图1  设备存在问题的原因分析

      图1中，除机械构成方面问题、加工工艺问题和电动机、执行器问题外，其它末端如果是制约生产、应用的问题，从原理上都可以考虑通过数字化改造解决，这是寻找问题根源的主要方向，因设备构成千差万别，出现的问题多种多样，还要具体地加以分析。总体上，就是从根源上开始设计改造方案，并采用相应的技术和器件，同时，不能忽略细节或次要问题而迁就主要问题，一个完整的改造方案，应当是主要问题重点对待，次要问题也要一并解决。也不能机械地生搬硬套，单纯地去追求配置的层次和结构。
      从问题的根源入手，去分析改造模式，容易找到改造的切入点，进而带动全面改造，避免盲目性和追求形式，使改造扎实有效。
      三、工艺衔接与控制技术衔接
      一般情况下，与原工艺比较，如改造后加工工艺不变，只要严格按着工艺要求设计参数，重新投产后，就能够满足加工工艺要求。如果原工艺存在问题，或本次改造对加工工艺改动较大，则应去除不合理部分，补充新内容，再进行全面的分析、计算，有条件应做充分的试验和咨询，否则，盲目实施可能使改造失败。
      新的数字系统是在模拟系统的基础上发展起来的，器件性能水平已经高度发展，比如已经用IGBT、GTO取代了SCR。单元集成度很高，MCU、PLD、DSP等可编程芯片和数字电路广泛采用，系统各单元的整定仅须键入功能选项、控制点参数，通常具有较宽的使用范围和适应能力。以ABB公司的DCS系列数字直流控制器为例，只要输入电机功率等参数，即可直接驱动，无须整定速度环、电流环的时间常数，实际的驱动效果通常能够满足要求。值得注意的是数字的输入不同于模拟系统的电阻、电容参数直观，实际调整仍需要按新系统的工作情况重新摸索，以达到最佳效果。与模拟系统的维修工作比较，在通常条件下，企业自己维修数字系统的难度较大，因此，应着重考虑单元电路的通用性及后续备品的供应，不必大量储备电子元件。数字系统的控制及数据信号是以总线、编码等形式传递，具备相关技术，依靠计算机、专用设备才能看到传递过程，对于维护水平的要求有所提高，在数字改造的同时，维修人员的技术层次也应提高，适应新技术。
      四、配置方面的问题
      在改造的思路确定后，选择器件、配置成为首要问题。采用高端产品、豪华配置，不仅是价格问题，还要考虑方便操作和环境能否适应等。比如，选择触摸屏还是按钮，用鼠标点击操作还是直接用电位器，采用高配置时一般采用前者，但在实际使用时，由于组态软件庞大，屏幕上用鼠标拖拽时，系统有一个计算过程，因此有滞后现象。窗口上指令数值的递增、递减速度，编程时已设定好，有时需要快速回复时，鼠标操作远不如电位器及时准确。触摸屏操作比较集中，有时还要翻页，不如按钮安装随意、操作方便，为解决这一问题，有的同时设置两套操作设置，提高了设备造价。因此，盲目追求豪华配置，不是最优的改造方案。
      从技术角度看，响应速度、可靠性是主要方面，例如，冷轧机中，模拟电路的厚度AGC自动控制单元，涉及环节多，响应要求快，应用PLC改造这一系统时，要选择高端、高速产品，以适应需要。由于位置、压力采样及液压伺服系统驱动仍为模拟电路，经模一数转换，PLC内部软件的乘法、比例积分计算，从实际的动态性能、响应速度看，数字系统并不比模拟系统优越，程序处理得不好，还会落后。因此在全面改造旧系统时，从控制效果考虑，主要的实时、高速单元仍可以考虑保留，否则，只有提高费用，选择高性能配置，才能够达到或提高性能指标，这是改造能否取得成功的关键。从产品可靠性看，应尽量选择同一公司、正规品牌产品，在应用中兼容性好，可以互相比较，利于系统可靠运行。
　　实践证明，落实配置方案时，本着性能第一、方便操作的思路选择配置，既可以节约费用，又能够取得良好的改造效果。
      五、采样方法升级与冗余设计
      就闭环系统而言，系统的控制精度主要取决于反馈环节的采样精度，如果采样精度差，即便系统配置很高，也不会达到较高的控制水平。对于速度、位置、压力及温度信号的采集，目前有许多新器件供应，转速脉冲发生器已达每转万次以上，温度、压力信号经过变送器以4一20mA电流或其他标准电压信号输出，这些信号通过高速输入端或扩展接口直接接入PLC，检测精度高，抗干扰性好。可编程处理器嵌入采样单元，通过RS485接口及现场总线与主PLC通信，使采样更灵活、可靠。机器视觉系统的应用，实现了采样智能化。充分利用这些新的采样技术，是数字化改造所必须的，如采样方法不升级换代，不应用相应水平的采样器件，改造的效果可能受到影响。
      数字系统的可靠性有时通过系统冗余设计得到保障，一个大型、复杂数字系统运行时，与模拟系统比较，出现故障的情形有所不同。模拟系统一般是以分立器件为主，故障点可以通过测试查出后，更新修复。数字系统多以程序停止运行，系统自诊断发现错误为多，关键部位冗余，既可以解决运行中的故障、保存数据，还能够实现离线维修，极大地提高了系统的可靠性，是大型系统数字化改造中应充分考虑的。
　　采样方法升级与冗余设计有时被忽视，有的为节省投资而放弃，或者在设计时未作考虑，这方面是应引起重视的，对于从事危险作业及保安级设备，可靠性设计是极其重要的。
      六、机械部件情况与改造效果
      旧设备经多年使用后，机械部分会出现松动、磨损及间隙配合超差等间题，按原设计的机械惯性、摩擦阻尼等参数设计、计算新系统的模型和数据时，应适当加以补偿、修正，以达到最佳控制效果。对于机械构成已严重缺损的，建议首先修复机械设备，然后再测算、设计改造方案。如果机械构成状况不好，经过数字化改造后，设备的性能、控制效果仍然不会好。
      七、PLC、组态软件及数控产品的选择
      目前市场上，各档次、系列的数控产品很多，一般地，著名大公司的产品系列齐全，各地代理商多，备件、售后服务要好一些，普通的产品价格占优势，企业可根据自身情况进行选择。常见的，西门子PLC与其组态软件WINCC合用，松下电工的可编程控制器配组态王软件，交、直流控制器有ABB的ACS、DCS系列及欧美、日本的系列产品。通常，由于各公司的产品宣传和商业运作，使使用者不知哪一家的产品更好一些，最好的办法是咨询一下同类设备改造成功的企业和同类新设备的用户、开发制造者，借鉴他们的使用经验比盲目选用更为可靠。
      八、避免成为试验设备
      数字化改造如同设计一个新设备的控制系统，有时比为新设备配套设计更难，新设备的设计制造者通常具有多次开发同一类设备的经验，成功率较高。拟定改造的旧设备，通常已经出厂多年，原设计的构成、控制方法已落后、淘汰，委托一些院所进行改造设计，对他们来说，要在旧系统的基础上重新研究设计，是新项目、新课题，往往没有充分的试验数据和开发经验，改造成为一次试验。因此，在项目招标时，要对参与竞标的院所进行考察，看他们改造该类设备的业绩和成功的范例，避免交给首次开发者成为试验设备，这方面出问题的企业例子很多。
      九、结束语
      随着市场经济的发展，企业都在考虑装备的升级换代，以提高竞争力。旧设备经过改造，达到了新的生产加工能力，节约了购置费用，这是好的措施。要注意的是，一定要认真研究改造中的问题，形成可行的方案，否则，旧设备改造后成为废品，企业将遭受损失。数字化改造总的原则应是技术领先，性能不降低或有所提升，系统构成的关键部分按着高可靠性设计，适当留有发展空间。这个原则考虑了数字控制系统和网络技术的特点，是设备改造经验的总结。