鋼機組的體系結(jié)構(gòu)也基本一樣

15、。 5 管理自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析 ( 1 ) MES （制造執(zhí)行級）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由微機服務(wù)器、交換機和若干臺微機（按多少個內(nèi)部用戶而定）、與 PCS 系統(tǒng)的接口以及與其他計算機通信的 Modem 等組成。圖 1 一 43 是： 2 臺微機服務(wù)器、 1 臺交換機、 20 臺微機， 16 對專線 Modem 及 2 臺打印機。軟件平臺為： Windows NT 4 . 0 Server 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、Sybase11.5 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及PowerBuild6 . 0 開發(fā)工具等。( 2 ）集成制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是比較復雜的，特別是鋼鐵工業(yè)，廠礦多，業(yè)務(wù)和管理復雜。下面將以較單一的金礦企業(yè)

16、作為例子，加以說明。如圖 1 一44所示， PCS 級包括采、選、冶過程控制系統(tǒng)。生產(chǎn)過程采用了多媒體監(jiān)控系統(tǒng)。碎礦車間自動化系統(tǒng)采用 GE 公司的 PLC ，主選廠自動化系統(tǒng)采用美國 Honeywell 公司的 SCAN3000 / S9000計算機控制系統(tǒng)。采用以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括管理網(wǎng)與實時控制網(wǎng)；通過管理網(wǎng)實現(xiàn) ERP 的各個子系統(tǒng)之間的信息集成；通過實時控制網(wǎng)實現(xiàn) PCS 內(nèi)各過程控制子系統(tǒng)的集成；管理網(wǎng)與實時控制網(wǎng)的互聯(lián)就實現(xiàn)了 PCS 、 MES 和 ERP 的物理集成。采用光纖做主干網(wǎng)，通過交換機實現(xiàn)100Mbit/s高速以太交換網(wǎng)，各子網(wǎng)內(nèi)通過交換機實現(xiàn)1

17、0Mbit/s以太交換網(wǎng)，具有較強的可擴展性。管理網(wǎng)與實時控制網(wǎng)均選用Windows NT 作為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，選用SQL Server作為主體數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，用于構(gòu)建客戶服務(wù)器的應(yīng)用模式。通過采用開放數(shù)據(jù)庫互連技術(shù)，實現(xiàn)了異 構(gòu) 數(shù) 據(jù) 庫 的 數(shù) 據(jù) 庫 級 共 享 透 明 訪 問 。 采 用 了 基 于Browser/Web Server/ Database Serve ：三層結(jié)構(gòu)的Internet / Intranet 技術(shù)和服務(wù)，建立了金礦企業(yè)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)。企業(yè)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)不僅在企業(yè)內(nèi)部形成了完整的信息共享網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系，而且可進行電子商務(wù)。三、思考題 1 簡述冶金工業(yè)自動化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。參考答案：現(xiàn)代冶金工業(yè)自動化系統(tǒng)是 BPS / MES / PCS 三級結(jié)構(gòu)的 CIMS （計算機集成制造系統(tǒng)，國內(nèi)有稱之為管理控制一體化系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)的多級分層計算機系統(tǒng)。近年來由于要適應(yīng)激烈的市場競爭需要，互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的發(fā)展，全球化的趨勢，為此，冶金工業(yè)自動化更發(fā)展為自動化與信息化相結(jié)合的 WIiMS （網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng)）系統(tǒng)。 2 冶金工業(yè)自動化內(nèi)容是什么？參考答案：內(nèi)容是包括基礎(chǔ)自動化、過程自動化、管理自動化和全球化的信息網(wǎng)絡(luò)。 3 冶金工業(yè)自動化系統(tǒng)的特點是什么？參考答案：系統(tǒng)結(jié)構(gòu) EIC 一體化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化以及分層和分布式