机械制造与自动化论文
机械与自动化发展探索
通过几年的学习,从书本到实践,刚开始的时候有很多的新奇、期望,使我对机械自动化这门专业从陌生到熟悉。此次实习,面临着毕业,学的是机械与自动化专业,做的是发电厂生产方面的事,算是专业比较合适。发电厂也算是机械与自动化的专业基地,主要是发电厂的一套生产工艺流程,锅炉、汽机、发电机组相互配合,形成一个强大的发电及供热体系,特别是从九十年代我国兴起的DCS集散控制系统、PLC控制系统、现场总线控制已经广泛应用于电力、化工、石油等各行各业。当然这只是机械与自动化的一部分。我们的生活也与其息息相关,看似简单,其内涵极为丰富。干很多年都不敢说自己是行业高手,这一点使我深有体会。下面将自己在机械与自动化方面的拙见与大家一起探讨:
第一部分:机械自动化的发展:
机械自动化主要指在机械制造业中应用自动化技术, 实现加工对象的连续自动生产, 实现优化有效的自动生产过程, 加快生产投入物的加工变换和流动速度。得力设计与操作,加大自动化比例,合理运用自动化将为我们的安全生产与社会发展创造极大的效益。机械自动化技术的应用与发展, 是机械制造业技术改造、技术进步的主要手段和技术发展的主要方向。
1.现代机械自动化技术
当前我国机械制造业决不是追求全盘自动化或高度自动化的时候, 不是大搞自动化, 形成自动化热的时候。我国作为一个发展中国家, 考虑一切生产技术问题时的前提必须是适用。我国消化吸收国外柔性制造系统户。一,是要在确保必要的生产柔性的前提下, 优化人机界面, 不过分追求自动化, 尽可能建立较为完善的信息系统, 充分发展计算机管理的效益。系统中先进的自动化装备和普通设备并存, 系统的某些环节允许人工干预。这是一个典型的结合国情、实施适用先进方针的自动化技术解决方案。跟踪国外先进技术发展, 结合实际地研制、推广和发展适合我国国情的技术是必要的。我国目前应在消化吸收、融汇贯通国际上有用的自动化技术理论的基础上, 努力做到从我国机械制造业的实际情况出发, 发展创新, 形成有国情特征的发展自动化技术理论和学说, 进行围绕计算机技术的柔性自动化技术开发研究, 以适用为前提, 急需什么就解决什么的企业应用项目, 取得实践经验再推广应用。国外如欧洲中等发达国家之前发展的也是局部集成,实行效益驱动的政策, 投资上有能力支持, 待将来条件成熟时实现适合我国国情及企业特点的适度集成。
2.自动化技术要结合生产实际
先进制造技术的全部真谛在于应用。发展机械自动化技术, 应以企业的生产和技术发展的实际需要及具体条件为导向。只有对合适的产品采用与之相适应的自动化方式进行生产, 才能收到良好的技术经济效益和社会经济效益。我国发展机械自动化技术, 应结合实际, 注重实用, 即对国民经济产生实际效益。那种盲目搞自动化、搞自动
线的做法, 全年生产任务只需一个月就完成的低负荷率生产也要搞的倾向应当纠正, 对国民经济不产生显著促进、效率低下的要缓搞。我们要的是效益, 而不单纯是速度。国产造型生产线因产品质量差、可靠性低、实用性差, 开工率一般。而能在生产中长期服役的主力生产线很少, 像第一汽车制造厂的线、第二汽车制造厂的日线等具有全年开工业绩的线更是凤毛麟角。这种现象不属偶然或局部, 而是带有普遍性。据调查, 我国引进的弧焊机器人, 完全正常运转、充分发挥效益的只占另外, 处于负荷不满或不能完全正常运转状态还有胭不能正常使用, 直接影响了用户使用更多机器人的信心。
3.发展投资少、见效快的低成本自动化技术
发展低成本自动化技术, 潜力大, 前景广, 投资省, 见效快, 提高自动化程度, 可以收到事半功倍的经济效果, 适合我国现阶段的发展姗要和国情。美国麻省理工学院提出的精节生产户模式, 就是以最小的投入, 取得最大的产出的具体表现。日本丰田公司采用适时生产丁、全面质管理和成组技术、弹性作业人数和尊重人性为支柱的精节生产方式, 使自动化程度不高的工厂取得了良好的效益。芬兰机工厂的组装车间内拥有一条能制造、和微机的灵活生产线, 它并不完全由自动化设备组成, 中间穿插着借助计算机指导的人工参与,将高新技术与原有工艺基础巧妙灵活地结合在一起, 从而使这种生产线的造价较低, 同时却具有柔性制造系统的性能。实际上精节生产本身就意味着从国情和企业实际情况出发。借鉴国外发展机械制造业低成本自动化技术的经验是有益的。我国机械制造业各企业有大的通用设备,
在发展现代机械自动化技术时, 若以原有的设备为主, 合理调整机床布局, 添加少的数控设备, 引入技术, 充分发挥计算机自动化管理的优势和人的创造性, 共同构成一个以人为中心、以信息自动化为先导、树立自主的单元化生产系统, 为我国机械制造业自动化技术发展应用提供了一条投资少、见效快、效益高、符合我国国情的机械自动化技术发展应用新途径。
4.配套发展机械自动化技术
现代自动化技术在机械制造中的应用就是在控制理论的指导下, 对生产的物流和人的作用进行综合的研究, 涉及到机械技术、微电子技术、自动控制理论和计算机技术等。发展机械自动化技术, 必须主要地关注电子学、电子计算机技术、零件检测和机床装料自动化, 广泛采用程序数控机床, 以及研制高效的和可命的自动化生产线、计算机应用于生产的信息系统和自动化控制系统等。发展应用机械自动化技术, 要扎扎实实地抓好自动化技术应用项目的基础工作和从实际出发的推广应用工作, 既要发展主机, 也要配套发展自动化元件及控制系统。可编程控制器、微处理机、各种传感器、新型刀具、控制系统及系统软件、电子计算机等将是今后机械自动化的主要技术基础。
发展应用各种机械自动化新技术, 将不断引入其他许多学科的新概念、新理论、新技术, 将使机械制造业中原有的一些传统制造技术、产品和观念等不断更新和发展, 这就要求有大训练有素的工程技术人员、工人和管理人员。随着机械制造业由机械化向自动化发展, 可以预料, 机械制造业将越来越密切地依赖知识,依靠科学。这种新的
制造模式对工人、技术人员和管理人员在技艺、经验上的要求将逐渐降低, 知识上的要求将迅速提高, 工人和技术人员的界限将逐渐消失, 工人必须具有较高层次的知识结构。某柴油机厂引进的一条造型自动线, 全线由计算机系统中央控制。由于技术及管理上的原因, 高度自动化的造型生产线废品率上升一个百分点, 可见, 抓紧人才培养是当务之急的大事, 机械制造业的广大工程技术人员、工人、管理人员都需要学习和掌握各种自动化技术的新原理、新方法及其应用。只有有了充裕的人才资源, 才能大面积推广应用自动化技术, 提高我国机械制造业的自动化水准。综上所述, 我国机械制造业发展应用自动化技术, 不但要起点高, 瞄准世界先进水准, 包括国际领域内已展露锋芒的某些新技术, 而且必须包括各种灵活的低成本、见效快的自动化技术, 坚持提高与普及相结合的方针, 我国的机械自动化技术发展应用才能健康地走上高速度、高质和高效益之路。在我国完成无人化的工厂将恐怕不是机械制造业的主要发展模式, 也不是机械自动化技术发展应用当务之急的事。这就是中国的机械自动化技术发展之路。
第二部分:机电一体化技术的发展
自电子技术一问世,电子技术与机械技术的结合就开始了,只是出现了半导体集成电路,尤其是出现了以微处理器为代表的大规模集成电路以后,"机电一体化"技术之后有了明显进展,引起了人们的广泛注意。
(一)"机电一体化"的发展历程
1.数控机床的问世,写下了"机电一体化"历史的第一页。
2.微电子技术为"机电一体化''带来勃勃生机。
3.可编程序控制器、"电力电子"等的发展为"机电一体化"提供了坚强基础。
4.激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使"机电一体化"跃上新台阶。
(二)"机电一体化"发展趋势
1.光机电一体化.一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的.因此,引进光学技术,实现光学技术的先天优点是能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源(动力)系统和信息处理系统.光机电一体化是机电产品发展的重要趋势.
2.自律分配系统化——柔性化.未来的机电一体化产品,控制和执行系统有足够的“冗余度”,有较强的“柔性”,能较好地应付突发事件,被设计成“自律分配系统”。在自律分配系统中,各个子系统是相互独立工作的,子系统为总系统服务,同时具有本身的“自律性”,可根据不同的环境条件作出不同反应。其特点是子系统可产生本身的信息并附加所给信息,在总的前提下,具体“行动”是可以改变的。这样,既明显地增加了系统的适应能力(柔性),又不因某一子系统的故障而影响整个系统。
3.全息系统化——智能化。今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显,智能化水平越来越高。这主要收益于模糊技术、信息技术(尤其是软件及芯片技术)的发展。除此之外,其系统的层次结构,也变简单的“从上到下”的形势而为复杂的、有较多冗余度的双向联系。
4.“生物一软件”化—仿生物系统化。今后的机电一体化装置对信息的依赖性很大,并且往往在结构上是处于“静态”时不稳定,但在动态(工作)时却是稳定的。这有点类似于活的生物:当控制系统(大脑)停止工作时,生物便“死亡”,而当控制系统(大脑)工作时,生物就很有活力。仿生学研究领域中已发现的一些生物体优良的机构可为机电一体化产品提供新型机体,但如何使这些新型机体具有活的“生命”还有待于深入研究。这一研究领域称为“生物——软件”或“生物系统”,而生物的特点是硬 件(肌体)——软件(大脑)一体,不可分割。看来,机电一体化产品虽然有向生物系统化发展趋,但有一段漫长的道路要走。
5.微型机电化——微型化。目前,利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术,在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。当将这一成果用于实际产品时,就没有必要区分机械部分和控制器了。届时机械和电子完全可以“融合”,机体、执行机构、传感器、CPU等可集成在一起,体积很小,并组成一种自律元件。这种微型机械学是机电一体化的重要发展方向。
三、典型的机电一体化产品
机电一体化产品分系统(整机)和基础元、部件两大类。典型的机电一体化系统有:数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CAD/CAM系统等。典型的机电一体化元、部件有:电力电子器件及装置、可编程序控制器、模糊控制器、微型电机、传感器、专用集成电路、伺服机构等。这些典型的机电一体化产
品的技术现状、发展趋势、市场前景分析从略。
四、“机电一体化”而临的形势和任务
机电一体化工作主要包括两个层次:一是用微电子技术改造传统产业,其目的是节能、节材,提高工效,提高产品质量,把传统工业的技术进步提高一步;二是开发自动化、数字化、智能化机电产品,促进产品的更新换代。
(二) “机电一体化”工作的任务
在机电一体化方面的任务可以概括为两句话:一句话是广泛深入地用机电一体化技术改造传统产业;另一句话是大张旗鼓地开发机电一体化产品,促进机电产品的更新换代。总的目的是促
1.应用机电一体化技术改造传统产业的工作重点
(1)大力采用模糊技术,工业炉窑改造应上新台阶
国内外成功的范例表明,应用模糊技术改造工业炉窑比单纯用计算机和PID技术好的多。
(2)积极采用数控技术,机床高备改造要达新水平
对机床设备的改造重点应放在经济型数控系统的推广应用上。根据需要和可能,尽量实现机械自动化,既可提高工作效率,又可实现对生产的精度要求。
(3)努力推广变频调速技术,风机电泵改造要攀新高度。
第三部分:发电厂自动化的发展
作为个人的实习单位,应该对发电厂的基础知识及发展趋势一表我见。作为个人将来从事相关工作的一个展望及借鉴。
1火电厂自动化技术应用展望
1.1火电厂将进入信息网络化时代
未来21世纪的最初10年,火电厂必将随着不可抗拒的潮流加速进入信息网络时代,火电厂乃至电力系统和电力企业集团将形成生产过程自动化和管理现代化的信息网络。特别要指出,在全厂信息网络结构优化过程中,在技术上百家争鸣,研讨优化方案时,还要注意克服头脑中由于专业分工造成的偏见、局部间利益的摩擦,以及管理体制造成的束缚。经过研究和工程审查实践,初步形成了下图所示的全厂信息网络结构的方案,说明如下:
1.1.1厂级生产过程自动化和管理现代化系统(简称厂级自动化系统) 由厂级监控信息系统
(Supervisory information system in plant level,简写SIS)和厂级管理信息系统(Management information system in plant level,简写MIS)组成。SIS主要处理全厂实时数据,完成厂级生产过程的监控和管理,厂级故障诊断和分析,厂级性能计算、分析和经济负荷调度等;MIS主要为全厂运营、生产和行政的管理工作服务,主要完成设备和维修管理、生产经营管理(包括电力市场报价子系统)、财务管理等。SIS和MIS可以是设置在一个网络中的2个功能,共用计算单元和数据服务器,也可以如图1所示,SIS网与MIS网用网关(G)或
其它接口分隔成2个网,分别设置相应的计算单元和数据服务器,以提高SIS网的安全性。
电力集团企业MIS和电网运营系统与火电厂的厂级MIS相连,而电网调度系统则通过发电端的远程发送单元(RTU)与网内火电厂的的厂级SIS相连,进行1级或2级调度,也可采用传统方法连接到网络站监控系统。随着光缆在各地区,乃至全国范围内的敷设,有可能不再需要RTU,而可以由专用Intranet网实现上述通信。
厂级SIS+MIS系统,对内是实现厂级生产过程自动化和管理现代化的系统,对外是电网运营和调度系统,以及电力企业集团MIS在发电厂侧的支持系统,因此,一般情况下无需独立于厂级MIS再另搞一套发电厂报价系统(GBS)。
1.1.2辅助车间监控系统
一个火电厂有10几个辅助车间,国外已有通过网络集中到1个控制室进行集中控制的做法。过去国内都是一个辅助车间内由PLC和上位机构成一个网络,在车间控制室内控制。目前趋向于采用适度集中控制的方案,例如全厂形成煤、灰、水3个网络、3个监控点,待今后条件成熟时再减少控制点。辅助车间网络通过网关连接到上层网——厂级SIS网,不推荐连接到单元机组DCS网,再将信息引到SIS网的做法,因为这样增加了DCS负荷,降低了单元机组监控可靠性,很难处理单元机组公用车间运行管理不同的矛盾,而且单元机组对大量辅助
车间信息也没有需要。至于2个单元机组公用的厂用电系统和循环水泵房,则可设置公用DCS网,按如图1方式与单元机组DCS相连接,实现每台单元机组DCS对它的监控。
1.1.3网络站监控系统
网络站监控计算机系统本质上是厂级SIS网下一级的一个车间级监控系统,有人建议把网络站监控计算机系统和SIS合用一个信息网络,这是不妥的,因为它们是2个不同性质的网络,合用会降低网络站控制的可靠性和实时性,并使不同任务的值班人员(全厂总工和网络站值班员)在同一网络的终端上工作而带来一系列问题。必须说明,图示的网络结构还有待在今后的工程实践中进一步完善,或根据情况作必要的修正。
1.2单元机组自动化将展现新的特点
火电厂单元机组的自动化水平,无论国外和国内,都是比较高的,因此未来21世纪的最初10年期间,单元机组自动化水平要不要和会不会再提高,答案应该是肯定的。当前,国际上电力市场的竞争愈演愈烈,电网为了自身的安全和经济效益,对火电厂单元机组提出了一系列严格的调频和调峰的范围和速度的要求;竞价上网的市场原则迫使火电厂必须最大限度地挖掘机组潜力,提高效率,减少人员,降低成本;国家法律对环保日益严格的要求,并采取相应的经济调控手段,也将迫使电厂采取对策。在我国,随着改革的深入,电力市场正在逐
步发展和完善,只要到全国走一走,就会看到火电厂内正蕴动着与国外类似的需求。
未来10年左右时间里,可以断定,单元机组自动化必将在下列几个方面进一步向前发展:
1.2.1控制系统全计算机化,控制室紧凑小型化
单元机组实现全CRT监控,传统监控盘台将取消,控制室(2台单元机组)面积由目前的350~4 000 m2,降到150 m2以下。
1.2.2监控系统的功能配置和物理配置原则将重新安排
a.物理配置原则
随着计算机技术的发展,监控系统将由以前的全部集中到一个控制楼里的配置方式,逐步趋向于采用适度物理分散配置的原则。庞大的控制楼将取消,变成若干个小型的电子设备间,分别布置在锅炉、汽轮机房或其它主设备附近。节省电缆,并为主厂房模块化设计、安装、缩短工期,以及主厂房合理布局创造条件。对现场来的信号,将大量采用远程I/O,其中驱动器控制用的I/O,经过实践,也将广泛采取现场配置,这种配置方式必将为大量节约监控电缆,降低基建费用,缩短工期作出贡献。
b.功能配置原则
分散控制系统问世时,当时开发者有2大派,一派以欧洲的公司为主,他们根据过去集中计算机控制故障集中的弊病,提出DCS应按控制功能彻底分散的原则开发,因此推出DCS中的控制器容量很小,往往控制1~2个回路,与传统单回路控制器类似;另一派以美国和日本的公司为主,他们走中间道路,采取适度分散原则。起初欧洲派由于符合原先人们的习惯,受到一定程度欢迎。但是随着时间推移,这种方案最终被淘汰了。现在连当时创导这种思想的DCS公司也纷纷抛弃原来那种型式的所谓控制功能彻底分散思想,而推出适度分散的DCS产品。
纵观这一段DCS发展史,结合火电厂单元机组控制系统的特点,DCS功能配置将与物理配置走正好相反的方向,正在趋向再适度集中一点的方向发展。因为:首先,单元机组各个控制系统间有着千丝万缕的信号联系,一对控制器故障,往往会导致另一对控制器因没有正确的联系信号而不能正常工作,甚至误动;其次,由于目前大多没有常规后备监控制设备,因此,对于大部分重要控制器,只要其中一对控制器故障,可能就要被迫停机,而过多的控制器实际上反而增加了故障停机的概率;再次,目前控制器容量和速度均大大提高,多个相互联系密切的控制系统集中在一对控制器中,反而因内部信息交换方便而提高可靠性。目前有的公司推出的DCS,CPU采用2×2冗余(由于计算机技术发展,成本增加很小),可靠性进一步提高。
综上所述,根据电厂特点,应当在提高每一组控制器的可靠性上下功夫,例如采用按照IEC61508功能安全原则设计的控制器;CPU采用2×2冗余或三重冗余;必要时甚至对部分I/O采取冗余等。而在控制器容量和速度允许情况下,可以合理地配置控制器(按工艺功能区配置;关系密切的控制系统纳入同一控制器等),适当提高功能配置的集中度。
c.现场总线控制系统(FCS)若干问题的思考
(1)“FCS将取代DCS,DCS将消亡”的论点。DCS的本质是监控集中,控制分散,故又称集散控制系统(TDCS),从来没有人声称DCS的“监控集中”原则也过时了;相反,FCS系统开发商也企图仿照DCS开发上层监控网络,不同在于,他们开始时想搞一个唯一的国际标准的上层通信网而已,实施的困难已迫使他们放弃这种想法而宣布拟采用现存的工业以太网。因此,至少从这一点上说,这种提法是很值得讨论的。
(2)DCS和FCS如何对待“控制分散”。有人说,FCS将控制和处理功能彻底分散到智能现场仪表(智能变送器、智能执行机构、智能开关柜等)中,不再需要传统的放在控制室中的控制器了,这也是不全面的。从火电厂单元机组用DCS的经验看,在对待“控制分散”问题上必需因地制宜。
对于单元机组的大部分非常复杂的控制功能,“彻底分散”同由于故障点增多,反而会降低系统的可靠性(即使将来开发出冗余的FF-HI或PROFIBUS-PA过程控制总线),并使一个控制系统功能必须以很高的处理周期,频繁在2层通信网络内交换信息,因此,至少在相当长时期内,技术上是不可行的。对于这部分系统的控制功能反而有趋向适度集中的趋势。
控制和处理功能中的单个驱动器的逻辑控制功能正在靠近,甚至嵌入驱动器中倒是一个非常明显的发展趋势,这本质实际上是将DCS的驱动逻辑模件放在现场驱动器附近,或者开发内嵌驱动逻辑功能的智能驱动器,通过DCS的I/O总线或现场总线,与控制室内控制器相连,从而大大减少电缆和提高可靠性。因此,这不是FCS的独创。对于简单的功能相对集中的控制系统,采用FCS的控制和处理功能彻底分散到现场智能仪表中,而后纳入DCS的方案,预计经过一段时间发展后,将会受到欢迎。
FCS的全数字化通信将引起真正的革命。传统DCS的一个致命弱点是,它可以控制和监视工艺过程,对自身进行诊断、维护和组态。但是,由于其I/O信号采用传统的模拟量信号,因此,它无法在DCS的工程师站上对现场仪表(变送器、执行机构等)进行远方诊断、维护和组态。FCS的现场总线和全数字的现场总线智能化仪表熔入DCS后,将彻底解决这个问题。DCS公司也意识到了这点,目前已有一些DCS可以在控制器下层的现场总线上连接现场总线智能化仪表,实现全数字化通
信。但是,在DCS工程师站上对现场仪表进行诊断、维护和组态的功能目前都只处于开发阶段。因此,不赞成FCS取代DCS的提法,更确切的提法是,未来现场总线智能化仪表和FCS概念将熔入DCS中,推动DCS功能进一步发展,使用户的配置方式更加灵活。
1.2.3单元机组自动化系统进一步智能化
单元机组DCS的应用使机组的监控面貌发生了质的飞跃,但是应当说,它的监控手法大多还是比较传统的,智能化程度不太高。当前情况开始有了变化。从国外看,许多智能化的监视和控制软件已日趋成熟和商品化,并在火电厂实践中取得明显的效益,单元机组自动化系统进一步智能的趋势十分明显。因此,应当精心研究和设计DCS应用软件,进一步提高显示、报警、事故记录等功能的智能化程度,实现数据存档和检索无纸化。要进一步提高模拟量控制系统的控制范围,研究实现根据机组负荷自动启停燃烧器(制粉系统)和机组自启停功能,使控制中心进一步智能化、自动化,使值班人员控制机组运行,好似人们照相使用“傻瓜机”那样,以提高机组运行安全性。同时,要积极采用已取得成功应用经验,安全、经济效益明显的优化控制软件、性能计算和分析软件、机组寿命管理软件、故障诊断以及状态维修软件等,进一步提高机组运行的安全性和经济效益,以较少投入,最大限度地挖掘机组潜力。
1.3辅助车间高度集中控制
一个电厂有10几个辅助车间,过去在每个车间都设一个控制室,采用PLC实现顺序控制,值班人员多达100~200人,不少电厂辅助车间实际达到的自动化水平不高。随着大中型国营企业改革逐步到位,许多企业已经意识到,1 a就可以减少近千万元的支出。目前新建工程已迅速向这个方向发展。对于老电厂,他们在自动化改造时,除少数电厂外,目前大多还只在提高单元机组自动化水平上下功夫,辅助车间自动化改造还没有提到议事日程上来,这主要是因为它将引起更大规模的下岗压力。相信我国大中型国营企业改革基本完成之日,必将是老厂辅助车间进行上述自动化改造之时。