计算机应用技术在工业生产中的应用

计算机应用技术在工业生产中的应用

中国科技大学信息学院6-0636班陆佳指导老师戴伯秋

摘要：目前，一些大型化工业，生产过程采用计算机控制，实现了生产过程的自动化，但是往往忽视了企业的自动化管理。本文介绍了计算机网络管理（PCNM）系统，可以方便的与过程控制计算机相互交换信息，又可以同企业内部原有的计算机网络连接，形成计算机一体化的生产系统，实现了工厂的计算机控制与信息管理的一体化。又介绍了仿真技术在工业生产中的一些作用，从而使我国的自动化物流系统迈向国际先进水平的行列。

一、概述

纯碱是基本化学工业中产量最大的产品,是用途十分广泛的工业原料,在国民经济中占有非常重要的地位。随着我国国民经济的飞速发展,对纯碱的需求量不断增大,为了满足市场需求,除了扩大生产规模外,还必须进一步发掘生产潜力。

山东潍坊纯碱厂是一个新建厂,设备先进,但纯碱生产大部分还是人工操作,落后的操作法法已不能适应生产发展的需要。为了解决先进设备与落后操作的矛盾,稳定生产,提高原料利用率,降低能耗,增加产量,碱厂从美国霍尼韦尔公司引进具有先进水平的TDC-3000集散型控制系统,并用于制碱生产的心脏工序--重碱碳化工段,以实现工业生产的全局控制。

工业生产的全局控制包含着两层意义,一是指生产过程的自动化,二是指企业管理的自动化。生产过程的自动化指的是生产过程采用计算机控制,用计算机自动调节各生产要素,做到产品的高产、优质与低耗。企业自动化管理指的是调度、经营与决策的自动化,就是把当前生产的全部信息汇总起来,使管理决策者能够对全厂的生产、经营进行整体安排与调度,以期取得全厂各部门生产活动的协调进行,达到整体效益的最佳工业过程。全局控制系统可分为以下4级:

1.直接控制级过程控制计算机直接与现场各类装置(如变送器、执行器、

记录仪表等)相连,对所连接的装置实施监测、控制,同时它还向上与

第二级的计算机相连,接收上层的过程管理信息,并向上传送装置的

特性数据和采集的实时数据;

2.过程管理级过程管理计算机(主要有监控计算机、操作站、工程师站

等)综合监视过程各站的所有信息,集中显示操作,控制回路组态和参

数修改,优化过程处理等;

3.生产管理级管理计算机根据生产过程的特点与需要,协调各单元级的

参数设定,是生产过程的总体协调员和控制器;

4.经营管理级与办公室自动化连接起来,担负起全厂的总体协调管理,

包括各类经营活动、人事管理等。

上位机系统在整个控制系统中属于第三级(生产管理级),它既可以方便地与过程管理计算机相互交换信息,又可以同厂内现有的计算机网络连接,形成计算机一体化生产系统,实现工厂的信息管理一体化。

二、系统目标

由于纯碱生产是人工操作,生产数据全部由手工记录,数据错综复杂,误差较大,给管理人员协调各部门生产、优化控制过程造成很大困难。为了使碱厂在运行工况、设备状态、故障处理等方面都处在合理、优化的状态,合理的生产运行和经营管理已越来越显得重要,而现有的管理水平离一个现代化企业所要求的目标还相差很远。针对这种状况,确定了本系统的目标为:

1.利用TDC-3000系统提供的计算机网络接口(CG),上位机可以通过网

络服务器实时采集现场数据;也可以读取存贮在TDC-3000系统历史

模件上的历史数据。上位机将采集到的数据进行加工、处理、分类

后,再把它们存放到上位机的碳化塔生产历史数据库中。此数据库可

以保存一年以上的生产数据。管理人员可以通过上位机提供的查询

手段,调出所需要的历史数据。上位机自动生成碳化塔生产的班报

表、日报表等,避免因手工记录出现的数据误差较大的现象,大大提

高碳化塔生产的科学管理水平。

2.本系统局域网采用的是五用户以太网,即系统可以同时连接5台上位

机,而每台上位机都可以对历史数据库中的数据进行操作,实现数据

共享。另一方面本网络系统可以与厂内现有管理信息系统相连,从而

将全厂的科学化管理提高到一个新水平。

随着电子技术的飞速发展和迅速普及，计算机已广泛应用于科学研究、航空航天、国防、工业辅助设计、辅助生产、农业、气象、通信等各个领域。其中大型工业现场的自动控制问题更是与计算机和可编程序控制器密不可分。首先让我们看看工业现场有何特点?

1.生产过程工艺参数种类多，数量大。如温度、压力、流量、电压、

电流等数据需要采集、记录、分析与判断。

2.需要操作大量的运转部件及设备，如电机、油泵、阀门、电磁控

制装置、液压、气压启动装置等，要求操作准确。

3.生产工艺过程有时要求长时间连续工作。如下面所提到的干燥过

程通常需要几十小时甚至上百小时。

4.生产工艺过程随时可能出现突发事件，比如温度或压力突然超出

设定范围，要求立即处理。

三、控制过程要求具有可靠性

工业现场的上述特点要求提高工业控制的自动化水平，减轻劳动者的劳动强度，计算机和可编程序控制器可以很好地满足这些要求，因而在工业生产中得到了广泛应用。

四、工业计算机和可编程序控制器

工业现场为计算机应用提供了广阔的领域，但普通计算机用于工业现场具有抗干扰能力弱、可靠性低、防护性能差等不利因素，因而工业用计算机(简称IPC)应运而生，它除具有普通计算机的软硬件功能外，还具有抗干扰能力强、可靠性高、防护性能好并采用了防尘屏蔽措施，同时，根据工业上多种信号参数的要求，设计提供了多种信号输入、输出接口板卡，可以方便地满足工业现场控制要求。根据使用厂家的要求及工业现场的具体情况，所选择的工业计算机型号也有所不同，但一般应选IPC586型以上，其价格略高于具有相同配置的普通计算机。

可编程序控制器(简称PLC)是专为在工业环境下应用而设计的，它采用可编程序存储器，通过内部可编程序存储器，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算等全面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入、输出控制各种类型的机械或生产过程。其特点是：具有工程化的编程语言和很高的可靠性。目前，国内外均有生产PLC的厂家，PLC的价格与其所提供的控制点数有关，30～40点的PLC 大约在3000元左右。

两种控制系统比较，具有不同的特点和优势：工业计算机具有性能先进、软件完善、编程控制方便、多种工业控制量接口板卡、功能强大、抗干扰能力强等

特点。不足之处编程语言工程化方面较差，装配外接输入、输出板卡易出现问题。可编程序控制器具有编程语言简洁、明快，符合工程控制思路，系统统一、完备、具有高可靠性。不足之处是编程软件方面不如计算机方便、功能强大，工业控制量的接口方面略显不足。因此，在工业控制系统中，同时采用工业控制计算机和可编程序控制器共同执行控制，具有优势互补的效果，使控制过程更加可靠、方便。

计算机仿真技术在我国自动化物流系统中的发展和应用；根据在烟草物流系统的应用实例，介绍计算机仿真的基本步骤和方法；并阐述了未来计算机仿真技术在我国物流行业中的重要地位和发展前景。

计算机仿真就是利用计算机运算系统的数学模型来达到对被仿真系统的分析、研究、设计等目的。仿真技术是集计算机技术、多媒体技术、通讯技术、控制技术于一身的现代高科技，它能仿真出一个其实的环境，一种真实的感受，可应用于宇宙飞船、核电站、飞机、轮船等大中型高精密仪器操作者的仿真训练，也可应用于我国正在兴建的自动化物流系统的规划、设计、模拟、演示和分析。

自动化物流系统是集光、机、电技术为一体的复杂的系统工程。能够实现物料传输、识别、分拣、推码、仓储、检索和发售等各个环节的全程自动化作业。该系统主要包括：自动化高架立体仓库系统（AS/RS）；自动化输送机输送系统（Conveyor Systems）；自动导引车和/或往复式穿梭车系统（PathMover Systems）；逻辑控制系统（PLC）和计算机集成化物流管理系统等。

五、我国自动化物流系统应用计算机仿真技术的必要性

随着物流行业生产自动化水平的不断提高，生产系统越来越复杂，生产节奏越来越快，生产管理者对生产改进的每一决策，都需谨慎考虑。措施不当，往往需要付出高昂的代价。而正是由于系统的复杂性，快节奏和柔性，要想预测每一个决策给系统带来的后果，已经是人的大脑无法胜任的了。计算机仿真技术正是弥补了这一不足，成为自动化物流系统管理者的有用工具，成为生产系统规划设计人员的得力助手。

对我国兴建的自动化物流系统应用计算机仿真技术，不仅可以避免建立物理试验模拟系统的投资，减少设计成本，而且可以通过计算机技术进行精确计算和验证分析，提高系统方案的可行性。根据物流中心的工艺设备参数和工艺流程建立起来的计算机仿真系统，可以形成直观立体的三维仿真动画，提供生产系统的生产量，确定瓶颈位置，报告资源利用率。还可以被用来支持投资决定，校验物流系统设计的合理性，通过对不同的物流策略进行仿真实验来找出最优解。仿真运行结束后可根据统计数据生成仿真报告，显示各个物流设备的利用率、空闲率、阻塞率等数据。可根据仿真报告提供的数据对物流系统的优缺点进行判断，做出科学决策。

六、计算机仿真技术在烟草自动化物流系统中的应用实例

中邮科技有限责任公司在烟厂片烟自动配方库、辅料平衡库以及成品库的自动化物流系统规划设计中成功的应用了计算机仿真技术，取得了很好的效果。应用计算机仿真技术规划设计的柳州卷烟厂自动化物流系统，已经于2003年6月实际生产运行，该自动化物流系统流程通畅，完全能够满足柳州卷烟厂物流系统的实际需求。应用计算机仿真技术规划设计的北京市海淀区烟草自动配送系统也已经安装调试。应用计算机仿真技术规划设计的南宁卷烟厂自动化物流系统，也已经设计完成，该自动化物流系统正在建设中。

七、计算机仿真的基本步骤和方法：

1.选择合适的计算机仿真软件

适于物流仿真的软件有许多，要根据自己的实际情况和需要进行选择。中邮科技公司采用美国物流仿真软件AutoMod10.0为平台。该软件主要的模块如下：

Conveyor：含积放式传输系统，非积放式传输系统，滚筒传输系统、皮带传输系统以及链条输送系统等。可以设定系统的速度、加速度、减速度、宽度、斜坡等参数。

Pathmover：用于沿路线或轨道运动的模型汽车，如人工驾驶的升降机、自动导引车AGV、往复式穿梭车等。

AS/RS：自动仓库存取系统，通过选取货架的规格（巷道数目、排、层等），定义出入库的位置，设定存放货物的区域，以及设定堆垛机的参数（速度、加减速度、取放货物时间等），来定义一个AS/RS系统。

Kinematic：模拟机构的简单运动。在实体造型中，定义机构的运动和自由度，详细模拟实体的机构动作。如模拟码盘机器人的码盘动作、机械手的动作等。

Bridge Crane：在轨道上的起重机通过移动来拾起或放下货物。如物流系统中的起重、搬运装置。

Power & Free：与Conveyors类似，但是所处理的货物是悬挂着的，而不是沿输送机移动的货物。一般采用铰链悬挂在链条上的空中货车。

Tanks & Pipes / Trains：传递的物体形态是液体或气体，如啤酒、饮料、煤气等工业中的配制、生产、传输等。

AutoView：可以允许用户通过AutoMod模型定义场景和摄像机的移动，产生高质量的A VI格式的动画。用户可以缩放或者平移视图，或使摄像机跟踪一个物体的移动，如叉车或托盘的运动。AutoView可以提供动态的场景描述和灵活的显示方式。

Autostat：用于分析仿真后的结果。根据要实现的目的，如系统内采用的AGV的数量、操作工人的数量、传输系统的速度、车辆的速度等等，都可以用来作为优化的对象，生成产量、成本、利用率等图表。

2.建立仿真模型

根据自动化物流系统的需求和工艺流程建立系统的计算机仿真模型，并确立系统基本设备的运行参数。

3.编写逻辑控制程序

根据系统的工艺流程和系统的逻辑控制关系，以及物料流动过程中，设备处理该物料所需的时间等编写逻辑控制程序。

4.运行仿真系统

根据物流系统的需求流量，计算出物料出现的时间频率，把这个频率值输入系统，即可运行此仿真系统。仿真运行时间可以根据实际物流系统的生产班次，也可按照最大物流量进行模拟。

5.仿真结果分析和优化

根据流程运行结果，进行分析，系统是否存在瓶颈，流程是否畅通，物流量能否满足需求。根据最后的数据统计结果，分析物流量能否满足需求。如果系统运行后，结果有不理想之处，要根据相应的原因，调整方案或者改变参数，直至满足物流系统的生产需求。生成三维动画输出结果及仿真报告，提交给自动化物流系统的管理者和设计者，进一步优化和完善。

由于采用计算机仿真技术，系统规划设计周期短，投资者在实际生产系统未建立前就能够直观地看到并了解系统实际运行的全部信息，因此，使投资者和系统方案设计者对方案的实际运行便于直接调整和改进。合理的物流系统方案是建立一个科学的物流系统的前提。

八、计算机仿真技术在物流行业中的发展前景

我国的计算机仿真技术目前已广泛应用于电力、航空、通信、交通运输、军事、化工、生物、经济等各个领域，并且，随着计算机仿真技术的发展将发挥更加重要的作用。

在我国的自动化物流系统中应用计算机仿真技术，不仅能够大大缩短物流中心的规划设计周期，还可根据计算机仿真结果对方案进行优化。在开放的人机界面上，可以看到未来实际生产过程中系统设备的全时空信息，看到未来的生产现场中各输送、存储设备和AGV、穿梭车、堆垛机、辊道等的状态，仿真系统将反映系统中发生阻塞和瓶颈的位置和情况。可以改变参数输入，通过模拟生产情况及波动对系统造成的冲击，从而避免了在理想化状态下系统设计所无法预料的各种因素，对系统的堵塞有着形象和直观的解决方案。在系统未投资建立之前，就可全方位地了解未来自动化物流系统的实际流程和生产信息。

由于我国现代物流产业刚刚兴起，因此，在规划设计自动化物流系统中应用计算机仿真技术，不但可以避免新上马的许多物流项目的重大失误，而且可以使我国新建的自动化物流系统更科学更合理。只有进行了计算机仿真的自动化物流系统，才能真正地为物流企业解决实际问题，规划和设计出切实可行的工艺方案，才能使我国的自动化物流系统迈向国际先进水平的行列。

参考文献

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