智能自动化在工业过程控制方面的选择与应用

万泉

（中材建设有限公司，河北唐山，063030）

0 引言

电气自动化技术的利用离不开设备和自动化仪表的安装，自动化仪表能够收集工业生产中的各种信息和数据，并输送到DCS（Distributed control system，集散控制系统）上，然后这个控制中枢又能够根据特定的编程，把编写好的命令传输到电气设备中，以此来执行后续的生产任务。

1 分析电气设备和自动化仪表的主要内容

通常意义上所说的电气设备，主要以电力系统为基础，涉及到发电设备和输电设备，电机驱动、保护设备和电力监控设备等装置。而在具体的设备体现为电动机类的感性负载和电容类的容性负载及电阻器类的阻性负载等负载装置，从现代工业的角度来看，电气设备面临的技术性要求也愈发严格，需要不断向着更加精密化、智能化的方向发展。

就自动化仪表的应用来讲，其自身涉及到各种类型的温度仪表，液位仪表和压力仪表等装置，并且也具有十分明显的智能性特点，自动化仪表与电气设备的结合，就构成了较为完整的自控系统回路，能够有效实现工业控制的自动化。在通常情况下，自动化仪表的应用主要涉及到温度监测，流量监测等工作，并且也与水泥厂和危废处理厂的发展息息相关，这些监测不仅可以反映出最为基本的数据，同时也可以对数据进行分析和处理，发出相应的报警信号，然后进行连锁，最终再经由中央控制室发放指令，确保执行器能够执行任务，完成工业的自动化控制。从以上这些叙述中也可以看出，电气设备和自动化仪表是电气自动化技术应用最为鲜明的体现，而这一态势也成为众多工业制造领域的共识。

2 分析电气自动化在工业过程控制中应用的重要意义

从生产行业建设的角度来看，电气自动化技术的引进给水泥行业的发展带来了更多的可能性，不仅可以让企业对各类机械设备进行长期的监督和调控，同时也能够凸显出生产机械的自动控制技能，确保自身的生产模式能够向着智能化和现代化的方向发展。而机器的生产效率，在自动化技术的引导下，也能够实现质的飞跃，这就能够有效降低危险事故发生的几率和可能性。另外，电气自动化的应用本身就可以实现劳动力的置换，这就能够减轻现场操作人员的负担和压力，让操作人员能够保留更多的时间和精力去维修现场的设备和器材。

智能自动化技术是信息化技术的重要体现，在具体的应用过程中使得计算机反应速度较快的特点与电气设备存储量较大的特点充分融合在一起，对提升电气工程的运行速度、运行智能化及分布范围，促进了电气工程自动化的进步。同时还对增大电气设备产品的储存量，实现电气设备产品智能化，通过技术手段不断进行实质性的改进和发展。

图1 某水泥厂的原料磨DSC 自动控制

总的来说，电气自动化所带来的影响是全面且综合的，能够有效推动企业生产模式和管理模式的更新，让企业顺应社会市场发展的主流趋势，稳固自身在行业竞争中的地位，提高市场占有率。

3 分析电气自动化在工业过程控制中的具体应用

首先，从电气自动化设备的设计原理来看，大致可以从4 个方面来叙述，首先要确保设计能够充分了解现场的生产环境，其次，要保证设备具有较高的智能化和现代化水平，另外，设备的运行必须要突破时间和空间的限制，满足工业生产远程操作的基本要求，最后，设备必须要为现场维修人员提供管理上的便利。也就是说，电气自动化设备的设计原理突破了传统工业过程模式的限制和束缚，而且也实现了人为操作的代换，保证现场操作的安全性。

就生产环境了解这一原理来看，自动化仪表和电气设备都是以此为设计基础的，例如，以某水泥厂的原料磨为例，在一般情况下，磨机自身的核载都符合额定的限制，但如果面临需要提高核载的情况，那么安全数值也应当随之有所上升，并符合相应的比例。如果只是简单的设定电气设备的最大核定载荷，不仅会造成大量的资源浪费，严重时甚至会发生安全事故。这就需要根据入磨气体温度调节、喂料量及配比、尤其是磨机主电机的各个参数，如峰值电流、功率等指标参考，从而不仅仅是达标达产，而且达标超产。显然，如果达到这一目标，各个监控仪表提供给DCS 的数据，以及对各个数据进行分析后的各项指令都是缺一不可的。

从设备智能化这一原理来看，电气设备和自动化仪表应当满足测量，监控，调节和处理的基本要求。笔者仍旧把工业生产中的水泥厂当做例子，测量强调的是仪表能够随时检测到预热器分解炉的工作状态，监测强调的是分解炉内的温度特性能够被显示到特定的上位机上，调节强调的是设备能够自动适应生产的需求，处理强调的是上位机能够及时根据分解炉出现的问题作出处理，下达必要的指令，传送到终端电气设备上，采取必要的措施，为工作人员的后续工作奠定坚实的基础。例如，如果分解炉内温度偏低，烟室甚至低于1000 摄氏度，那么自动化比色高温计就可以把信号发送到计算机上，计算机制定相应的指令，输送到电气设备上，以此来提高预热器高温风机的转速，拉动窑-烟室-分解炉-预热器各级旋风筒之间的热量传递。另外，上位机也可以对基本的报警信号和故障状态进行整理和识别。值得注意的是，远程操作是电气自动化的突出优势，远程控制的主要目的是为了提高调节的灵活性，如果主机需要产让更多的动力来达到生产额定负荷的85%，那么计算机就可以进行远程操作，修改既定的程序，改变原有的数值。这一点在一些PID 控制上，尤为明显。而上文所提到的便于维修和管理这一原理，主要针对的是设备的检查和保养，这一操作不需要耗费大量的人力，依靠的是既定的程序和智能技术，只要程序的设定符合标准和要求，就可以实现管理的无人化。例如现在很多国内危废处理厂的仓储，均是使用无人叉车，程序控制，达到全厂房无人值守，大大降低了危废存储对人体造成危害的可能性。

其次，就测量环节来看，自动化仪表就是以测量作为基础功能的，能够对目标数据进行收集和整理，并把具体的测量值保存下来，为后续的统计工作提供参考依据。智能自动化在工业过程控制方面的应用选择，更能通过智能化的自控能力，为一线操作工人提供简单有效的机械设备控制参数，以在实际生产中减少劳动力的使用；与此同时，在该公开背景下，还能避免因人为原因导致的各种失误，一定程度上提高了操作准确性和工业生产效率。加之，在实际的工业生产中，自动化仪表仪自动化控制技术以其强有力的保护能力，可在故障出现的第一时间，时及时进行维修处理，保证整个工业生产系统运作的安全，避免传统技术因不能及时进行检测维修而造成的经济损失。再者，工业化自动技术以计算机信息技术为基础，在实际运用时操作人员能够对系统运行电流和电压等实时有效地控制，通过远程控制，一旦出现异常情况时，即可利用报警设备及时通知工作人员。

另外，在监测工作开展的时候，电气自动化的应用也十分突出。监测是工程过程控制的重要组成部分，目的是对系统的生产进行全天检查，而且这一环节也贯穿于工业生产和制造的全过程，当生产停止之后，监测工作也自然会告一段落。例如，危废处理厂的各项监测和工厂对各电气设备的监测，都属于这一范畴。对此，笔者将以危废处理厂水处理车间的生产作为切入点，采用的自动化流量仪表，就可以把流量计、上位机和控制器结合到一起，保证净水流量在合理的范围内。如果进水量超过或低于限度，流量会给上位机发信号，而信号就会被传递到指定阀门上，从而实现流量的超限关阀。更为重要的是，对于流量的监测与调节的过程，工作人员随时可以通过DCS 系统调取任意时点的设备运行状态，进行监测和记录[1]。

图2 DCS 系统对流量和监测和调节

再有，电气自动化同样也可以在执行环节中有所体现，这些环节是整个工业控制过程的核心，也是衡量生产自动化水平的关键因素。执行环节决定着发令器的最终动作，所以依赖相应的自动化执行仪表，例如电动阀，同时还要借助电气设备，也就是电控柜的运行。在此，仍旧把水处理系统当作例子，如果设备受到了外界的损坏，造成水流的涌入量暴增，当流量已监测到异常情况的时候，会迅速发出相应的警报，如果水流量增大的程度已经超过了安全的限制，流量计就会把这一情况反馈给中央处理器上，处理器向执行器去下达指令，这样就可以对进水口进行封闭，或者是开启备用水池[2]。以巴斯夫工业4.0 计划的工厂控制室为例，应用虚拟化技术通过八台大屏幕Experion Orion 控制台为操作员提供整合的工厂信息，控制台将分布式控制系统与传统微软 Office桌面应用程序分开。两个Experion 协作站使巴斯夫能够通过使用实时数据和在线文档更高效地运行生产；期间29 个C300 控制器和2 万个I/O 模块便于全厂范围的监控，并改善安全性和防火保护。且工厂的六座焚化炉处理危险废物，并将不能再利用或回收转化为蒸汽和电力；清洁、可重复使用的能源被重新引入巴斯夫的生产流程，帮助企业节约资源，减少排放。

最后，电气自动化可以保护工业的过程控制，保护环节是以监测和执行工作为基础的，主要指的是，当监测对象发生异常的时候，就需要采取保护措施。对此，笔者将以电力设备的控制系统作为切入点，在工业生产的时候，大型电力设备的运用是必不可少的，从水泥厂的两磨一窑就可见一斑，而在升温调风工作进行的时候，由于设备自身的功率较大，所以产生的负载也相对较大，如果超过了安全限制，就会给设备甚至生产线带来一定的损害。在此，操作人员就可以利用各种监测设备，监测各点的工作情况，特别是就那些大型设备，电流、功率、转速等监测能够将瞬间发生的情况反馈给中央处理器，然后由中央处理器下达指令。电气自动化技术监测功能用于电气系统的选择，也是实现全分布式保护测控功能，基于现场总线及以太网技术共同构成了分层分布式的发电厂电气监控管理系统。以发电厂电气监控管理系统为例，FCS 系统(Fieldbus ControlSystem，现场总线控制系统）中，内含6KV 及400V 的全部电源及电动机保护监视、机组部分保护自动装置。其中，通信控制方式下DCS，是以电气系统监测管理为主要目的，实现全厂电气系统集中监视、管理及辅助控制等功能。通过DCS 系统下发给ECMS，执行ELMS 系统保护测控装置；既为DCS 系统一部分，同时又独立为单一电气自动化系统，完成DCS 步伐实现的集中抄表、状态检修、电气逻辑闭锁、电气开关顺序控制、定值管理、保护动作分析等内容。

4 结束语

从上文的叙述中可以看出，电气设备和自动化仪表都是电气自动化发展的重要产物，而这两者，在工业过程控制中的应用也具有联合性与协调性的特点，是相辅相成的。本文通过设计原理，测量环节，监测环节，执行环节和保护环节这几个角度论述了电气自动化在工业过程控制中的应用内容，并以水泥厂和危废处理厂为例，充分论证了电气自动化的应用，具有理论上的合理性与实践上的可行性，作为行业和企业的参考依据。