冶金工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)3

1、 冶金工業(yè)自動(dòng)化冶金工業(yè)自動(dòng)化 第一單元第一單元 冶金工藝流程及自動(dòng)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)冶金工藝流程及自動(dòng)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 模塊二模塊二 冶金工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)冶金工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 一、知識(shí)點(diǎn) 冶金工業(yè)自動(dòng)化的進(jìn)展及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。包括從簡(jiǎn)單的檢測(cè)發(fā)展成三級(jí)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)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(dòng)化內(nèi)容（基礎(chǔ)自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化和管理自動(dòng)化）、特點(diǎn)（ EIC 一體化等）與結(jié)構(gòu)分析（基礎(chǔ)自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化和管理自動(dòng)化系統(tǒng)的多種結(jié)構(gòu)形式）。 二、知識(shí)點(diǎn)分析 1 冶金工業(yè)自動(dòng)化的進(jìn)展與自動(dòng)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)冶金工業(yè)自動(dòng)化從 1755 年英國(guó)人詹姆士一瓦

2、特發(fā)明蒸汽機(jī)作為動(dòng)力源，并連同其自動(dòng)調(diào)速器一起用于高爐開(kāi)始，經(jīng)歷了簡(jiǎn)單的熱管理和單參數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)、 EIC 一體化系統(tǒng)、 1964 年英國(guó)人 D . H Kelley 提出的分層計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及 20 世紀(jì) 70 年代新日鐵的把其 9 個(gè)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與其東京總部的管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連成為當(dāng)時(shí)冶金工業(yè)最大規(guī)模的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、 80 年代的 CIMS （計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)稱(chēng)為管理控制一體化系統(tǒng)）化等幾個(gè)階段。至今，現(xiàn)代冶金工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)已達(dá)到如圖 1 一 37 所示的 CIMS 結(jié)構(gòu)的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。CIMS 體系結(jié)構(gòu)按 ISO （國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）如圖 1 一 37a 所示分成

3、 6 級(jí)，后來(lái)又有 5 級(jí)、 3 級(jí)之分，但實(shí)質(zhì)是把功能分配在不同級(jí)別。 5 級(jí)體系結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖 1 一 37b ）由于層次多、結(jié)構(gòu)復(fù)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(shí)，就很難明確應(yīng)該歸于 CIMS 的哪一層次，造成開(kāi)發(fā)混亂和標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn) CIMS 成本高、不便形成平臺(tái)技術(shù)，難以推廣。因此，近來(lái)提出 3 級(jí)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖 1 一 37C ）。其中BPS（ Business Planning system ，業(yè)務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)）級(jí)是單純考慮企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理問(wèn)題，近來(lái)應(yīng)用于 ERP , （企業(yè)資源規(guī)劃），它主要是利用以財(cái)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(jí)是考慮生產(chǎn)與管理結(jié)合問(wèn)題的系統(tǒng)，主要利用以產(chǎn)品質(zhì)量和工藝要求為指標(biāo)的先進(jìn)控制技術(shù)和以生產(chǎn)綜合指標(biāo)為目標(biāo)的生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化運(yùn)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(wèn)題得到了解決； PCS ( Process Control system ）級(jí)是單純考慮生產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題的過(guò)程控制系統(tǒng)，即過(guò)程自動(dòng)化和基礎(chǔ)控制系統(tǒng)。 近年來(lái)由于要適應(yīng)激烈的市場(chǎng)竟?fàn)幮枰?，互?lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的發(fā)展，全球化的趨勢(shì)是鋼鐵公司的自動(dòng)化已從公司內(nèi)部到顧客和社會(huì)。實(shí)行生產(chǎn) 物流 銷(xiāo)售 體化，不僅內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)，且與最終用戶（汽車(chē)、機(jī)電制造等工廠）以至稅務(wù)部門(mén)和

5、海關(guān)聯(lián)網(wǎng)，使信息更廣域化和高效化，甚至通過(guò)衛(wèi)星監(jiān)視船舶已到達(dá)地點(diǎn)，以向用戶報(bào)告使之作接收準(zhǔn)備。此外，電子商務(wù)的發(fā)展等，這就要求自動(dòng)化系統(tǒng)能適應(yīng)這些進(jìn)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(shí)現(xiàn)全球化供銷(xiāo)鏈、遠(yuǎn)程技術(shù)支持和遠(yuǎn)程診斷等， M2 一 N2 是常規(guī)控制和智能控制等， M3 一 N3 可進(jìn)行監(jiān)控、復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和人工智能等運(yùn)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(yùn)行生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理軟件如 ERP 、 MES 等， M5 一 N5 是電子商務(wù)，運(yùn)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(dòng)化已經(jīng)成為自動(dòng)化與信息化相結(jié)合的系統(tǒng)。 2 冶金工業(yè)自動(dòng)化的內(nèi)容與特點(diǎn) ( l ）冶金工業(yè)自動(dòng)化的內(nèi)容從圖 1 一 37 及圖 1 一 38 可以看出，無(wú)論是 6 級(jí)、 5 級(jí)還是 3 級(jí)結(jié)構(gòu)的 CIMS 系統(tǒng)，現(xiàn)代冶金工業(yè)自動(dòng)化包括：基礎(chǔ)自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化、管理自動(dòng)化和全球化的信息網(wǎng)絡(luò)?；A(chǔ)自動(dòng)化主要是執(zhí)行生產(chǎn)過(guò)程所必需的監(jiān)控。包括參數(shù)檢測(cè)、自動(dòng)控制（如溫度、流量壓力等過(guò)程量控制和工藝設(shè)備動(dòng)作的順序控制等）、報(bào)警保護(hù)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(guò)程檢測(cè)及控制（儀表）和電氣傳動(dòng)控制（電控）兩部分。過(guò)程自動(dòng)化主要是執(zhí)行優(yōu)化和某些管理

7、功能，如：接收上位機(jī)指令并向基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)發(fā)指令或 SPC 控制、過(guò)程跟蹤、技術(shù)計(jì)算、數(shù)學(xué)模型運(yùn)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(chǔ)存與整理、數(shù)據(jù)顯示（含專(zhuān)門(mén)顯示、趨勢(shì)曲線、歷史數(shù)據(jù)等大規(guī)模的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與顯示）與記錄（打印各種報(bào)表）、生產(chǎn)實(shí)績(jī)向上位機(jī)反饋、數(shù)據(jù)通信等。管理自動(dòng)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(jìn)行計(jì)劃編制和組織生產(chǎn)并監(jiān)視實(shí)況和及時(shí)調(diào)度等）與事務(wù)管理（如財(cái)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(biāo)準(zhǔn)管理、作業(yè)計(jì)劃編制及計(jì)劃合同管理、生產(chǎn)指令生成及下達(dá)、生產(chǎn)實(shí)績(jī)收集及統(tǒng)計(jì)、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(jì)、產(chǎn)品庫(kù)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(xué)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(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)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(yuǎn)距離監(jiān)控的無(wú)人化工廠。 E ( Electric Drive ）是指電力傳動(dòng)控制，是針對(duì)主要是電力傳動(dòng)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(duì)工藝過(guò)程參量即溫度、流量和液位等的檢測(cè)和控制； C ( C omputer

9、）是指計(jì)算機(jī)，最初主要是指過(guò)程計(jì)算機(jī)，后來(lái)則包括上位的各級(jí)管理計(jì)算機(jī)。 冶金自動(dòng)化開(kāi)始是熱管理和過(guò)程參數(shù)的閉環(huán)控制，并從電氣專(zhuān)業(yè)分離出自動(dòng)化（儀表）專(zhuān)業(yè)，其后，電氣首先開(kāi)始順序邏輯等控制和聯(lián)鎖以及監(jiān)視報(bào)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(dòng)機(jī)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(dú)立的，彼此之間很少聯(lián)系，電氣只需要儀表提供信號(hào)（如熱風(fēng)爐自動(dòng)換爐的均壓信號(hào)）與提供檢測(cè)儀表及其安裝（如高爐配料要測(cè)重，軋鋼要測(cè)溫、測(cè)厚、測(cè)寬等） ; 1958 年電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，情況發(fā)生了變化，計(jì)算機(jī)開(kāi)始只進(jìn)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(jìn)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(jī)的尺寸、位置、張力等控制），跟著是使用數(shù)學(xué)模型優(yōu)化的 SPC （設(shè)定控制）。這樣，電子計(jì)算機(jī)不僅需要從基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)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(jìn)行監(jiān)控，至此，就形成了 EIC 一體化系統(tǒng)（我國(guó)冶金界稱(chēng)之為三電系統(tǒng)），自動(dòng)化于是涵蓋電控和儀測(cè)儀控， CIMS 的出現(xiàn)，導(dǎo)致自動(dòng)化和 EIC 系統(tǒng)的延伸（見(jiàn)圖 1 一 39 ) ，成為包括 CIMS 的多級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)，也是國(guó)內(nèi)外電氣公司自動(dòng)化的內(nèi)容。 3 基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)成。有 4 種形式： ( l ）電氣傳動(dòng)控制與過(guò)程測(cè)控功能

11、分別由不同類(lèi)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(diǎn)。儀表由 DCS 執(zhí)行， I/O 約 3497 點(diǎn)）是最典型的例子；優(yōu)點(diǎn)是電控和儀表各自采用最合適的控制裝置。缺點(diǎn)是電控和儀表設(shè)備不同，備件要多些。 ( 2 ）電氣傳動(dòng)控制與過(guò)程測(cè)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(dòng)控制功能與過(guò)程測(cè)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(jià)格比 DCS 要低，故近來(lái)較多使用全PLC以：形式（見(jiàn)圖 1 42）。 ( 4 ）電氣傳動(dòng)控制功

12、能與過(guò)程測(cè)控功能都由工控機(jī)執(zhí)行的工控機(jī)形式。這種方式特點(diǎn)是低成本，過(guò)去主要用于小的機(jī)組，但近來(lái)由于工控機(jī)的支持軟件的進(jìn)展，如美國(guó) Entivity 、 Think andDo 等公司生產(chǎn)的許多工控機(jī)支持軟件使工控機(jī)能使用商品 I/O （如西門(mén)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(jī)組應(yīng)用創(chuàng)造條件。 4 過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)成。也有 4 種形式： 單機(jī)集中控制型。過(guò)去由于設(shè)備昂貴，故都是采用 1 臺(tái)過(guò)程計(jì)算機(jī)承擔(dān)過(guò)程自動(dòng)化級(jí)全部功能。對(duì)于較緩慢過(guò)程，其操作的關(guān)鍵問(wèn)題包括關(guān)鍵監(jiān)控功能大部分在基礎(chǔ)自動(dòng)化，過(guò)程自動(dòng)化級(jí)的數(shù)學(xué)模型主要是操作指

13、導(dǎo)形式等情況下大都使用這樣的方式。 雙機(jī)集中控制型。由于冶金機(jī)組大型化，操作稍有不正常，損失就很大，過(guò)程計(jì)算機(jī)的功能越來(lái)越多、越來(lái)越重要，數(shù)學(xué)模型也很多是閉環(huán)，許多數(shù)據(jù)不容丟失，加以中型計(jì)算機(jī)的價(jià)格也在下降，故集中型大多是雙機(jī)集中控制形式。典型例子如圖 l 一 40 。 分散控制型。即過(guò)程自動(dòng)化級(jí)的功能由多臺(tái)計(jì)算機(jī)分擔(dān)，典型例子如圖 1 一 41 所示， 4 臺(tái)工作站有獨(dú)立的 ORACLE 數(shù)據(jù)庫(kù)，獨(dú)立運(yùn)行各自的程序，互不干擾。這種配置的特點(diǎn)是由于整個(gè)系統(tǒng)由各個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)組成，關(guān)聯(lián)很少，其中一臺(tái)故障，不會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。 客戶機(jī)一服務(wù)器（ Client 一Server ）型。典型例子如上鋼一

14、廠從德國(guó) SMS 一 DEMAG 引進(jìn)的不銹鋼生產(chǎn)線自動(dòng)化系統(tǒng)。它包括超高功率電弧爐、 AoD 爐和 VOD 爐各一座，其過(guò)程計(jì)算機(jī)全部使用 PC ，系統(tǒng)軟件也是通用的，因而造價(jià)低廉，但功能強(qiáng)大。過(guò)程自動(dòng)化包括 4 臺(tái) PC （每臺(tái)的配置為奔騰處理器， 10GB 硬盤(pán)， 256MB 內(nèi)存， CD 一 ROM 驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部鍵盤(pán)和鼠標(biāo)，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(kù)系統(tǒng)、 EAF （電弧爐） / AOD 爐 / VOD 爐的過(guò)程計(jì)算機(jī)、開(kāi)發(fā)試驗(yàn)計(jì)算機(jī)和供主技術(shù)專(zhuān)家使用的計(jì)算機(jī)。雖然上述系統(tǒng)都是冶煉過(guò)程計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，但其他如軋鋼機(jī)組的體系結(jié)構(gòu)也基本一樣

15、。 5 管理自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析 ( 1 ) MES （制造執(zhí)行級(jí)）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由微機(jī)服務(wù)器、交換機(jī)和若干臺(tái)微機(jī)（按多少個(gè)內(nèi)部用戶而定）、與 PCS 系統(tǒng)的接口以及與其他計(jì)算機(jī)通信的 Modem 等組成。圖 1 一 43 是： 2 臺(tái)微機(jī)服務(wù)器、 1 臺(tái)交換機(jī)、 20 臺(tái)微機(jī)， 16 對(duì)專(zhuān)線 Modem 及 2 臺(tái)打印機(jī)。軟件平臺(tái)為： Windows NT 4 . 0 Server 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、Sybase11.5 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器以及PowerBuild6 . 0 開(kāi)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(fù)雜的，特別是鋼鐵工業(yè)，廠礦多，業(yè)務(wù)和管理復(fù)雜。下面將以較單一的金礦企業(yè)

16、作為例子，加以說(shuō)明。如圖 1 一44所示， PCS 級(jí)包括采、選、冶過(guò)程控制系統(tǒng)。生產(chǎn)過(guò)程采用了多媒體監(jiān)控系統(tǒng)。碎礦車(chē)間自動(dòng)化系統(tǒng)采用 GE 公司的 PLC ，主選廠自動(dòng)化系統(tǒng)采用美國(guó) Honeywell 公司的 SCAN3000 / S9000計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。采用以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括管理網(wǎng)與實(shí)時(shí)控制網(wǎng)；通過(guò)管理網(wǎng)實(shí)現(xiàn) ERP 的各個(gè)子系統(tǒng)之間的信息集成；通過(guò)實(shí)時(shí)控制網(wǎng)實(shí)現(xiàn) PCS 內(nèi)各過(guò)程控制子系統(tǒng)的集成；管理網(wǎng)與實(shí)時(shí)控制網(wǎng)的互聯(lián)就實(shí)現(xiàn)了 PCS 、 MES 和 ERP 的物理集成。采用光纖做主干網(wǎng)，通過(guò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)100Mbit/s高速以太交換網(wǎng)，各子網(wǎng)內(nèi)通過(guò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)1

17、0Mbit/s以太交換網(wǎng)，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。管理網(wǎng)與實(shí)時(shí)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(kù)系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，選用SQL Server作為主體數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，用于構(gòu)建客戶服務(wù)器的應(yīng)用模式。通過(guò)采用開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)互連技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了異 構(gòu) 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 的 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 級(jí) 共 享 透 明 訪 問(wèn) 。 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(jìn)行電子商務(wù)。三、思考題 1 簡(jiǎn)述冶金工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。參考答案：現(xiàn)代冶金工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)是 BPS / MES / PCS 三級(jí)結(jié)構(gòu)的 CIMS （計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)有稱(chēng)之為管理控制一體化系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)的多級(jí)分層計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。近年來(lái)由于要適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)需要，互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的發(fā)展，全球化的趨勢(shì)，為此，冶金工業(yè)自動(dòng)化更發(fā)展為自動(dòng)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(dòng)化內(nèi)容是什么？參考答案：內(nèi)容是包括基礎(chǔ)自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化、管理自動(dòng)化和全球化的信息網(wǎng)絡(luò)。 3 冶金工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)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