一、概述
      在冶金、機(jī)械制造等行業(yè)的工業(yè)企業(yè)中，大量應(yīng)用的是可控硅控制系統(tǒng)及其它模擬控制系統(tǒng)。上世紀(jì)在80年代后期安裝的設(shè)備雖然有的采用上位機(jī)和可編程邏輯控制器，但控制系統(tǒng)仍然以分立器件、模擬電路為主。目前不同程度地存在元器件老化、備件難以買到、故障率高、使用性能差、調(diào)整維修困難、效率低等問題。
      新的數(shù)字系統(tǒng)有以主PLC為核心建立的控制系統(tǒng)、DCS集散式控制系統(tǒng)、機(jī)器視覺系統(tǒng)等，基礎(chǔ)自動化部分采用變頻器或集成的全數(shù)字直流控制器等新型數(shù)字單元或器件，在信號的采集與處理方面，可編程器件及嵌入式技術(shù)的應(yīng)用，極大地提高了精度和可靠性。數(shù)字系統(tǒng)具有優(yōu)越的性能，調(diào)試容易，采用開放式技術(shù)，多方產(chǎn)品以協(xié)議方式連接，產(chǎn)品豐富，與計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合，易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的監(jiān)控和管理網(wǎng)絡(luò)化，具有可發(fā)展空間等。因此，許多企業(yè)已在著手用新的數(shù)字系統(tǒng)改造已有設(shè)備。改造成功的例子很多，但數(shù)字化改造并非是解決現(xiàn)有設(shè)備問題的萬能策略，在舊系統(tǒng)的取舍，整體還是局部改造，新系統(tǒng)配置，工藝、機(jī)械設(shè)備與新系統(tǒng)的銜接等方面仍然存在許多問題，如設(shè)備改造僅是控制系統(tǒng)的升級換代，性能沒有提高，甚至下降，將造成投資的巨大浪費(fèi)，企業(yè)要根據(jù)已有裝備情況，對控制系統(tǒng)數(shù)字化改造的可行性進(jìn)行充分研究。尤其應(yīng)注重的是，對設(shè)備原有問題的解決方案一定要明確、富有針對性，適當(dāng)選用數(shù)字技術(shù)產(chǎn)品，合理利用新技術(shù)，使改造方案符合實(shí)際，有效地解決存在問題，形成新的加工能力和使用性能，改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和質(zhì)量。
      二、根據(jù)存在問題的根源研究改造方案
      可以分為設(shè)備經(jīng)過長期運(yùn)行出現(xiàn)的問題以及舊系統(tǒng)不能適應(yīng)新的加工要求兩種情況，分析過程如圖1所示。圖中雙線框內(nèi)為問題的末端，就現(xiàn)有數(shù)字化單元產(chǎn)品而言，從開發(fā)費(fèi)用及產(chǎn)品性能價格考慮，不必對改造部位進(jìn)一步細(xì)分，可視為問題的根源。

    圖1  設(shè)備存在問題的原因分析

      圖1中，除機(jī)械構(gòu)成方面問題、加工工藝問題和電動機(jī)、執(zhí)行器問題外，其它末端如果是制約生產(chǎn)、應(yīng)用的問題，從原理上都可以考慮通過數(shù)字化改造解決，這是尋找問題根源的主要方向，因設(shè)備構(gòu)成千差萬別，出現(xiàn)的問題多種多樣，還要具體地加以分析?？傮w上，就是從根源上開始設(shè)計改造方案，并采用相應(yīng)的技術(shù)和器件，同時，不能忽略細(xì)節(jié)或次要問題而遷就主要問題，一個完整的改造方案，應(yīng)當(dāng)是主要問題重點(diǎn)對待，次要問題也要一并解決。也不能機(jī)械地生搬硬套，單純地去追求配置的層次和結(jié)構(gòu)。
      從問題的根源入手，去分析改造模式，容易找到改造的切入點(diǎn)，進(jìn)而帶動全面改造，避免盲目性和追求形式，使改造扎實(shí)有效。
      三、工藝銜接與控制技術(shù)銜接
      一般情況下，與原工藝比較，如改造后加工工藝不變，只要嚴(yán)格按著工藝要求設(shè)計參數(shù)，重新投產(chǎn)后，就能夠滿足加工工藝要求。如果原工藝存在問題，或本次改造對加工工藝改動較大，則應(yīng)去除不合理部分，補(bǔ)充新內(nèi)容，再進(jìn)行全面的分析、計算，有條件應(yīng)做充分的試驗和咨詢，否則，盲目實(shí)施可能使改造失敗。
      新的數(shù)字系統(tǒng)是在模擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，器件性能水平已經(jīng)高度發(fā)展，比如已經(jīng)用IGBT、GTO取代了SCR。單元集成度很高，MCU、PLD、DSP等可編程芯片和數(shù)字電路廣泛采用，系統(tǒng)各單元的整定僅須鍵入功能選項、控制點(diǎn)參數(shù)，通常具有較寬的使用范圍和適應(yīng)能力。以ABB公司的DCS系列數(shù)字直流控制器為例，只要輸入電機(jī)功率等參數(shù)，即可直接驅(qū)動，無須整定速度環(huán)、電流環(huán)的時間常數(shù)，實(shí)際的驅(qū)動效果通常能夠滿足要求。值得注意的是數(shù)字的輸入不同于模擬系統(tǒng)的電阻、電容參數(shù)直觀，實(shí)際調(diào)整仍需要按新系統(tǒng)的工作情況重新摸索，以達(dá)到最佳效果。與模擬系統(tǒng)的維修工作比較，在通常條件下，企業(yè)自己維修數(shù)字系統(tǒng)的難度較大，因此，應(yīng)著重考慮單元電路的通用性及后續(xù)備品的供應(yīng)，不必大量儲備電子元件。數(shù)字系統(tǒng)的控制及數(shù)據(jù)信號是以總線、編碼等形式傳遞，具備相關(guān)技術(shù)，依靠計算機(jī)、專用設(shè)備才能看到傳遞過程，對于維護(hù)水平的要求有所提高，在數(shù)字改造的同時，維修人員的技術(shù)層次也應(yīng)提高，適應(yīng)新技術(shù)。
      四、配置方面的問題
      在改造的思路確定后，選擇器件、配置成為首要問題。采用高端產(chǎn)品、豪華配置，不僅是價格問題，還要考慮方便操作和環(huán)境能否適應(yīng)等。比如，選擇觸摸屏還是按鈕，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作還是直接用電位器，采用高配置時一般采用前者，但在實(shí)際使用時，由于組態(tài)軟件龐大，屏幕上用鼠標(biāo)拖拽時，系統(tǒng)有一個計算過程，因此有滯后現(xiàn)象。窗口上指令數(shù)值的遞增、遞減速度，編程時已設(shè)定好，有時需要快速回復(fù)時，鼠標(biāo)操作遠(yuǎn)不如電位器及時準(zhǔn)確。觸摸屏操作比較集中，有時還要翻頁，不如按鈕安裝隨意、操作方便，為解決這一問題，有的同時設(shè)置兩套操作設(shè)置，提高了設(shè)備造價。因此，盲目追求豪華配置，不是最優(yōu)的改造方案。
      從技術(shù)角度看，響應(yīng)速度、可靠性是主要方面，例如，冷軋機(jī)中，模擬電路的厚度AGC自動控制單元，涉及環(huán)節(jié)多，響應(yīng)要求快，應(yīng)用PLC改造這一系統(tǒng)時，要選擇高端、高速產(chǎn)品，以適應(yīng)需要。由于位置、壓力采樣及液壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動仍為模擬電路，經(jīng)模一數(shù)轉(zhuǎn)換，PLC內(nèi)部軟件的乘法、比例積分計算，從實(shí)際的動態(tài)性能、響應(yīng)速度看，數(shù)字系統(tǒng)并不比模擬系統(tǒng)優(yōu)越，程序處理得不好，還會落后。因此在全面改造舊系統(tǒng)時，從控制效果考慮，主要的實(shí)時、高速單元仍可以考慮保留，否則，只有提高費(fèi)用，選擇高性能配置，才能夠達(dá)到或提高性能指標(biāo)，這是改造能否取得成功的關(guān)鍵。從產(chǎn)品可靠性看，應(yīng)盡量選擇同一公司、正規(guī)品牌產(chǎn)品，在應(yīng)用中兼容性好，可以互相比較，利于系統(tǒng)可靠運(yùn)行。
　　實(shí)踐證明，落實(shí)配置方案時，本著性能第一、方便操作的思路選擇配置，既可以節(jié)約費(fèi)用，又能夠取得良好的改造效果。
      五、采樣方法升級與冗余設(shè)計
      就閉環(huán)系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的控制精度主要取決于反饋環(huán)節(jié)的采樣精度，如果采樣精度差，即便系統(tǒng)配置很高，也不會達(dá)到較高的控制水平。對于速度、位置、壓力及溫度信號的采集，目前有許多新器件供應(yīng)，轉(zhuǎn)速脈沖發(fā)生器已達(dá)每轉(zhuǎn)萬次以上，溫度、壓力信號經(jīng)過變送器以4一20mA電流或其他標(biāo)準(zhǔn)電壓信號輸出，這些信號通過高速輸入端或擴(kuò)展接口直接接入PLC，檢測精度高，抗干擾性好?？删幊烫幚砥髑度氩蓸訂卧?，通過RS485接口及現(xiàn)場總線與主PLC通信，使采樣更靈活、可靠。機(jī)器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了采樣智能化。充分利用這些新的采樣技術(shù)，是數(shù)字化改造所必須的，如采樣方法不升級換代，不應(yīng)用相應(yīng)水平的采樣器件，改造的效果可能受到影響。
      數(shù)字系統(tǒng)的可靠性有時通過系統(tǒng)冗余設(shè)計得到保障，一個大型、復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)運(yùn)行時，與模擬系統(tǒng)比較，出現(xiàn)故障的情形有所不同。模擬系統(tǒng)一般是以分立器件為主，故障點(diǎn)可以通過測試查出后，更新修復(fù)。數(shù)字系統(tǒng)多以程序停止運(yùn)行，系統(tǒng)自診斷發(fā)現(xiàn)錯誤為多，關(guān)鍵部位冗余，既可以解決運(yùn)行中的故障、保存數(shù)據(jù)，還能夠?qū)崿F(xiàn)離線維修，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性，是大型系統(tǒng)數(shù)字化改造中應(yīng)充分考慮的。
　　采樣方法升級與冗余設(shè)計有時被忽視，有的為節(jié)省投資而放棄，或者在設(shè)計時未作考慮，這方面是應(yīng)引起重視的，對于從事危險作業(yè)及保安級設(shè)備，可靠性設(shè)計是極其重要的。
      六、機(jī)械部件情況與改造效果
      舊設(shè)備經(jīng)多年使用后，機(jī)械部分會出現(xiàn)松動、磨損及間隙配合超差等間題，按原設(shè)計的機(jī)械慣性、摩擦阻尼等參數(shù)設(shè)計、計算新系統(tǒng)的模型和數(shù)據(jù)時，應(yīng)適當(dāng)加以補(bǔ)償、修正，以達(dá)到最佳控制效果。對于機(jī)械構(gòu)成已嚴(yán)重缺損的，建議首先修復(fù)機(jī)械設(shè)備，然后再測算、設(shè)計改造方案。如果機(jī)械構(gòu)成狀況不好，經(jīng)過數(shù)字化改造后，設(shè)備的性能、控制效果仍然不會好。
      七、PLC、組態(tài)軟件及數(shù)控產(chǎn)品的選擇
      目前市場上，各檔次、系列的數(shù)控產(chǎn)品很多，一般地，著名大公司的產(chǎn)品系列齊全，各地代理商多，備件、售后服務(wù)要好一些，普通的產(chǎn)品價格占優(yōu)勢，企業(yè)可根據(jù)自身情況進(jìn)行選擇。常見的，西門子PLC與其組態(tài)軟件WINCC合用，松下電工的可編程控制器配組態(tài)王軟件，交、直流控制器有ABB的ACS、DCS系列及歐美、日本的系列產(chǎn)品。通常，由于各公司的產(chǎn)品宣傳和商業(yè)運(yùn)作，使使用者不知哪一家的產(chǎn)品更好一些，最好的辦法是咨詢一下同類設(shè)備改造成功的企業(yè)和同類新設(shè)備的用戶、開發(fā)制造者，借鑒他們的使用經(jīng)驗比盲目選用更為可靠。
      八、避免成為試驗設(shè)備
      數(shù)字化改造如同設(shè)計一個新設(shè)備的控制系統(tǒng)，有時比為新設(shè)備配套設(shè)計更難，新設(shè)備的設(shè)計制造者通常具有多次開發(fā)同一類設(shè)備的經(jīng)驗，成功率較高。擬定改造的舊設(shè)備，通常已經(jīng)出廠多年，原設(shè)計的構(gòu)成、控制方法已落后、淘汰，委托一些院所進(jìn)行改造設(shè)計，對他們來說，要在舊系統(tǒng)的基礎(chǔ)上重新研究設(shè)計，是新項目、新課題，往往沒有充分的試驗數(shù)據(jù)和開發(fā)經(jīng)驗，改造成為一次試驗。因此，在項目招標(biāo)時，要對參與競標(biāo)的院所進(jìn)行考察，看他們改造該類設(shè)備的業(yè)績和成功的范例，避免交給首次開發(fā)者成為試驗設(shè)備，這方面出問題的企業(yè)例子很多。
      九、結(jié)束語
      隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，企業(yè)都在考慮裝備的升級換代，以提高競爭力。舊設(shè)備經(jīng)過改造，達(dá)到了新的生產(chǎn)加工能力，節(jié)約了購置費(fèi)用，這是好的措施。要注意的是，一定要認(rèn)真研究改造中的問題，形成可行的方案，否則，舊設(shè)備改造后成為廢品，企業(yè)將遭受損失。數(shù)字化改造總的原則應(yīng)是技術(shù)領(lǐng)先，性能不降低或有所提升，系統(tǒng)構(gòu)成的關(guān)鍵部分按著高可靠性設(shè)計，適當(dāng)留有發(fā)展空間。這個原則考慮了數(shù)字控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)，是設(shè)備改造經(jīng)驗的總結(jié)。