摘要：本文首先敘述低成本自動化的概念，系統構成、硬件、軟件和功能選擇原則，特別是先進功能的考慮方法和效益。最后敘述低成本自動化應用的例子。 1.前言 發展工業的傳統方法是投入一些資金以建設新廠或增加設備，增加原料投入和增加人力以達到增產目的，然而這種粗放經營的方式在工業生產中已證明其局限性，特別是在激烈的市場競爭中無論價格和質量部無法取勝。故從60年代開始，西方國家就開始對工業進行改造，特別是重工業和大型廠礦，除組織合理化以外，主要靠技術進步，即新設備、新工藝和自動化及計算機應用，而使各類工業飛速發展，且朝高產、優質、多品種和節能降耗以及低成本方向發展。由于自動化及計算機應用不僅節省人力，更重要的是把工異參數嚴格控制在規定值、監控生產過程，甚至自尋最優而使工藝過程優化，達到高產、優質、節能降耗和降低成本，而且能生產過去不能生產的產品，故自動化及計算機應用不僅是工業現代化的標志，而且是生產必需和關鍵的環節，因此世界各國都努力發展工業自動化。到目前為止，工業自動化已如圖1所示的我級計算機自動化系統，雖然大多數工業，特別是中小企業大都只裝備基礎自動化級和過程自動化級，但這種計算機集成制造（CIMS）結構已成為工業自動化的標準形式。在美、歐、日等發達國家，其大型企業和跨國公司大都實行CIM和CIP技術，然而這種方法需要大量資金，是一種高投資、高效益但同時是高風險的發展模式，很難為大量的中小企業所采用，故運去這些中小企業，甚至一些大型企業往往只實行基礎自動化，然而實踐證明僅有基礎自動化雖然也收到一定效果，但仍然難以滿足生產要求，特別是過程自動化，其優化、監控、預報等功能更是必不可少和能取得重大經濟效益的重要環節，然而傳統的使用VAX型計算機甚至使用Alpha型小型機構成的過程自動化級，其昂貴的硬件和系統軟件以及應用軟件編程的費用也令人望而卻步。 此外，為提高效率和取得重大經濟效益，中小企業也要裝備管理自動化級。就是只實行基礎自動化，對PLC或工控機也面臨： （1）要求降低成本； （2）增加靈活性； （3）增加診斷功能以提高可維護性； （4）縮短程序開發時間和降低其費用，這就要求實現LCA（低成本自動化）系統。 2.低成本自動化的概念 什么是LCA（低成本自動化）？很難有確切的定義，但其本質上是針對中小企業或某些準大型企業，因為大型機組如鋼鐵工業的5000立方米高爐、300t轉爐、1900mm連鑄機、2050mm板帶熱連軋機和5000mm中厚板軋機等，雖然也要求價廉物美的自動化系統，但無論企業產值、效益，對自動化的要求及允許投資占總設備投資的百分數，對裝備完善的自動化系統是不會有問題的（當然，近年來這些機組也采用部分LCA技術了），此外也不能把什么都算低成本自動化或什么自動化都是低成本的，否則將會得出錯誤的概念而不利于實現低成本自動化。 低成本自動化廣義的概念是： （1）其投資可以達到或增加產量或改善質量、節能和降耗目的，并可使資金在1-2年內回收，一般占設備總投資的7-12％； （2）低成本自動化必須是緊湊的、功能是必需的、可用性是良好的； （3）低成本自動化抽粗后，其功能投入率應在95％以上； （4）低成本自動化必須是易維護的且維護費用是較低的，工作是可靠的，在線 率應在95％以上； （5）低成本自動化的投入產出比應是顯著的，應為1：3-5若以投資在1-2年內回收，則設備壽命應為在5-8年； （6）低成本自動化投資應有個相對上限值，在新建廠礦應低于一般規定的占總設備總投資的百分比，對特殊項目應遠低于省市權限批準的資金范圍內。 3.低成本自動化的范圍 低成本自動化的范圍原則上包括如圖1所示的全部功能，即ISO的CIMS標準六級功能，有人認為LCA應針對基礎自動化，這種觀點不僅是錯誤的而且是有害的，特別是新建廠礦，自動化項目的委托及內容往往由工藝人員或主管人員所決定，為節省投資而削減過程自動化，而導致甚至90年代末新建廠礦遠低于世界先進水平，且影響產品質量和成本。如上所述，過程自動化能實現優化、監控、預報等功能，是必不可少和能取得重大經濟效益的重要環節。濟鋼30立方米小高爐實現過程自動化，裝備監控和多目標優化和爐況綜合判斷功能而取得增效益234萬元的良好的經濟效益就是一例。 國外對CIMS的發展，不僅大型企業適用，而且出現中小規模的CIMS，后者就是LCA的范疇，不過裝備不同，功能稍弱而己，對這種觀點，國內不少持異議，然而美國DEC公司和UCE公司在十多年前就介紹了大、小兩種鋼鐵廠的CIMS，后者在CHAPARREL廠的實現支持了本文的觀點。特別是近年來，工控機的性能大大提高，無論內存、快速性和低價格以及支持軟件的低價都將為LCA的CIMS系統創造條件。 4．關于資金回收期的計算 經濟效益和資金回收期計算對低成本自動化是一個重要問題，因為往往由于效益過高而被認為夸張而失去對自動化的信任。根據我們的經驗，比較準確的資金回收期計算使用下列公式是適宜的： 其中，自動化系統基建投資包括設備費、安裝費和運雜志；年維護費應包括備件、材料等費用；維護人員年創經濟效益可按工廠人均利潤計算。 5．低成本自動化的實現 設計低成本自動化系統的本質是精打細算，從功能、系統結構、硬件、軟件、數學模型、經濟效益以及投入產出等各個方面綜合考慮來進行選擇，設計低成本自動化系統時，下列幾個問題是應重點考慮的： 5.1 功能的決定 由于功能影響系統結構、硬件和軟件規模，因而是影響系統投資的關鍵因素。往往認為要省錢就削減功能，僅僅設計某些參數檢測和控制就可以了，其實由于未能滿足生產要求，造成直接經濟損失比之增加自動化投資要大得多，許多自動化系統剛投產就要改造，到了21世紀還是一個很落后的系統而難以滿足生產所需。故低成本自動化系統的功能應該是：滿足生產需要的、關鍵的、必要的和有效益的，要考慮需要性、可能性和先進性等各個方面。 在國際上，在激烈的市場競爭中取勝的關鍵是采用新技術，自動化系統也是這樣，德國西門子公司、日本日立制作所都是標榜：“不斷以新技術為社會服務”。調查研究表明，國外工業自動化的進展或從國外引進的先進自動化系統也不外是在過去的功能加上一些先進控制的功能。以鋼鐵工業的高爐自動化為例，不外是在常規系統加上人工智能預報、更多的數學模型以及一些專門顯示。芬蘭向我國出口多套這樣的系統就已要價數百萬美元。因此可以認為： 常規自動化系統+先進控制=國際先進水平 廣義的先進控制包括智能控制、數學模型的應用、預測控制、H理論和現代控制理論等應用。此外，由于資金所限，往往認為只能作些簡單的功能，其實，如果想辦法，也完全有可能達到先進的水平。筆者從事某玻璃廠的大修自動化工程，其有限資金只能勉強作數據采集系統，我們在數據采集做好監控功能外，裝進一個平板玻璃配料模型，且實行玻璃成份預報，此外還裝設玻璃質量缺陷原因診斷專家系統，而使一個簡單的數采系統變成一個具有先進水平的系統，而且很實用和解決問題。因為，配料對玻璃成份和質量有很大的影響，而人工計算原料成分的變化很費時，而計算機運算則可瞬間完成，它還可預測出平板玻璃的化學成份，使用神經元網絡，輸入生產工藝參數后， 可預測玻璃的物理參數和機械性能，而常規生產則要等幾個小時，直到玻璃生產出來并檢測后才能知道，但已經是無法調整了，更無法調整生產參數以強化生產，這種用模型和人工智能的質量預測是近年來國外發展起來的新技術，已在各個工業部門應用，過去是用統計方法預測成品的物理參數，但對太多的工藝參數就很困難了，而神經元網絡則無問題。此外，玻璃質量缺陷種類很多，原因也很多，不易確定，而玻璃質量缺陷原因診斷專家系統則可使沒有經驗的操作員也可達到專家水平。又例如，在設計某給水站自動化系統時，傳統的系統是監測、越限報警等功能，但為了保證最遠點用戶供水和水壓，給水站出口水壓和泵的使用臺數還得根據用水情況、負荷情況、氣候、白天或黑夜而不同，而需要人工經常調整，為此我們加上一個專家系統，把上述規律寫成規則，由專家系統控制，這樣一來，不僅大大提高了自動化系統的水平，而且可實現無人化，改善了控制質量，用戶滿意，節省電能，因而帶來重大的經濟效益，同時也為自動化系統帶來更高的附加值。 　 有人認為使用先進控制，例如使用專家系統很難，其實不然，根據作者的經驗，只要長期不懈致力于專家系統的開發，方法正確，深入研究工藝知識（事實上許多工藝機組，如爐窯、軋機，其理論基礎都相差無幾，只是與產品和工藝流程不同而有些差別）和了解專家系統知識和善于使用開發工具，積累資料，開發一個專家系統是不大困難的，表1示出了作者開發的幾個專家系統所需的時間。 從表1可以看出，構成專家系統并投入現場所需時間越來越短，序號1是使用C語言編制專家系統骨架（知識庫、推理機等），不僅耗時間，且增添、修改不方便，可靠性也差，以后使用專家系統開發工具，就大大節省時間，且增添、修改也容易，可靠性也好，序列號2就是一例，規則千余條，前后修改3、4次，一次投運成功，達到預定目標。以后由于對開發方法更為掌握，工藝知識更了解，接口、漢化等編程越來越熟悉，使用更先進的專家系統開發工具，采用面向用戶無需編程的專家系統開發工具（附有標準原程序，當自行設計專用界面時，可用此剪貼），故速度越來越快，總之開發一個專家系統，在掌握以后，就不是難事了。 5.2 硬件的選擇 （1）基礎自動化硬件的選擇。傳統的方法是使用PLC或DCS，對于大規模的