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1、冶金工业自动化 第一单元 冶金工艺流程及自动化系统的体系结构 模块二 冶金工业自动化系统的体系结构,一、知识点 冶金工业自动化的进展及系统结构。包括从简单的检测发展成三级结构的计算机集成制造系统（ CIMS ）和网络集成制造系统（ WIMS ）。 冶金工业自动化内容（基础自动化、过程自动化和管理自动化）、特点（ EIC 一体化等）与结构分析（基础自动化、过程自动化和管理自动化系统的多种结构形式）。 二、知识点分析 1 冶金工业自动化的进展与自动化系统体系结构 冶金工业自动化从 1755 年英国人詹姆士一瓦特发明蒸汽机作为动力源，并连同其自动调速器一起用于高炉开始，经历了简单的热管理和单参数自动
2、控制系统、 EIC 一体化系统、 1964 年英国人 D . H Kelley 提出的分层计算机系统及 20 世纪 70 年代新日铁的把其 9 个钢铁联合企业的多级计算机系统与其东京总部的管理计算机系统相连成为当时冶金工业最大规模的多级计算机系统、 80 年代的 CIMS （计算机集成制造系统，国内称为管理控制一体化系统）化等几个阶段。至今，现代冶金工业自动化系统已达到如图 1 一 37 所示的 CIMS 结构的多级计算机系统。,CIMS 体系结构按 ISO （国际标准化组织）如图 1 一 37a 所示分成 6 级，后来又有 5 级、 3 级之分，但实质是把功能分配在不同级别。 5 级体系结构
3、（见图 1 一 37b ）由于层次多、结构复杂，在牵涉到大量既有生产性质又有管理性质的信息时，就很难明确应该归于 CIMS 的哪一层次，造成开发混乱和标准不统一，实现 CIMS 成本高、不便形成平台技术，难以推广。因此，近来提出 3 级结构（见图 1 一 37C ）。其中BPS（ Business Planning system ，业务规划系统）级是单纯考虑企业经营管理问题，近来应用于 ERP , （企业资源规划），它主要是利用以财务分析决策为核心的整体资源优化技术； MES ( Manufacturing execution system ，制造执行系统）级是考虑生产与管理结合问题的系统，主
4、要利用以产品质量和工艺要求为指标的先进控制技术和以生产综合指标为目标的生产过程优化运行、优化控制与优化管理技术，使 cIMS 中具有生产与管理双重性质的信息问题得到了解决； PCS ( Process Control system ）级是单纯考虑生产过程问题的过程控制系统，即过程自动化和基础控制系统。,近年来由于要适应激烈的市场竟争需要，互联网和信息技术的发展，全球化的趋势是钢铁公司的自动化已从公司内部到顾客和社会。实行生产 物流 销售 体化，不仅内部联网，且与最终用户（汽车、机电制造等工厂）以至税务部门和海关联网，使信息更广域化和高效化，甚至通过卫星监视船舶已到达地点，以向用户报告使之作接收
5、准备。此外，电子商务的发展等，这就要求自动化系统能适应这些进展。为此，出现如图 1 一 38 所示的 WIMS （网络集成制造系统）。WIMS 是以 Web 和智能技术为基础，能充分利用互联网的资源，能实现全球化供销链、远程技术支持和远程诊断等， M2 一 N2 是常规控制和智能控制等， M3 一 N3 可进行监控、复杂的数学模型和人工智能等运算， M4 一 N4 以上是智能信息处理系统， M4 一 NS 服务器将运行生产经营管理软件如 ERP 、 MES 等， M5 一 N5 是电子商务，运行其软件的服务器与互连网相连。至此，冶金工业自动化已经成为自动化与信息化相结合的系统。,2 冶金工业自
6、动化的内容与特点 ( l ）冶金工业自动化的内容从图 1 一 37 及图 1 一 38 可以看出，无论是 6 级、 5 级还是 3 级结构的 CIMS 系统，现代冶金工业自动化包括：基础自动化、过程自动化、管理自动化和全球化的信息网络。基础自动化主要是执行生产过程所必需的监控。包括参数检测、自动控制（如温度、流量压力等过程量控制和工艺设备动作的顺序控制等）、报警保护和连锁、监控（生产数据采集、整理、显示和打印等）。一般分为过程检测及控制（仪表）和电气传动控制（电控）两部分。过程自动化主要是执行优化和某些管理功能，如：接收上位机指令并向基础自动化级发指令或 SPC 控制、过程跟踪、技术计算、数学
7、模型运算与优化控制、某些设备或工艺参数管理、数据采集储存与整理、数据显示（含专门显示、趋势曲线、历史数据等大规模的数据储存与显示）与记录（打印各种报表）、生产实绩向上位机反馈、数据通信等。管理自动化主要是生产管理（如基于订单的生产管理，以 CAD 、 CAM 等进行计划编制和组织生产并监视实况和及时调度等）与事务管理（如财务管理、设备管理等）。如制造执行系统（ MES ）大致有下列功能和子系统：制造标准管理、作业计划编制及计划合同管理、生产指令生成及下达、生产实绩收集及统计、质量管理、生产成本控制、生产及设备状况监视与技术数据分析与统计、产品库存管理、设备管理和生产调度等子系统以及业务数学模型
8、等。全球化的信息网络主要是与冶金企业外的信息系统和电子商务。,( 2 ）冶金工业自动化系统的特点 系统结构 EIC 一体化、网络化和数字化以及分层和分布式，功能和内容是管理控制一体化，并趋向于建立高效、高质、高产的远距离监控的无人化工厂。 E ( Electric Drive ）是指电力传动控制，是针对主要是电力传动装备的顺序控制或某些参量（如速度、位置等）定值控制等； I ( Instrument ）是指仪表及其控制系统，主要是针对工艺过程参量即温度、流量和液位等的检测和控制； C ( C omputer ）是指计算机，最初主要是指过程计算机，后来则包括上位的各级管理计算机。,冶金自动化开始
9、是热管理和过程参数的闭环控制，并从电气专业分离出自动化（仪表）专业，其后，电气首先开始顺序逻辑等控制和联锁以及监视报警等（如高炉配料上料控制等），跟着，出现电气闭环控制（如电动机速度控制、轧钢的尺寸控制、位置控制、张力控制等）。初期，电气和仪表是独立的，彼此之间很少联系，电气只需要仪表提供信号（如热风炉自动换炉的均压信号）与提供检测仪表及其安装（如高炉配料要测重，轧钢要测温、测厚、测宽等） ; 1958 年电子计算机出现后，情况发生了变化，计算机开始只进行数据采集与记录（最先是用于转炉，接着是高炉），其后进行 DDC （数字直接控制，如高炉配料上料、转炉氧枪、轧钢机的尺寸、位置、张力等控制），
10、跟着是使用数学模型优化的 SPC （设定控制）。这样，电子计算机不仅需要从基础自动化级的电气与仪表取得数据，还需向它们发出控制指令和设定数值并收集反馈数据进行监控，至此，就形成了 EIC 一体化系统（我国冶金界称之为三电系统），自动化于是涵盖电控和仪测仪控， CIMS 的出现，导致自动化和 EIC 系统的延伸（见图 1 一 39 ) ，成为包括 CIMS 的多级自动化系统，也是国内外电气公司自动化的内容。,3 基础自动化系统的结构分析 基础自动化系统的构成。有 4 种形式： ( l ）电气传动控制与过程测控功能分别由不同类型控制器执行的 PLC + DCS 形式。图 1 - 40 （电控由 P
11、LC 执行， I/O 约 5681 点。仪表由 DCS 执行， I/O 约 3497 点）是最典型的例子；优点是电控和仪表各自采用最合适的控制装置。缺点是电控和仪表设备不同，备件要多些。,( 2 ）电气传动控制与过程测控功能都由 DCS 控制的全 DCS 形式。图 1 一 41 是典型例子,( 3 ）电气传动控制功能与过程测控功能都由 PLC 控制的全 PLC 形式。由于 PLC 大力发展仪表连续调节控制功能，且其价格比 DCS 要低，故近来较多使用全PLC以：形式（见图 1 42）。,( 4 ）电气传动控制功能与过程测控功能都由工控机执行的工控机形式。这种方式特点是低成本，过去主要用于小的机
12、组，但近来由于工控机的支持软件的进展，如美国 Entivity 、 Think andDo 等公司生产的许多工控机支持软件使工控机能使用商品 I/O （如西门子公司的 ET200）并能执行电气逻辑顺序控制与仪表连续调节控制等功能，为在大机组应用创造条件。,4 过程自动化系统的结构分析过程自动化系统的构成。也有 4 种形式： 单机集中控制型。过去由于设备昂贵，故都是采用 1 台过程计算机承担过程自动化级全部功能。对于较缓慢过程，其操作的关键问题包括关键监控功能大部分在基础自动化，过程自动化级的数学模型主要是操作指导形式等情况下大都使用这样的方式。 双机集中控制型。由于冶金机组大型化，操作稍有不正
13、常，损失就很大，过程计算机的功能越来越多、越来越重要，数学模型也很多是闭环，许多数据不容丢失，加以中型计算机的价格也在下降，故集中型大多是双机集中控制形式。典型例子如图 l 一 40 。 分散控制型。即过程自动化级的功能由多台计算机分担，典型例子如图 1 一 41 所示， 4 台工作站有独立的 ORACLE 数据库，独立运行各自的程序，互不干扰。这种配置的特点是由于整个系统由各个独立子系统组成，关联很少，其中一台故障，不会造成整个系统瘫痪。, 客户机一服务器（ Client 一Server ）型。典型例子如上钢一厂从德国 SMS 一 DEMAG 引进的不锈钢生产线自动化系统。它包括超高功率电弧
14、炉、 AoD 炉和 VOD 炉各一座，其过程计算机全部使用 PC ，系统软件也是通用的，因而造价低廉，但功能强大。过程自动化包括 4 台 PC （每台的配置为奔腾处理器， 10GB 硬盘， 256MB 内存， CD 一 ROM 驱动器，内部键盘和鼠标，系统总线接口板，软件为 Windows 一 NT ) ，分别作为中央数据库系统、 EAF （电弧炉） / AOD 炉 / VOD 炉的过程计算机、开发试验计算机和供主技术专家使用的计算机。虽然上述系统都是冶炼过程计算机的体系结构，但其他如轧钢机组的体系结构也基本一样。,5 管理自动化系统的结构分析 ( 1 ) MES （制造执行级）系统结构主要由
15、微机服务器、交换机和若干台微机（按多少个内部用户而定）、与 PCS 系统的接口以及与其他计算机通信的 Modem 等组成。图 1 一 43 是： 2 台微机服务器、 1 台交换机、 20 台微机， 16 对专线 Modem 及 2 台打印机。软件平台为： Windows NT 4 . 0 Server 网络服务器、Sybase11.5 数据库服务器以及PowerBuild6 . 0 开发工具等。,( 2 ）集成制造系统结构集成制造系统结构是比较复杂的，特别是钢铁工业，厂矿多，业务和管理复杂。下面将以较单一的金矿企业作为例子，加以说明。如图 1 一44所示， PCS 级包括采、选、冶过程控制系统
16、。生产过程采用了多媒体监控系统。碎矿车间自动化系统采用 GE 公司的 PLC ，主选厂自动化系统采用美国 Honeywell 公司的 SCAN3000 / S9000计算机控制系统。,采用以太网的网络拓扑结构的计算机网络系统包括管理网与实时控制网；通过管理网实现 ERP 的各个子系统之间的信息集成；通过实时控制网实现 PCS 内各过程控制子系统的集成；管理网与实时控制网的互联就实现了 PCS 、 MES 和 ERP 的物理集成。采用光纤做主干网，通过交换机实现100Mbit/s高速以太交换网，各子网内通过交换机实现10Mbit/s以太交换网，具有较强的可扩展性。管理网与实时控制网均选用Windows NT 作为网络操作系统。数据库系统包括实时数据库和关系型数据库，选用SQL Server作为主体数据库管理系统，用于构建客户服务器的应用模式。通过采用开放数据库互连技术，实现了异构数据库的数据库级共享透明访问。采用了基于Browser/Web Server/ Database Serve ：三层结构的Internet / Intranet 技术和服务，建立了金矿企业网服务系统。企业网服务系
