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工業級智能無線網絡

隨著工業自動化在各行各業的不斷應用及普及,自動化概念已不再是陌生和遙不可及。工廠的出現,意味著自動化會隨之而來;工廠產品的誕生,意味著質量會不斷進步,那自動化控制技術會產生什么效應呢?提高勞動生產力,改進產品質量,降低生產成本,改善勞動條件,加強企業管理,這五項作用在當前自動化控制技術過程當中實際實踐了幾項?程度如何?在國際國內同行業中,我們的工廠產品質量還處在什么水平?需不需要改進和提高?我們的工廠生存能力具備了與同行業競爭的未來之“資本”嗎?潛質在哪里?問題的著力點都在于產品的“質量”和“潛質量”。

現在的自動化控制技術雖然發展了一段時期,但在一般工業控制行業中還普遍停留在傳統的控制方式和思維模式下。由此,我公司針對目前自動化控制領域的控制現狀,結合工廠產品“質量”、“潛質量”的必然要求,提出了兩種解決方案:其一是與工藝、干擾相融合的解決方案(工業無線網絡),其二是從控制理論本身解決產品質量的解決方案。兩方案“相輔相成”,“你中有我,我中有你”,“工藝”離不開“控制”,“控制”離不開“工藝”,只有相互改進和完善,才能真正做到“控制”為 “工藝”服務,“工藝”為“產品”服務,最終提升工廠產品競爭力。

1、工業級智能無線網絡解決方案

隨著工業自動化控制技術的不斷發展,以及檢測儀表、工業網絡及通訊技術的向前推進,工業智能無線網絡也隨之誕生并慢慢成熟起來。它可以幫我們解決以下問題:

優化工藝裝置效率

很多工藝設備還缺乏一些有效的監測,它們還處在帶故障運行中,這會降低生產效率。智能無線方案以非常經濟的方式提供額外的測量數據,對這些設備進行有效地在線監測,以提高生產效率。這些數據包括來自于以前無法到達的測量點,比如在移動或者旋轉設備上的測量點,或者是在危險場合的測量點。

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減少維護工作量

工廠設備的維護十分昂貴,大多數工廠仍然依賴被動式維護方式,就是不管設備有沒有問題都進行頻繁的巡檢。當設備真正有問題的時候卻不能預先發現,只有等到設備故障惡化并影響到生產時才采取措施。智能無線方案可以對設備進行在線監測,用戶只需對有故障預警的設備進行及時維護,真正實現預測性和前瞻性維護。

節省安裝成本90%以上

與有線技術相比,無線方案可以不用橋架、布線、接線端子,大大節省了安裝材料、人工,最主要的是可以節省現場儀表安裝時間,間接地使整個項目進度計劃可以提前。

另外,無線技術還能解決很多工廠中的測控“盲點”,比如距離偏遠、偏高,物理障礙,安全危險等級較高等方面,有線技術實施起來比較困難或者不可能做到的,無線技術或許較輕而易舉可以實現。

【附注:無線網絡的典型技術標準有藍牙(Bluetooth)、ZigBee、無線USB(WirelessUSB)、無線局域網Wi-Fi(IEEE 802.11b/g)等。在工業領域,ZigBee標準較適合無線網絡的傳輸及抗干擾特性,其抗干擾特性主要是指抗同頻干擾,即來自共用相同頻段的其他技術的干擾。對于同頻干擾的抵御能力是極為重要的, 因為它直接影響到設備的性能。ZigBee在2.4GHz頻段內具備強抗干擾能力就意味著能夠可靠地與Wi-Fi、藍牙、WirelessUSB以及家用的無繩電話和微波爐共存。IEEE 802.15.4 標準中提供了很多機制來保證ZigBee在2.4GHz頻段和其他無線技術標準的共存能力?!?/span>

智能無線網絡在鍋爐控制系統中的應用

鍋爐控制系統中,現場儀表基本上都安裝在鍋爐本體上面,或者給水管道,蒸汽管道等高空懸空管道上面,有時候為了滿足能源計量儀表安裝條件,還需要改管道走向或者高低位置修改,這一系列的安裝工作,有高溫、高壓位置,有爬梯上高位置,還有測量配線 “死角”位置等等,如果使用傳統的有線技術施工安裝,那么配套走線的儀表橋架,檢測儀表變送器的安裝位置等都是施工過程當中必須考慮的因素,以及后期維護工作的勞動強度和危險性“概率事件”也是有線技術方案的“短板”。采用了智能無線網絡技術方案,那么前面的問題可以迎刃而解,不再需要橋架和繁瑣的布線工作,也免去了因為走線而產生電磁干擾的煩惱,高空、高溫高壓等危險儀表檢測位置也可以通過地面無線通訊終端就地“隔空”維護,無需“涉險”,維護可以“先知而后動”,整個鍋爐本體基本上再也沒有繁瑣的“蜘蛛網”,如果條件允許,水位和壓力等視頻監控也可以完全實現無線傳輸。

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另外,輸煤系統,除塵、脫硫系統,水處理工藝等使用的檢測儀表也可以納入到智能無線網絡范疇,這樣的話,鍋爐控制系統基本上可以實現“無線儀表” 全覆蓋,那么除了“走線”和“集成”可以省時外,安裝成本也是直線下降,后期維護也方便了許多。

【附注:鍋爐控制系統無線儀表傳輸網絡可靠性和穩定性問題,我公司已經在大理復烤廠鍋爐房得到驗證:只要空間足夠大,即便是在 “相對死角”,儀表信號一樣傳輸和穩定。無線網絡傳輸距離如果是在點對點互相成為中繼的情況下,那么傳輸距離可以延伸到公里級別以上范圍?!?/p>

2、智能控制理論

在科學技術飛速發展的今天,工廠自動化技術也日新月異,產品質量的不斷提升和工藝的不斷創新,讓自動化控制遭遇“挑戰”和“尷尬”。傳統的控制方式(包括經典和現代控制理論)已逐漸凸顯“瓶頸”,工廠工藝的新要求,需要有新的控制方式和思維來解決,這就是“智能控制”。智能控制是自動控制發展的高級階段,是人工智能控制論、信息論、系統論、仿生學、進化計算和計算機等多種學科的高度綜合與集成,是一門新興的邊緣交叉學科。它與傳統的控制理論相比,不再需要準確的數學模型、傳遞函數,而是借助現代計算機技術、人工智能、生物仿生技術、自動控制理論等手段來解決實際生產應用當中遇到的非線性、時變、多耦合、變結構、無精確數學模型對象的控制問題。智能控制與傳統控制在理論基礎、實現方法和系統規模上有著本質的區別,但它們也不是互相排斥的。通常情況下,傳統控制往往包含在智能控制之中,用來解決系統底層(執行層)的控制問題, 而在系統的中層(協調層)和高層(決策層)則采用智能控制,這樣既能提高系統的智能化程度,又能保證系統的控制精度,同時使系統結構更加合理,達到互補的效果。以下表格可以具體區分:

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方式

內容

項目

 

傳統控制

 

智能控制

知識

獲取

精確知識(深層知識)

反應自然規律的各種定律、定理

非精確知識(淺層知識)

直覺、經驗和學習

 

描述

數學模型

運動學、動力學方程、傳遞函數等

符號描述

經驗、規則

 

加工

定量方法

時域、頻域、根軌跡、狀態空間方法

符號加工

學習、訓練、邏輯推理、判斷、決策

 

運用

有嚴格的性能指標

穩定性、精度、動態性能

無統一的性能指標

注重目的和行為


智能控制的研究方向主要分為:

1)分層遞階控制(LGC-Layered Grading Control):

2)模糊控制 (FC-Fuzzy Control);3)神經網絡控制(NNC-Neural Networks Control);

4)專家控制(EC-Expert Control);5)集成智能控制(IIC-Integration Intelligent 

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Control)。盡管智能控制理論和技術發展的歷史不長,但是其卓越的性能誘導人們在各方面進行了許多應用嘗試,并且取得了卓有實效的成果。智能控制在火電廠的熱工自動化中已早有應用,并且收到了良好的效果。如:在200MW機組熱工自動化改造中,在直吹式鍋爐主汽壓力控制中采用模糊控制,較好地解決了主汽壓力被控對象的純遲延和大慣性等難題。在300MW機組協調控制系統中,由于對象準確的數學模型很難確定,因此,采用經典和現代控制理論是很難奏效的。引入智能控制后,使協調控制系統投入了自動運行,并且收到了較好的控制效果。

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目前工業自動化應用技術中,模糊控制技術的應用比較普遍。模糊控制是基于在模糊數學基礎之上的一種控制方式,它是一種基于規則的控制,它直接采用語言型控制規則,其依據是現場操作人員的控制經驗或相關專家的知識,通過建立隸屬度函數表格來實現其控制行為和控制目標??偟膩碚f,控制方式或者控制模式的選擇,需要根據工廠產品質量的需求和工藝控制的需求來確定,我公司所做的解決方案是建立在客戶“潛需求”,以及我公司項目管理和項目實施經驗基礎之上的產物,相信工廠競爭力的提升會在將來的不久把工廠智能自動化控制技術擺在競爭的最前沿。

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