一、概述
      在冶金、機械制造等行業(yè)的工業(yè)企業(yè)中，大量應用的是可控硅控制系統(tǒng)及其它模擬控制系統(tǒng)。上世紀在80年代后期安裝的設備雖然有的采用上位機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、調整維修困難、效率低等問題。
      新的數字系統(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)、機器視覺系統(tǒng)等，基礎自動化部分采用變頻器或集成的全數字直流控制器等新型數字單元或器件，在信號的采集與處理方面，可編程器件及嵌入式技術的應用，極大地提高了精度和可靠性。數字系統(tǒng)具有優(yōu)越的性能，調試容易，采用開放式技術，多方產品以協(xié)議方式連接，產品豐富，與計算機及網絡技術緊密結合，易于實現生產過程的監(jiān)控和管理網絡化，具有可發(fā)展空間等。因此，許多企業(yè)已在著手用新的數字系統(tǒng)改造已有設備。改造成功的例子很多，但數字化改造并非是解決現有設備問題的萬能策略，在舊系統(tǒng)的取舍，整體還是局部改造，新系統(tǒng)配置，工藝、機械設備與新系統(tǒng)的銜接等方面仍然存在許多問題，如設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，企業(yè)要根據已有裝備情況，對控制系統(tǒng)數字化改造的可行性進行充分研究。尤其應注重的是，對設備原有問題的解決方案一定要明確、富有針對性，適當選用數字技術產品，合理利用新技術，使改造方案符合實際，有效地解決存在問題，形成新的加工能力和使用性能，改善產品結構和質量。
      二、根據存在問題的根源研究改造方案
      可以分為設備經過長期運行出現的問題以及舊系統(tǒng)不能適應新的加工要求兩種情況，分析過程如圖1所示。圖中雙線框內為問題的末端，就現有數字化單元產品而言，從開發(fā)費用及產品性能價格考慮，不必對改造部位進一步細分，可視為問題的根源。

    圖1  設備存在問題的原因分析

      圖1中，除機械構成方面問題、加工工藝問題和電動機、執(zhí)行器問題外，其它末端如果是制約生產、應用的問題，從原理上都可以考慮通過數字化改造解決，這是尋找問題根源的主要方向，因設備構成千差萬別，出現的問題多種多樣，還要具體地加以分析?？傮w上，就是從根源上開始設計改造方案，并采用相應的技術和器件，同時，不能忽略細節(jié)或次要問題而遷就主要問題，一個完整的改造方案，應當是主要問題重點對待，次要問題也要一并解決。也不能機械地生搬硬套，單純地去追求配置的層次和結構。
      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，進而帶動全面改造，避免盲目性和追求形式，使改造扎實有效。
      三、工藝銜接與控制技術銜接
      一般情況下，與原工藝比較，如改造后加工工藝不變，只要嚴格按著工藝要求設計參數，重新投產后，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，則應去除不合理部分，補充新內容，再進行全面的分析、計算，有條件應做充分的試驗和咨詢，否則，盲目實施可能使改造失敗。
      新的數字系統(tǒng)是在模擬系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的，器件性能水平已經高度發(fā)展，比如已經用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、控制點參數，通常具有較寬的使用范圍和適應能力。以ABB公司的DCS系列數字直流控制器為例，只要輸入電機功率等參數，即可直接驅動，無須整定速度環(huán)、電流環(huán)的時間常數，實際的驅動效果通常能夠滿足要求。值得注意的是數字的輸入不同于模擬系統(tǒng)的電阻、電容參數直觀，實際調整仍需要按新系統(tǒng)的工作情況重新摸索，以達到最佳效果。與模擬系統(tǒng)的維修工作比較，在通常條件下，企業(yè)自己維修數字系統(tǒng)的難度較大，因此，應著重考慮單元電路的通用性及后續(xù)備品的供應，不必大量儲備電子元件。數字系統(tǒng)的控制及數據信號是以總線、編碼等形式傳遞，具備相關技術，依靠計算機、專用設備才能看到傳遞過程，對于維護水平的要求有所提高，在數字改造的同時，維修人員的技術層次也應提高，適應新技術。
      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)境能否適應等。比如，選擇觸摸屏還是按鈕，用鼠標點擊操作還是直接用電位器，采用高配置時一般采用前者，但在實際使用時，由于組態(tài)軟件龐大，屏幕上用鼠標拖拽時，系統(tǒng)有一個計算過程，因此有滯后現象。窗口上指令數值的遞增、遞減速度，編程時已設定好，有時需要快速回復時，鼠標操作遠不如電位器及時準確。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，有的同時設置兩套操作設置，提高了設備造價。因此，盲目追求豪華配置，不是最優(yōu)的改造方案。
      從技術角度看，響應速度、可靠性是主要方面，例如，冷軋機中，模擬電路的厚度AGC自動控制單元，涉及環(huán)節(jié)多，響應要求快，應用PLC改造這一系統(tǒng)時，要選擇高端、高速產品，以適應需要。由于位置、壓力采樣及液壓伺服系統(tǒng)驅動仍為模擬電路，經模一數轉換，PLC內部軟件的乘法、比例積分計算，從實際的動態(tài)性能、響應速度看，數字系統(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，主要的實時、高速單元仍可以考慮保留，否則，只有提高費用，選擇高性能配置，才能夠達到或提高性能指標，這是改造能否取得成功的關鍵。從產品可靠性看，應盡量選擇同一公司、正規(guī)品牌產品，在應用中兼容性好，可以互相比較，利于系統(tǒng)可靠運行。
　　實踐證明，落實配置方案時，本著性能第一、方便操作的思路選擇配置，既可以節(jié)約費用，又能夠取得良好的改造效果。
      五、采樣方法升級與冗余設計
      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，轉速脈沖發(fā)生器已達每轉萬次以上，溫度、壓力信號經過變送器以4一20mA電流或其他標準電壓信號輸出，這些信號通過高速輸入端或擴展接口直接接入PLC，檢測精度高，抗干擾性好?？删幊烫幚砥髑度氩蓸訂卧ㄟ^RS485接口及現場總線與主PLC通信，使采樣更靈活、可靠。機器視覺系統(tǒng)的應用，實現了采樣智能化。充分利用這些新的采樣技術，是數字化改造所必須的，如采樣方法不升級換代，不應用相應水平的采樣器件，改造的效果可能受到影響。
      數字系統(tǒng)的可靠性有時通過系統(tǒng)冗余設計得到保障，一個大型、復雜數字系統(tǒng)運行時，與模擬系統(tǒng)比較，出現故障的情形有所不同。模擬系統(tǒng)一般是以分立器件為主，故障點可以通過測試查出后，更新修復。數字系統(tǒng)多以程序停止運行，系統(tǒng)自診斷發(fā)現錯誤為多，關鍵部位冗余，既可以解決運行中的故障、保存數據，還能夠實現離線維修，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性，是大型系統(tǒng)數字化改造中應充分考慮的。
　　采樣方法升級與冗余設計有時被忽視，有的為節(jié)省投資而放棄，或者在設計時未作考慮，這方面是應引起重視的，對于從事危險作業(yè)及保安級設備，可靠性設計是極其重要的。
      六、機械部件情況與改造效果
      舊設備經多年使用后，機械部分會出現松動、磨損及間隙配合超差等間題，按原設計的機械慣性、摩擦阻尼等參數設計、計算新系統(tǒng)的模型和數據時，應適當加以補償、修正，以達到最佳控制效果。對于機械構成已嚴重缺損的，建議首先修復機械設備，然后再測算、設計改造方案。如果機械構成狀況不好，經過數字化改造后，設備的性能、控制效果仍然不會好。
      七、PLC、組態(tài)軟件及數控產品的選擇
      目前市場上，各檔次、系列的數控產品很多，一般地，著名大公司的產品系列齊全，各地代理商多，備件、售后服務要好一些，普通的產品價格占優(yōu)勢，企業(yè)可根據自身情況進行選擇。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、日本的系列產品。通常，由于各公司的產品宣傳和商業(yè)運作，使使用者不知哪一家的產品更好一些，最好的辦法是咨詢一下同類設備改造成功的企業(yè)和同類新設備的用戶、開發(fā)制造者，借鑒他們的使用經驗比盲目選用更為可靠。
      八、避免成為試驗設備
      數字化改造如同設計一個新設備的控制系統(tǒng)，有時比為新設備配套設計更難，新設備的設計制造者通常具有多次開發(fā)同一類設備的經驗，成功率較高。擬定改造的舊設備，通常已經出廠多年，原設計的構成、控制方法已落后、淘汰，委托一些院所進行改造設計，對他們來說，要在舊系統(tǒng)的基礎上重新研究設計，是新項目、新課題，往往沒有充分的試驗數據和開發(fā)經驗，改造成為一次試驗。因此，在項目招標時，要對參與競標的院所進行考察，看他們改造該類設備的業(yè)績和成功的范例，避免交給首次開發(fā)者成為試驗設備，這方面出問題的企業(yè)例子很多。
      九、結束語
      隨著市場經濟的發(fā)展，企業(yè)都在考慮裝備的升級換代，以提高競爭力。舊設備經過改造，達到了新的生產加工能力，節(jié)約了購置費用，這是好的措施。要注意的是，一定要認真研究改造中的問題，形成可行的方案，否則，舊設備改造后成為廢品，企業(yè)將遭受損失。數字化改造總的原則應是技術領先，性能不降低或有所提升，系統(tǒng)構成的關鍵部分按著高可靠性設計，適當留有發(fā)展空間。這個原則考慮了數字控制系統(tǒng)和網絡技術的特點，是設備改造經驗的總結。