工業(yè)信息化中的測控技術(shù)發(fā)展與展望

1、工業(yè)信息化中的測控技術(shù)發(fā)展與展望清華大學(xué)自動化系 金以慧一、問題的提出二、工業(yè)企業(yè)的信息化三、測控技術(shù)的發(fā)展四、測控技術(shù)對計(jì)算機(jī)的要求五、結(jié)束語1一、問題的提出 1、信息時代對國民經(jīng)濟(jì)的激勵 信息時代所具有的巨大能力，使國民經(jīng)濟(jì)中生產(chǎn)生產(chǎn) 與貿(mào)易與貿(mào)易的方式發(fā)生了根本性的變化根本性的變化，信息科技信息科技與 提高附加值的其他技術(shù)產(chǎn)生了密切的交互作用， 這正是當(dāng)前我們所生存的時代特征時代特征 -來自美國資料-2一、問題的提出 2 2、中共十六大的號召、中共十六大的號召 繼續(xù)完成工業(yè)化工業(yè)化是我國現(xiàn)代化進(jìn)程中的艱巨的歷史性任務(wù)，大力推進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)和社會信息化信息化，是覆蓋現(xiàn)代化建設(shè)全局的戰(zhàn)略舉措戰(zhàn)略

2、舉措。以信息化帶動工業(yè)化、信息化帶動工業(yè)化、工業(yè)化促進(jìn)信息化，工業(yè)化促進(jìn)信息化，發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)社會生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展緊迫性緊迫性艱巨性艱巨性3一、問題的提出3 3、面對進(jìn)入、面對進(jìn)入WTOWTO的挑戰(zhàn)與機(jī)遇的挑戰(zhàn)與機(jī)遇 本質(zhì)問題是： 市場競爭能力的挑戰(zhàn)市場競爭能力的挑戰(zhàn)政策政策信息化信息化新技術(shù)新技術(shù)體制體制4迎接全球市場競爭挑戰(zhàn)的途徑迎接全球市場競爭挑戰(zhàn)的途徑 1、工業(yè)化道路、工業(yè)化道路u 工藝的創(chuàng)新工藝路線的革命u 設(shè)備的更新?lián)Q代擴(kuò)容和技術(shù)更新u 產(chǎn)品的開發(fā)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)2、信息化建設(shè)道路、信息化建設(shè)道路u 采用信息化挖掘設(shè)備潛力，達(dá)到設(shè)備運(yùn)行最優(yōu)化u 觀念的改變通過實(shí)現(xiàn)信息化，促進(jìn)管理

3、科學(xué)化5二、工業(yè)信息化1 1、什么是信息化、什么是信息化2 2、自動化與信息化的關(guān)系、自動化與信息化的關(guān)系3 3、國內(nèi)外信息化發(fā)展比較、國內(nèi)外信息化發(fā)展比較61、什么是工業(yè)信息化、什么是工業(yè)信息化1工業(yè)信息化：工業(yè)信息化：在工業(yè)的生產(chǎn)、管理、經(jīng)營過程中，通過信息基礎(chǔ)在工業(yè)的生產(chǎn)、管理、經(jīng)營過程中，通過信息基礎(chǔ)設(shè)施，在集成平臺上，實(shí)現(xiàn)信息的設(shè)施，在集成平臺上，實(shí)現(xiàn)信息的采集采集（傳感器及（傳感器及儀器儀表）、儀器儀表）、信息的傳輸信息的傳輸（通信）、（通信）、信息的處理信息的處理（計(jì)算機(jī)）（計(jì)算機(jī)）以及信息的綜合應(yīng)用以及信息的綜合應(yīng)用（自動化、管理、（自動化、管理、經(jīng)營等功能）等都是信息化的內(nèi)容

4、。經(jīng)營等功能）等都是信息化的內(nèi)容。將信息技術(shù)用于企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、管理將信息技術(shù)用于企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、管理和銷售的全過程，以提高企業(yè)的市場應(yīng)變能力和競和銷售的全過程，以提高企業(yè)的市場應(yīng)變能力和競爭能力，這是企業(yè)信息化的主要內(nèi)容和目標(biāo)爭能力，這是企業(yè)信息化的主要內(nèi)容和目標(biāo)71、什么是工業(yè)信息化、什么是工業(yè)信息化信息化的內(nèi)容歸納為：信息化的內(nèi)容歸納為： 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工 信息傳輸信息傳輸 信息信息處理處理 信息信息綜合綜合應(yīng)用應(yīng)用 結(jié)論：信息化需要信息學(xué)、測量學(xué)、控制理論、系統(tǒng)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、管理科學(xué)以及各種專業(yè)的學(xué)科交叉與融合才能實(shí)現(xiàn)82 2、信息化與自動化的關(guān)系、信息化與

5、自動化的關(guān)系 廣義自動化廣義自動化廣義自動化是指實(shí)現(xiàn)經(jīng)營管理、計(jì)是指實(shí)現(xiàn)經(jīng)營管理、計(jì)劃調(diào)度、成本核算、生產(chǎn)監(jiān)控、故劃調(diào)度、成本核算、生產(chǎn)監(jiān)控、故障診斷、自動控制等更大范圍內(nèi)的障診斷、自動控制等更大范圍內(nèi)的自動化，又稱之為自動化，又稱之為“綜合自動化綜合自動化”或或稱稱“流程工業(yè)流程工業(yè)CIMS”CIMS”自動化自動化往往是指包括檢測、控制和往往是指包括檢測、控制和繼電保護(hù)等常規(guī)自動化的概念繼電保護(hù)等常規(guī)自動化的概念92 2、信息化與自動化的關(guān)系、信息化與自動化的關(guān)系 工業(yè)化工業(yè)化信息化信息化自動化自動化 （廣義）（廣義）基礎(chǔ)基礎(chǔ)促進(jìn)促進(jìn)帶動帶動保證保證依賴依賴提升提升10國外企業(yè)信息化發(fā)展的三

6、個階段：國外企業(yè)信息化發(fā)展的三個階段：70年代以前年代以前 基礎(chǔ)信息化基礎(chǔ)信息化80年代中期開始年代中期開始 信息集成（企業(yè)內(nèi)部）信息集成（企業(yè)內(nèi)部）90年代后期開始年代后期開始 全球信息化（電子商務(wù)）全球信息化（電子商務(wù)）國內(nèi)企業(yè)信息化的現(xiàn)狀：國內(nèi)企業(yè)信息化的現(xiàn)狀：基礎(chǔ)信息化尚未完成基礎(chǔ)信息化尚未完成少數(shù)企業(yè)實(shí)現(xiàn)了信息集成少數(shù)企業(yè)實(shí)現(xiàn)了信息集成極少數(shù)企業(yè)策劃進(jìn)入全球信息化極少數(shù)企業(yè)策劃進(jìn)入全球信息化11三、測控技術(shù)的發(fā)展 1、測量系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展、測量系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展 測量系統(tǒng)的組成：測量系統(tǒng)的組成：敏敏感件敏感元件敏感元件調(diào)理元件調(diào)理元件信號處理元件信號處理元件顯示元件顯示元件多路切換元件

7、多路切換元件12傳傳統(tǒng)統(tǒng)敏敏感件敏感元件敏感元件調(diào)理元件調(diào)理元件信號處理元件信號處理元件顯示元件顯示元件多路切換元件多路切換元件不平衡不平衡電橋電橋 放大器放大器交流載交流載波波器器等等等等測量值測量值計(jì)算計(jì)算 非線性非線性校正校正 熱電偶熱電偶補(bǔ)償補(bǔ)償?shù)鹊鹊鹊?指示指示儀表儀表記記錄錄儀表儀表等等等等多多路路切切換換器器熱電偶熱電偶電阻電阻 電容電容 電感電感 電磁電磁 壓電壓電 節(jié)流元節(jié)流元件件 等等13敏敏感件敏感元件敏感元件調(diào)理元件調(diào)理元件信號處理元件信號處理元件顯示元件顯示元件多路切換元件多路切換元件發(fā)發(fā)展展趨趨勢勢1、采用新技術(shù)：微波技術(shù) 激光與紅外技術(shù) 納米技術(shù) 超導(dǎo)技術(shù) 仿生技

8、術(shù) 等等14發(fā)發(fā)展展趨趨勢勢敏敏感件敏感元件敏感元件調(diào)理元件調(diào)理元件信號處理元件信號處理元件顯示元件顯示元件多路切換元件多路切換元件2、向微型化集成化發(fā)展 MEMS 多功能傳感器 敏感、信號處理、 顯示等元件集成化 等等 15發(fā)發(fā)展展趨趨勢勢信號處理元件信號處理元件多路切換元件多路切換元件基于微處理器的智能儀表 具有自校正、自診斷、故障自定位、自修復(fù)、自適應(yīng)跟蹤環(huán)境等能力敏敏感件敏感元件敏感元件調(diào)理元件調(diào)理元件顯示元件顯示元件多多路路切切換換元元件件信信號號處處理理元元件件16發(fā)發(fā)展展趨趨勢勢敏敏感件敏感元件敏感元件調(diào)理元件調(diào)理元件信號處理元件信號處理元件顯示元件顯示元件多路切換元件多路切換元

9、件基于PC的計(jì)算機(jī)測量儀表又稱 虛擬儀表集計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、圖 象處理技術(shù)等于一體，例如汽車發(fā) 動機(jī)檢測系統(tǒng)、自動計(jì)量系統(tǒng)等17發(fā)發(fā)展展趨趨勢勢敏敏感件敏感元件敏感元件調(diào)理元件調(diào)理元件信號處理元件信號處理元件顯示元件顯示元件多路切換元件多路切換元件 網(wǎng)絡(luò)化儀表系統(tǒng) 在局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下將分布于網(wǎng)絡(luò)各端口的數(shù)據(jù)或信息在任何時間任何地點(diǎn)均能加以采集的測量系統(tǒng)例如：網(wǎng)絡(luò)化流量測量系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)化水文監(jiān)測系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)化 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，智能交通系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)等等18三、測控技術(shù)的發(fā)展2 2、控制技術(shù)的發(fā)展、控制技術(shù)的發(fā)展 從一般控制技術(shù)向 綜合自動化技術(shù)發(fā)展 （廣義自動化）19經(jīng)營決策經(jīng)營決策

10、企業(yè)管理企業(yè)管理生產(chǎn)調(diào)度生產(chǎn)調(diào)度過程優(yōu)化過程優(yōu)化過程控制過程控制Purdue 模型模型BPS（包括（包括ERP）(Business Planning System)PCS(Process Control System)MES (Manufacturing Execution System)BPS/MES/PCS三層三層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)20三、工業(yè)綜合自動化三、工業(yè)綜合自動化發(fā)展的趨勢發(fā)展的趨勢集成支撐系統(tǒng)集成支撐系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)營計(jì)劃系統(tǒng)（BPS）生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)（PCS）21PCS基礎(chǔ)自動化過程自動化自動控制物料平衡分析自動整定自動整定先進(jìn)控制先進(jìn)控制實(shí)時監(jiān)控實(shí)時監(jiān)控采集

11、數(shù)據(jù)22相對傳統(tǒng)的以溫度、壓力、液相對傳統(tǒng)的以溫度、壓力、液位等為目標(biāo)的單回路控制而言，位等為目標(biāo)的單回路控制而言，先進(jìn)控制先進(jìn)控制則是以則是以質(zhì)量和工藝要質(zhì)量和工藝要求為指標(biāo)的多變量控制求為指標(biāo)的多變量控制 先進(jìn)控制系統(tǒng)的本質(zhì)：先進(jìn)控制系統(tǒng)的本質(zhì)：23加熱爐的控制 單回路控制系統(tǒng)有：單回路控制系統(tǒng)有：1、燃燒系統(tǒng)燃料、送風(fēng)、負(fù)壓、含氧量等控制、燃燒系統(tǒng)燃料、送風(fēng)、負(fù)壓、含氧量等控制2、加熱系統(tǒng)物流的溫度控制、加熱系統(tǒng)物流的溫度控制3、物流系統(tǒng)流量、壓力等控制、物流系統(tǒng)流量、壓力等控制 各種控制回路之間存在著強(qiáng)耦合各種控制回路之間存在著強(qiáng)耦合 系統(tǒng)具有非線性因素系統(tǒng)具有非線性因素 各參數(shù)之間有

12、互動作用各參數(shù)之間有互動作用作干擾處理作干擾處理24 燃料 送風(fēng)機(jī) 引風(fēng)機(jī) 噴水 壓力 風(fēng)燃比 負(fù)壓 溫度 水位 給水 結(jié)論：結(jié)論：1、在耦合作用下各被控參數(shù)必然有很大波動、在耦合作用下各被控參數(shù)必然有很大波動 2、人們關(guān)心的控制指標(biāo)：燃燒效率、尾氣含、人們關(guān)心的控制指標(biāo)：燃燒效率、尾氣含 氧量、影響安全因素（水位、負(fù)壓）等氧量、影響安全因素（水位、負(fù)壓）等 3、必需將加熱爐作一整體來考慮多變量系統(tǒng)、必需將加熱爐作一整體來考慮多變量系統(tǒng) 25制藥工業(yè)中的典型設(shè)備發(fā)酵罐的自動控制制藥工業(yè)中的典型設(shè)備發(fā)酵罐的自動控制菌體濃度菌體濃度還原糖濃還原糖濃度度氨氮濃度氨氮濃度青霉素效青霉素效價價 營養(yǎng)液營

13、養(yǎng)液氨水氨水硫氨（氮）硫氨（氮）苯乙酸苯乙酸26多變量魯棒預(yù)測控制器結(jié)構(gòu)多變量魯棒預(yù)測控制器結(jié)構(gòu)集散控制系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)庫辨識器多變量預(yù)測控制器軟儀表 快速、平穩(wěn)地控制整套裝置、可提高生產(chǎn)過程的處理能力 增加高附加值的產(chǎn)品率 采用預(yù)測原理，可克服過程大滯后現(xiàn)象和外部干擾，達(dá)到“卡邊”生產(chǎn)的目標(biāo)27先進(jìn)控制器實(shí)施現(xiàn)場曲線初餾塔干點(diǎn)航煤初餾點(diǎn)航煤干點(diǎn)航煤閃點(diǎn)輕柴95%航煤冰點(diǎn)28銷售服務(wù)管理供應(yīng)鏈管理作業(yè)調(diào)度資源分配企業(yè)資源計(jì)劃車間管理系統(tǒng)生產(chǎn)過程管理物料跟蹤生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化設(shè)備維修管理生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化生產(chǎn)狀況分析動態(tài)成本控制質(zhì)量管理過程控制層產(chǎn)品與工藝設(shè)計(jì)MESMES層層29BPS產(chǎn)品與工藝設(shè)計(jì)（P/PE）

14、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）供應(yīng)鏈管理（SCM）電子商務(wù)（EC）銷售服務(wù)管理（SSM）30 PCS級級 以產(chǎn)品質(zhì)量和工藝要求為的先進(jìn)控以產(chǎn)品質(zhì)量和工藝要求為的先進(jìn)控制技術(shù)（多變量預(yù)測控制制技術(shù)（多變量預(yù)測控制） MES級級 以生產(chǎn)綜合指標(biāo)為目標(biāo)的生產(chǎn)過程以生產(chǎn)綜合指標(biāo)為目標(biāo)的生產(chǎn)過程 優(yōu)化控制、優(yōu)化操作與優(yōu)化管理技術(shù)優(yōu)化控制、優(yōu)化操作與優(yōu)化管理技術(shù) BPS級級 以財(cái)務(wù)分析決策為核心的整體資源以財(cái)務(wù)分析決策為核心的整體資源 優(yōu)化技術(shù)優(yōu)化技術(shù) 基于知識鏈知識鏈的的BPS/MES/PCS三級結(jié)構(gòu)流程工業(yè)三級結(jié)構(gòu)流程工業(yè) 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)集成技術(shù)集成技術(shù)31 物理平臺物理平臺集成平臺集成平臺

15、數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)平臺EIPPCSMESERPKRM32國外信息化建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益分析 一般生產(chǎn)規(guī)模下可達(dá)一般生產(chǎn)規(guī)模下可達(dá)1000萬萬3000萬美元的效益萬美元的效益33四、測控技術(shù)對計(jì)算機(jī)的要求1、硬件 高速率、高精度、多功能、大容量數(shù)采系統(tǒng) 抗干擾性強(qiáng)、高穩(wěn)定性的控制系統(tǒng) 高可靠性、高可用性、高可維護(hù)性、高可擴(kuò) 展性的測控系統(tǒng)平臺 例如，國產(chǎn)的 新型數(shù)采系統(tǒng)，國產(chǎn)的DCS、 PLC、FCS 等34四、測控技術(shù)對計(jì)算機(jī)的要求2、軟件 各類系統(tǒng)的組態(tài)軟件及其開發(fā)工具 針對不同行業(yè)需求的應(yīng)用軟件 （例如，軟測量軟件、先進(jìn)控制軟件、操作 優(yōu)化軟件、計(jì)劃調(diào)度軟件、動態(tài)成本分析 軟件、ERPERP 軟件等等） 基于互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)和現(xiàn)場總線上控制軟 件、相應(yīng)的通訊協(xié)議、負(fù)荷分配等網(wǎng)絡(luò)控 制軟件 其他軟件 35四、測控技術(shù)對計(jì)算機(jī)的要求3、集成系統(tǒng)、集成系統(tǒng) 基于現(xiàn)場總線、局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的綜合自 動化系統(tǒng) 例如：大型油田的自動開采系統(tǒng)、遠(yuǎn)程