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导语:曾经有一个时候,自动化是很高大上的东西。如今,自动化虽然还算不上通俗易懂,但已经是深入寻常百姓家的平常事物了。从空调、电冰箱、电饭煲,到汽车、地铁、民航客机,自动化与人们的生活紧密相连。自动化在工业上的应用也越来越广泛,越来越重要。我们已经离不开自动化了,自动化更离不开我们。



那么......

问题来了

我们为什么离不开自动化?


一般认为,瓦特发明的离心调速器是现代自控的始祖,但过程工业也是现代自控的重镇。从继电器和PID控制开始,现代过程控制已经走过了很长的路,但人们对现代过程控制的认识并不完全与时俱进,学术界还是工业界都容易对现代自控作用的认识有偏差。学术界对现代自控的概念在相当程度上还局限于无约束连续过程,约束和间隙过程是作为特殊情况考虑的。工业界则经常存在把自控当成水电气一样的一般保障性服务设施处理,没有多少要求,只要不出毛病,随叫随到。水电气一旦出了故障,天下就要大乱,但这不等于水电气就比什么都重要。在正常情况下,这只是“视而不见”的部分,甚至被看作必要的负担,但现代自控的作用已经超过一般性保障,而是安全、高效生产的有机组成部分了。

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瓦特发明的离心调速器是现代自控的始祖


在传统上,自控只是工艺要求的被动执行者,“领导叫干啥就干啥”。工艺和操作确立了最优工艺条件后,自控把过程维持在这个条件,这就尽责了。但自控和工艺实际上是互动的。在收益固定的情况下,产品质量不是越高越好,而是越逼近正品指标的下限越好,因为“刚好达到正品”一般和最低的能源、物料、时间消耗是一致的。实际过程都有自然的波动,最大限度地缩小波动幅度,就可以最大限度地逼近下限,提高经济效益。这是对自控的经济效益的传统理解。但这有时还不足以提供改善自控的经济动力,因为在对产品质量和经济效益要求不高而且劳动力成本低下的粗放式市场,降低开支、增加产量对总体效益的作用更大,增加劳动强度对产量的作用更加直接,不需要自动化。这也是自动化在技术和经济相对落后的地方不容易得到重视的重要原因。


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增加劳动强度对产量的作用更加直接


对发达国家和成熟的市场来说,现代工业已经过了粗放经营的阶段了,容易收割的都收割得差不多了,简单地扩大再生产的边际效益下降,劳动力成本上升也使得用劳动力投入和劳动强度换产量的做法成为死路,需要最大限度地挖掘设备和工艺的潜力,才能保证最高效益。换句话说,设备能力最好都要用到极限。实际上,设备在对于不同产品和不同生产条件下的极限是不一样的,所以不大可能出现所有设备同时达到极限的情况,卡住整个生产过程进一步发挥效能的瓶颈是随产品和工况转移的。工艺上会设法在某一瓶颈设备达到极限时,使其他设备也尽量靠近极限,达到总体最高效率。但这对自控带来很大的问题。从自控的角度来说,所有设备都处于50%的工况最好,控制的自由度最大。自控说到底是把外界的不利扰动转化为自己可以主动运作或者吸收的无害扰动。主动运作或者吸收的空间越大,控制能力越强,对控制律的要求也就越低,控制系统的性能越容易保证。天气变化的时候,随时增减衣服,可以保持体温舒适。扰动说到底就是变化,就是对“正常”的偏离。天气变化是外界扰动,增减衣服是可操作的无害扰动,但如果再也没有衣服可以增减,那就只能硬挺了。


接近极限的情况正如没有衣服可换的情况。实际的控制阀是不可能超过100%或者低于0%开度的。电动机转速也是一样,全速了就是全速了,再多一点也不行;低于最低转速也一样不行,再低的话电动机索性罢工了。但控制量受到约束只是一个情况,被控变量受到约束是另一个情况。比如核反应堆的温度不能超过极限,超过了就要灾难临头,这个时候只有采取极端措施和紧急疏散了。在损坏极限之前,一般设定一个警报极限,到达警报极限就要采取额外措施,确保温度不至于升高到损坏极限。在警报极限之前,通常还要设置一个控制极限,达到控制极限的时候,需要加强控制,以避免升级到警报极限的情况。加强控制可以通过复杂控制律实现,也可以通过辅助变量实现。比如说,在淋浴的温度调节中,热水流量是主要手段,但热水不足时,调节冷水流量也是可用的辅助手段。工业上常有主要手段“黔驴技穷”时还有辅助手段可用的情况,但这对控制律的要求大大提高,不仅要避免主要控制手段和辅助控制手段打架的问题,还要考虑两者之间经济效益差别的问题。比如说,热水开过头了,用冷水辅助降温,温度是达到要求了,但热水烧热是需要能源的,这样的温控就浪费能源了。辅助手段之所以是辅助手段,控制效率是一个方面,经济效益常常是另一个方面。约束控制是现代大生产的一个普遍挑战,做好了,这可以把设备效率发挥到最大限度;做不好,要么束手束脚不敢放开发挥设备潜力,要么时不时失控,影响生产甚至安全。这是自控彰显英雄本色的一个重要场合。


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约束控制是自控彰显英雄本色的一个重要场合


自动化常常被简单化地理解为节约人工,这是不对的。但高度自动化也确实可以由较少的人完成较多的事。而且这不仅仅是节约员工开支,更重要的是强化了任务完成的整体性。


人们常说:人多力量大。但更多时候,尤其是头绪繁多、时间紧、任务重的时候,人们也会感慨:人多手杂,互相碍事,还不如自己辛苦点,一个人统统干掉得了。人不是越多越好的。几个人干一件事,不仅要分工明确,交代清楚,还要分别监督执行,确保完成,这样才能在最后整合成完整的结果。一个人统统揽下来,该干什么,不该干什么,什么时候干什么,反而可能头绪清楚、条理分明,避免了三个人三个主意争执不休或者沟通不灵、执行不力的烦恼。但前提是一个人能够干得下来。


传统上,这要由一个有经验的工头或者工段长负责,指挥几个得力的人手,分头干活。但人是活的,升迁、调动、跳槽、生病、家务都可能造成得力的人不在,只能由不够得力的人顶班,影响合作和工作质量。这就是自动化的用武之地了。自动化系统不管是不是能达到得力人手的水平,至少行为是始终一致的、可靠的,永远时刻听从调遣的。连续过程的自动控制加上复杂规程的自动化,配合以有效的人机界面和警报管理,是较少精干操作人员有效控制一大片过程的关键。这样的高层次“大权独揽”是现代大工业高效运作的关键,而自动化在这样的环境里不是水电煤气那样默默无闻的配角,而是操作人员的眼睛、耳朵和手脚。离开高效的自动化系统,操作人员便无所适从了。


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离开高效的自动化系统,操作人员便无所适从了


自控的另一个用武之地是间隙过程。现代生产过程很多都是连续过程,也就是说,进料和出料连续不断,工厂常年连续运转。这和基于连续动态过程的传统控制理论是一致的。问题是,即使在总体上连续的大化工中,也有具体的间隙过程。比如说,设备需要定期大修,就需要停车、开车。过程越复杂,热效率和物料利用率越高,开停车的程序越复杂。不仅整个生产过程有开停车问题,连续过程内的主要设备也有轮流开停车问题。比如乙烯装置有多个裂解炉,从七八个到十几个不等,乙烯装置大约每4~5年大修一次,但裂解炉需要定期除焦。假定七八个裂解炉,典型除焦周期为三四个月,七八个裂解炉轮流除焦的话,也就是每两三个星期就要做一次,这就是间隙操作。除了除焦过程本身是间隙过程外,除焦的前后还有把除焦炉退出生产和重新加入生产的过程。把一个裂解炉退出生产前,需要有序地降低总产量,这样除焦炉退出生产时,其他裂解炉才能重新平衡,补足空缺,避免下游过程经受不必要的波动。重新加入生产时,其他裂解炉也要重新平衡。所有裂解炉都回到正常工作状态时,再有序地增加总产量,恢复全速生产,直到准备对下一个裂解炉除焦。整个过程需要确保无扰动。这是一个很复杂的间隙过程,其中大间隙过程里还要套小间隙过程。


裂解炉除焦的步骤多,但没有时间上太紧迫的环节,聚乙烯装置就不一定有这样气定神闲的机会了。聚乙烯过程的产品品种多样,如果需要用到的不同催化剂之间互相有毒化作用,两者难以共存,产品转换就需要把反应器停车换料后重新启动。为了降低积压资金,同时保持较短的交货时间,装置只有频繁开停车,转换产品线,有时每两个星期甚至更短就要来一次。停车过程有很多步骤不说,还有一个关键期,在这段时间里要迅速、正确地采取一系列步骤,否则可能造成设备物料沉积甚至固化,后面就无法正常工作了。开车时更有关键的几分钟,聚乙烯是放热反应,整个过程的热平衡取决于及时建立正常的反应。如果在建立反应的过程中中途熄火,或者反应不死不活,必须果断采取措施,要么加火烧一把,要么撤火重来,最忌讳的就是犹豫不决。聚乙烯反应器的自动停车、开车不仅步骤复杂,还有严格的时间要求,必须动作快、动作干脆,否则会弄巧成拙。


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裂解炉除焦和聚乙烯反应器开停车是两个典型的间隙过程例子


裂解炉除焦和聚乙烯反应器开停车是两个典型的间隙过程例子。由于操作的复杂性和操作错误后果的严重性,人工操作常会由于过于谨慎而动作犹豫,不仅延长时间,损失了本来可以用于生产盈利的时间,增加了不必要的能源和物料消耗,也延长了设备处于非设计状态的时间,增加磨损、积垢和其他不利后果。复杂过程的自动化不仅可以减轻操作人员的负担,缩短非盈利运行时间,减少能耗、物耗和设备损耗,还有助于延长设备寿命。这是自控彰显英雄本色的另一个地方。


聚乙烯装置的主要产品就是乙烯,但在乙烯制取过程中,有很多副产品,乙烯和副产品的产出比率可以通过改变生产条件来调整。聚乙烯装置的通常要求是乙烯产率最大化,但并不是永远这样。市场的情况在不断变化,乙烯和副产品的相对价格也在不断变化。为了使收益最大,应该不断调整乙烯和副产品的比率,有时增加副产品的产出反而总利润更高。另外,最高产量和最低成本并不一定重合,如果产品卖得好,就可以相对少考虑成本而尽量增产,甚至可以推迟除焦而抓住眼下市场价格高的窗口尽量生产;如果市场销售不好,就应该降低产量而以最低成本模式生产,或者提前除焦,为后面机会窗口重开时开足马力做准备。这就是全装置的综合实时最优化(RTO)的用武之地,市场和设备状态成为输入变量,全装置工艺条件成为输出变量。这是比传统的狭义自控更高的层次,属于广义的自控了。


超出过程工业,自控的作用就更加高调了。传统的飞机是按静稳定设计的,由于重心在前,升力中心在后,遇到气流扰动而上扬或者下压的话,会自然恢复平衡。静稳定性随速度增加,高速飞行时容易造成过稳定问题,那样飞机的机动性很糟,而且有显著的配平阻力。降低静稳定性的话,高速飞行时依然自然稳定,但不再过度稳定了,机动性改善,阻力也降低。但在低速飞行时,就可能稳定性不足,必须有先进的飞控才能保持稳定飞行,否则还没到高速飞行进入自然稳定状态,已经七歪八倒了。


另一个例子是鸭式三角翼飞机。无尾三角翼的优点在20世纪50年代就熟知,但起飞着陆速度大,持续盘旋容易掉速度,用鸭式前翼能够补偿。但鸭翼的气动作用比较复杂,容易弄巧成拙,所以早期只是把鸭翼当作固定的扰流片使用,像瑞典的萨博的“维京”和以色列的“幼狮”就是这样的。只有与先进飞控相结合,采用全动,鸭翼才能完全发挥作用。飞控水平越高,鸭翼的作用发挥得越充分。欧洲“两风”、成飞“两龙”都是成功的例子。


自控对于导弹和宇航的作用更是自不待言,没有自控,就谈不上导弹,那只是按照固定弹道飞行的无控火箭,有点风吹草动的各式扰动的话,连固定弹道都谈不上,说不定就布朗运动了。宇航对自控的要求更高,失之毫厘,差之千里,速度、加速度、指向、时机都要严格控制,否则宇航飞船就回不了地球,或者向月球发射而跑到火星去了。

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