流程工業(yè)綜合自動化技術(shù)發(fā)展講座

1、2012年自動化專題年自動化專題天津理工大學(xué)自動化學(xué)院天津理工大學(xué)自動化學(xué)院主講人：高主講人：高 強強時時 間：間：2012年年11月月13日日聯(lián)系方式：聯(lián)系方式： qq:89263772912012年自動化專題年自動化專題主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、一、概述概述二、二、系統(tǒng)集成技術(shù)系統(tǒng)集成技術(shù) 三、三、先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)四、四、故障診斷技術(shù)故障診斷技術(shù)五、總結(jié)五、總結(jié)22012年自動化專題年自動化專題一、一、概述概述3 什么是流程工業(yè)？流程工業(yè) (Process Industry)也稱過程工業(yè)，通常是指通過物理變化和化學(xué)變化進行的生產(chǎn)過程，其原料和產(chǎn)品多為均一相（固、液或氣體）的物料，而非由零

2、部件組裝成的物品。其產(chǎn)品質(zhì)量多由純度和各種物理、化學(xué)性質(zhì)表征。化工、煉油、冶金、輕工、建材等行業(yè)均屬過程工業(yè)。過程系統(tǒng)(Process System)4流程工業(yè)的特點流程工業(yè)的特點u現(xiàn)代流程工業(yè)愈來愈注重于物料、能量的綜合利用。多現(xiàn)代流程工業(yè)愈來愈注重于物料、能量的綜合利用。多次循環(huán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。過程工業(yè)向高效、節(jié)能、潔凈型發(fā)次循環(huán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。過程工業(yè)向高效、節(jié)能、潔凈型發(fā)展。展。u流程工業(yè)系統(tǒng)模型為具有高度非線性的代數(shù)、微分流程工業(yè)系統(tǒng)模型為具有高度非線性的代數(shù)、微分( (偏、偏、常微分常微分) )方程混合組成的數(shù)學(xué)模型，模型中包含大量的過程方程混合組成的數(shù)學(xué)模型，模型中包含大量的過程參數(shù)

3、和高維狀態(tài)變量，且高度交聯(lián)、耦合。參數(shù)和高維狀態(tài)變量，且高度交聯(lián)、耦合。u現(xiàn)代流程工業(yè)操作可調(diào)、工藝靈活、產(chǎn)品多樣、控制系現(xiàn)代流程工業(yè)操作可調(diào)、工藝靈活、產(chǎn)品多樣、控制系統(tǒng)化的特點。統(tǒng)化的特點。55工業(yè)過程的類型工業(yè)過程的類型 流程工業(yè)（流程工業(yè)（Process Industry） 連續(xù)生產(chǎn)過程連續(xù)生產(chǎn)過程 產(chǎn)品論產(chǎn)品論“斤斤”賣賣 如：化肥如：化肥 制造業(yè)（制造業(yè)（Manufacturing Industry） 離散制造過程離散制造過程 產(chǎn)品論產(chǎn)品論“個數(shù)個數(shù)”賣賣 如：螺絲釘如：螺絲釘工業(yè)過程的類型工業(yè)過程的類型6 過程控制（過程控制（Process ControlProcess Cont

4、rol） 控制流程工業(yè)的生產(chǎn)過程 一條生產(chǎn)線只生產(chǎn)一種產(chǎn)品 主要控制手段是PID 現(xiàn)在流行叫Process Automation（過程自動化） 離散控制（離散控制（Discrete ControlDiscrete Control） 控制制造業(yè)的加工過程 主要手段是順序與邏輯控制 現(xiàn)在流行叫Factory Automation（工廠自動化） 批量控制（批量控制（Batch ControlBatch Control） 同一生產(chǎn)線上的間歇性、多品種生產(chǎn)過程，半連續(xù)過程。 既有順序與邏輯控制，也有連續(xù)過程控制 每種產(chǎn)品有自己的“配方” 主要是食品和制藥行業(yè)工業(yè)控制的分類工業(yè)控制的分類7連續(xù)控制：流程工

5、業(yè)連續(xù)控制：流程工業(yè)8離散控制：制造離散控制：制造業(yè)業(yè)離散控制：制造業(yè)離散控制：制造業(yè)9批量過程：制藥批量過程：制藥行業(yè)行業(yè)批量過程：制藥行業(yè)批量過程：制藥行業(yè)10工業(yè)控制的分類工業(yè)控制的分類outputcontroller+-plant statedisplaycontrol variable(analog)set-pointplantmeasurementplant statesequenceron/offplantdisplay過程控制：閉環(huán)的特征closed-loop control / regulationkeywords: feedback, analog variables, c

6、ontinuous processes, process control 離散控制：開環(huán)的特征open-loop control / commandkeywords: sequential / combinatorial, binary variables, discrete processes,batch control, manufacturingoutputerror(deviation)binary%process valuemeasurementclock大部分工廠都是混合過程工廠大部分工廠都是混合過程工廠11特點：兼有連續(xù)和離散生產(chǎn)特性，能源和資源消耗大，高溫運作，單體設(shè)備大特點：

7、兼有連續(xù)和離散生產(chǎn)特性，能源和資源消耗大，高溫運作，單體設(shè)備大 連鑄 煉鋼 熱軋精煉板坯庫 加熱爐 高爐煉鐵 煉鋼精整線冷軋 12n 流程工業(yè)包括了石化、煉油、化工、制藥、造紙、流程工業(yè)包括了石化、煉油、化工、制藥、造紙、冶金、采礦、電力、食品加工等在國民經(jīng)濟中占冶金、采礦、電力、食品加工等在國民經(jīng)濟中占主導(dǎo)主導(dǎo)地位的行業(yè)地位的行業(yè)n 全球全球500500強行業(yè)中，流程工業(yè)企業(yè)有強行業(yè)中，流程工業(yè)企業(yè)有7070余家，占余家，占15%，其營業(yè)收入占總收入的，其營業(yè)收入占總收入的16.5%n 我國流程企業(yè)年產(chǎn)值占全國企業(yè)年總產(chǎn)值的我國流程企業(yè)年產(chǎn)值占全國企業(yè)年總產(chǎn)值的66%，流程工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r直接

8、影響國家的經(jīng)濟基礎(chǔ)，流程工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r直接影響國家的經(jīng)濟基礎(chǔ)，流程工業(yè)是國家的重要基礎(chǔ)支柱產(chǎn)業(yè)流程工業(yè)是國家的重要基礎(chǔ)支柱產(chǎn)業(yè)流程工業(yè)在國民經(jīng)濟中的支柱地位流程工業(yè)在國民經(jīng)濟中的支柱地位13 全球全球500強企業(yè)中，強企業(yè)中，流程工業(yè)企業(yè)占了流程工業(yè)企業(yè)占了70家家 中國流程工業(yè)總產(chǎn)值中國流程工業(yè)總產(chǎn)值占工業(yè)總產(chǎn)值占工業(yè)總產(chǎn)值66%流程工業(yè)在國民經(jīng)濟中的支柱地位流程工業(yè)在國民經(jīng)濟中的支柱地位14國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要將“流程工業(yè)的綠色化、自動化及裝備”列為優(yōu)先發(fā)展主題，重點研究開發(fā)“基于生態(tài)工業(yè)概念的系統(tǒng)集成和自動化技術(shù)，流程工業(yè)需要的傳感器、智能化檢測控制技術(shù)、裝備和調(diào)控系統(tǒng)?！眹?/p>

9、務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見指出，在“發(fā)展重大工程自動化控制系統(tǒng)和關(guān)鍵精密測試儀器，滿足重點建設(shè)工程及其他重大（成套）技術(shù)裝備高度自動化和智能化的需要 ”實現(xiàn)重點突破。用先進控制技術(shù)提高流程工業(yè)自主創(chuàng)新能力國家發(fā)展戰(zhàn)略要求國家發(fā)展戰(zhàn)略要求15綜合自動化系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)流程工業(yè)系統(tǒng)由企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（流程工業(yè)系統(tǒng)由企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（）、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、生）、生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)（產(chǎn)過程控制系統(tǒng)（PCS）、綜合生產(chǎn)指標優(yōu)化系統(tǒng)和集成支撐系統(tǒng)組成）、綜合生產(chǎn)指標優(yōu)化系統(tǒng)和集成支撐系統(tǒng)組成集成支撐集成支撐系統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫計算機網(wǎng)絡(luò)計算機網(wǎng)絡(luò)企業(yè)資源計劃系統(tǒng)企業(yè)

10、資源計劃系統(tǒng)（ERP）生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)（PCS）綜合綜合生產(chǎn)生產(chǎn)指標指標優(yōu)化優(yōu)化系統(tǒng)系統(tǒng)智能綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖智能綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖16操操作作員員MESPCS經(jīng)經(jīng)營營決決策策部部17系統(tǒng)硬件平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件平臺結(jié)構(gòu) 智能綜合自動化系統(tǒng)硬件平臺結(jié)構(gòu)圖智能綜合自動化系統(tǒng)硬件平臺結(jié)構(gòu)圖18系統(tǒng)硬件平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件平臺結(jié)構(gòu)19流程工業(yè)綜合自動化面臨的重大任務(wù)流程工業(yè)綜合自動化面臨的重大任務(wù) 流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)和自動化裝備的研究與開發(fā)，流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)和自動化裝備的研究與開發(fā)，是國是國家的重大戰(zhàn)略需求，是信息化帶動工業(yè)化的戰(zhàn)略重點，是全家

11、的重大戰(zhàn)略需求，是信息化帶動工業(yè)化的戰(zhàn)略重點，是全國自動化工作者面臨的重大任務(wù)，它是：國自動化工作者面臨的重大任務(wù)，它是：1.1.加快信息化帶動工業(yè)化步伐的迫切需要加快信息化帶動工業(yè)化步伐的迫切需要；2.2.加快振興我國裝備制造業(yè)的迫切需要；加快振興我國裝備制造業(yè)的迫切需要；3.3.確保我國國民經(jīng)濟絕對安全的迫切需要；確保我國國民經(jīng)濟絕對安全的迫切需要；4.4.實現(xiàn)節(jié)能減排總體目標的迫切需要；實現(xiàn)節(jié)能減排總體目標的迫切需要；5.5.推動控制學(xué)科快速發(fā)展的迫切需要。推動控制學(xué)科快速發(fā)展的迫切需要。20技術(shù)的現(xiàn)狀分析技術(shù)的現(xiàn)狀分析1 1、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀（、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀（1 1） 在國家發(fā)改委兩個工業(yè)

12、過程自動化和工業(yè)自動化重大專項支持下，我國在國家發(fā)改委兩個工業(yè)過程自動化和工業(yè)自動化重大專項支持下，我國流程工業(yè)綜合自動化技術(shù)和控制裝備取得了長足進步，中小工程、中低端流程工業(yè)綜合自動化技術(shù)和控制裝備取得了長足進步，中小工程、中低端自動化控制系統(tǒng)與裝備全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化，在重大工程和高端技術(shù)市場也自動化控制系統(tǒng)與裝備全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化，在重大工程和高端技術(shù)市場也形勢喜人：形勢喜人：在石化行業(yè)在石化行業(yè) 石化工程主體裝置的自動化控制系統(tǒng)雖然被石化工程主體裝置的自動化控制系統(tǒng)雖然被Honeywell 28.3%、Emerson 21.2%、Yokogawa 17.7%所壟斷，但中控集團已進入所壟斷，但

13、中控集團已進入500萬噸煉油、萬噸煉油、30萬噸萬噸合成氨、合成氨、52萬噸尿素等主體工程；萬噸尿素等主體工程；在火電行業(yè)在火電行業(yè) 1000MW超超臨界火電機組的綜合自動化控制系統(tǒng)全部被進口產(chǎn)品所壟超超臨界火電機組的綜合自動化控制系統(tǒng)全部被進口產(chǎn)品所壟斷，但是，國產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)在斷，但是，國產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)在600MW亞臨界、超超臨界火電機組獲亞臨界、超超臨界火電機組獲得成功應(yīng)用，上自儀、和利時、國電智深有一批系統(tǒng)投入運行；得成功應(yīng)用，上自儀、和利時、國電智深有一批系統(tǒng)投入運行；21技術(shù)的現(xiàn)狀分析技術(shù)的現(xiàn)狀分析1 1、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀（、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀（2 2） 在國家發(fā)改委兩個工業(yè)過程自動化和

14、工業(yè)自動化重大專項支持下，我國在國家發(fā)改委兩個工業(yè)過程自動化和工業(yè)自動化重大專項支持下，我國流程工業(yè)綜合自動化技術(shù)和控制裝備取得了長足進步，中小工程、中低端流程工業(yè)綜合自動化技術(shù)和控制裝備取得了長足進步，中小工程、中低端自動化控制系統(tǒng)與裝備全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化，在重大工程和高端技術(shù)市場也自動化控制系統(tǒng)與裝備全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化，在重大工程和高端技術(shù)市場也形勢喜人：形勢喜人：在核電行業(yè)在核電行業(yè) 我國百千萬瓦核電工程的自動化控制系統(tǒng)已發(fā)展到第三代（全數(shù)字化儀我國百千萬瓦核電工程的自動化控制系統(tǒng)已發(fā)展到第三代（全數(shù)字化儀控），全部被法國的控），全部被法國的AREVA、日本的三菱、美國的西屋、日本的三菱、美

15、國的西屋、ABB等所壟斷，等所壟斷，但和利時、中自儀等不僅承擔(dān)外核全部自動化控制系統(tǒng)任務(wù)，而且開始進但和利時、中自儀等不僅承擔(dān)外核全部自動化控制系統(tǒng)任務(wù)，而且開始進入核島。入核島。在輕紡行業(yè)在輕紡行業(yè) 我國我國1800米米/分車速、分車速、10.8米門幅的特大型造紙機和大型、高效紡織的自米門幅的特大型造紙機和大型、高效紡織的自動化控制系統(tǒng)及控制裝備，全部都由國外產(chǎn)品壟斷，但是國產(chǎn)系統(tǒng)已全面動化控制系統(tǒng)及控制裝備，全部都由國外產(chǎn)品壟斷，但是國產(chǎn)系統(tǒng)已全面進入車速在進入車速在500米米/分以下的大型紙機，雙園系統(tǒng)已淘汰進口系統(tǒng)分以下的大型紙機，雙園系統(tǒng)已淘汰進口系統(tǒng)56套。套。22技術(shù)的現(xiàn)狀分析技

16、術(shù)的現(xiàn)狀分析1 1、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀（、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀（3 3） 從總體上看，目前國內(nèi)石化、電力、冶金、高鐵、造紙等重大工程的自從總體上看，目前國內(nèi)石化、電力、冶金、高鐵、造紙等重大工程的自動化控制系統(tǒng)的控制裝備，高端技術(shù)市場基本上為進口產(chǎn)品所壟斷，主要動化控制系統(tǒng)的控制裝備，高端技術(shù)市場基本上為進口產(chǎn)品所壟斷，主要問題是：問題是：自主創(chuàng)新能力低下：自主創(chuàng)新能力低下：開發(fā)設(shè)計能力薄弱，自主知識產(chǎn)權(quán)匱乏；開發(fā)設(shè)計能力薄弱，自主知識產(chǎn)權(quán)匱乏；自動化孤島現(xiàn)象嚴重：自動化孤島現(xiàn)象嚴重：應(yīng)用系統(tǒng)相互獨立，技術(shù)集成程度偏低；應(yīng)用系統(tǒng)相互獨立，技術(shù)集成程度偏低；產(chǎn)品競爭實力不強：產(chǎn)品競爭實力不強：低端技術(shù)產(chǎn)品泛濫

17、，高端技術(shù)產(chǎn)品奇缺；低端技術(shù)產(chǎn)品泛濫，高端技術(shù)產(chǎn)品奇缺；全面樹立國產(chǎn)系統(tǒng)形象不力：全面樹立國產(chǎn)系統(tǒng)形象不力：參于重大工程建設(shè)的能力薄弱，國家重參于重大工程建設(shè)的能力薄弱，國家重大工程的應(yīng)用業(yè)績?nèi)狈?。大工程的?yīng)用業(yè)績?nèi)狈Α?3技術(shù)的現(xiàn)狀分析技術(shù)的現(xiàn)狀分析2 2、技術(shù)發(fā)展趨勢（、技術(shù)發(fā)展趨勢（1 1）（1）大規(guī)?；┐笠?guī)?；?在大型石化、電力、冶金等行業(yè)中，要求綜合自動化控制系統(tǒng)（在大型石化、電力、冶金等行業(yè)中，要求綜合自動化控制系統(tǒng)（裝備）具有較大的規(guī)模，通過多域網(wǎng)絡(luò)和多控制器協(xié)同技術(shù)，使裝備）具有較大的規(guī)模，通過多域網(wǎng)絡(luò)和多控制器協(xié)同技術(shù)，使系統(tǒng)規(guī)模超過系統(tǒng)規(guī)模超過10000點，并且能夠長期穩(wěn)

18、定運行，以滿足石化、電點，并且能夠長期穩(wěn)定運行，以滿足石化、電力、冶金等重大裝備長期穩(wěn)定可靠運行的需要。力、冶金等重大裝備長期穩(wěn)定可靠運行的需要。（2）高安全性）高安全性 由于石油、化工、電力、冶金等行業(yè)的生產(chǎn)流程具有高溫、高壓由于石油、化工、電力、冶金等行業(yè)的生產(chǎn)流程具有高溫、高壓、易燃、易爆等特點，通常要求綜合自動化控制系統(tǒng)具備高安全、易燃、易爆等特點，通常要求綜合自動化控制系統(tǒng)具備高安全性、高可靠性、高穩(wěn)定性、高環(huán)境適應(yīng)性來保障重大裝備長期正性、高可靠性、高穩(wěn)定性、高環(huán)境適應(yīng)性來保障重大裝備長期正常的運轉(zhuǎn)。此外，為了應(yīng)對特殊情況，還要求自動化控制系統(tǒng)提常的運轉(zhuǎn)。此外，為了應(yīng)對特殊情況，還

19、要求自動化控制系統(tǒng)提供緊急停車系統(tǒng)和安全儀表系統(tǒng)來保障生產(chǎn)過程的安全。供緊急停車系統(tǒng)和安全儀表系統(tǒng)來保障生產(chǎn)過程的安全。24技術(shù)的現(xiàn)狀分析技術(shù)的現(xiàn)狀分析2 2、技術(shù)發(fā)展趨勢（、技術(shù)發(fā)展趨勢（2 2）（3）高開放性）高開放性 為了提高生產(chǎn)效率、管理效率，石油、化工、電力、冶金等行業(yè)為了提高生產(chǎn)效率、管理效率，石油、化工、電力、冶金等行業(yè)對于綜合自動化控制系統(tǒng)的管控一體化和信息化要求越來越高，對于綜合自動化控制系統(tǒng)的管控一體化和信息化要求越來越高，這就要求控制系統(tǒng)具備高開放性來支持廠級的綜合自動化系統(tǒng)。這就要求控制系統(tǒng)具備高開放性來支持廠級的綜合自動化系統(tǒng)。目前進口系統(tǒng)大多具備多種現(xiàn)場總線接入的能

20、力，實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)目前進口系統(tǒng)大多具備多種現(xiàn)場總線接入的能力，實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)，具有很高的系統(tǒng)開放性?；ヂ?lián)，具有很高的系統(tǒng)開放性。（4）高適用性）高適用性 在石油、化工、電力、冶金等行業(yè)處于壟斷地位的進口控制系統(tǒng)在石油、化工、電力、冶金等行業(yè)處于壟斷地位的進口控制系統(tǒng)供應(yīng)商都有數(shù)十年的行業(yè)應(yīng)用背景，在石油、化工、火電、核電供應(yīng)商都有數(shù)十年的行業(yè)應(yīng)用背景，在石油、化工、火電、核電等行業(yè)上積累了豐富的應(yīng)用經(jīng)驗，這些企業(yè)所提供的綜合自動化等行業(yè)上積累了豐富的應(yīng)用經(jīng)驗，這些企業(yè)所提供的綜合自動化控制系統(tǒng)具有很好的針對性和適用性，能夠滿足這些行業(yè)重大工控制系統(tǒng)具有很好的針對性和適用性，能夠滿足這些行業(yè)重大

21、工程的各種特殊要求。程的各種特殊要求。 25技術(shù)的現(xiàn)狀分析技術(shù)的現(xiàn)狀分析3 3、國內(nèi)技術(shù)優(yōu)勢（、國內(nèi)技術(shù)優(yōu)勢（1 1）（1）初步形成重大工程完整的自動化控制裝備體系）初步形成重大工程完整的自動化控制裝備體系1. 國內(nèi)研究制造了國內(nèi)研究制造了SUPCON集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和Webfild網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)等一系列自動化裝備，廣泛應(yīng)用于煉油、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)等一系列自動化裝備，廣泛應(yīng)用于煉油、化工、發(fā)電、冶金等行業(yè)的重大工程，特別是在煉油化工行業(yè)，化工、發(fā)電、冶金等行業(yè)的重大工程，特別是在煉油化工行業(yè)，占有占有57%的市場份額，并已成功進入的市場份額，并已成功

22、進入500萬噸煤油、萬噸煤油、30萬噸合成氨萬噸合成氨、52萬噸尿素等重大工程。目前已銷售萬噸尿素等重大工程。目前已銷售6000余套，迫使國外產(chǎn)品余套，迫使國外產(chǎn)品降價降價1/3。2. 國內(nèi)研究制造的國內(nèi)研究制造的Suny全集成新一代主控系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用生物全集成新一代主控系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用生物化工、制漿造紙和機械電子等行業(yè)的重大裝備，目前已銷售化工、制漿造紙和機械電子等行業(yè)的重大裝備，目前已銷售1800余套。余套。3. 以上控制系統(tǒng)是重大裝備的重要組成部分，是重大工程的以上控制系統(tǒng)是重大裝備的重要組成部分，是重大工程的“神神經(jīng)經(jīng)”和和“心臟心臟”。這些控制系統(tǒng)的研制成功和大面積推廣應(yīng)用，。這些

23、控制系統(tǒng)的研制成功和大面積推廣應(yīng)用，以及形成的控制裝備主控系統(tǒng)體系（以及形成的控制裝備主控系統(tǒng)體系（DCS、FCS、PLC、PCC），有），有力地武裝了我國的裝備制造業(yè)。為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、帶動國家、地力地武裝了我國的裝備制造業(yè)。為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、帶動國家、地方經(jīng)濟發(fā)展作出了重要貢獻。方經(jīng)濟發(fā)展作出了重要貢獻。26技術(shù)的現(xiàn)狀分析技術(shù)的現(xiàn)狀分析3 3、國內(nèi)技術(shù)優(yōu)勢（、國內(nèi)技術(shù)優(yōu)勢（2 2）（2）初步形成重大工程自動化控制應(yīng)用技術(shù)體系）初步形成重大工程自動化控制應(yīng)用技術(shù)體系1. 在控制工程領(lǐng)域，全世界普通存在著一種十分嚴重的問題，那在控制工程領(lǐng)域，全世界普通存在著一種十分嚴重的問題，那就是基礎(chǔ)研究與工程

24、應(yīng)用之間存在著一條鴻溝。就是基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用之間存在著一條鴻溝。2. 實際工程應(yīng)用急需突破傳統(tǒng)控制理論與控制方法的局限性和數(shù)實際工程應(yīng)用急需突破傳統(tǒng)控制理論與控制方法的局限性和數(shù)學(xué)化，研究以綜合優(yōu)化為目標的、應(yīng)用于重大工程或重大裝備這學(xué)化，研究以綜合優(yōu)化為目標的、應(yīng)用于重大工程或重大裝備這一復(fù)雜對象的新型控制方法。一復(fù)雜對象的新型控制方法。3. 國內(nèi)一直以來致力于應(yīng)用理論和關(guān)鍵技術(shù)研究，經(jīng)過多年工程國內(nèi)一直以來致力于應(yīng)用理論和關(guān)鍵技術(shù)研究，經(jīng)過多年工程化、實用化研究，取得了一大批應(yīng)用理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究成果化、實用化研究，取得了一大批應(yīng)用理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究成果，形成了自動化控制應(yīng)用技術(shù)體系

25、，并大面積應(yīng)用于重大工程或，形成了自動化控制應(yīng)用技術(shù)體系，并大面積應(yīng)用于重大工程或重大裝備，為填平基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用之間的鴻溝作出了重要貢重大裝備，為填平基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用之間的鴻溝作出了重要貢獻。獻。27技術(shù)的現(xiàn)狀分析技術(shù)的現(xiàn)狀分析3 3、國內(nèi)技術(shù)優(yōu)勢（、國內(nèi)技術(shù)優(yōu)勢（3 3）（3）初步形成重大工程節(jié)能減排先進控制與優(yōu)化算法庫）初步形成重大工程節(jié)能減排先進控制與優(yōu)化算法庫 一直以來致力于研究重大工程和重大裝備節(jié)能減排的自動化裝備一直以來致力于研究重大工程和重大裝備節(jié)能減排的自動化裝備和控制系統(tǒng)：和控制系統(tǒng)：在鋼鐵工業(yè)方面，在鋼鐵工業(yè)方面，研究開發(fā)了大型高爐、大型加熱爐和大型冷熱研究開發(fā)了大型

26、高爐、大型加熱爐和大型冷熱連軋機等重大裝備節(jié)能降耗一系列先進控制與裝備優(yōu)化系統(tǒng)，一連軋機等重大裝備節(jié)能降耗一系列先進控制與裝備優(yōu)化系統(tǒng)，一個大型高爐爐氣的能量優(yōu)化系統(tǒng)，年節(jié)電就達到個大型高爐爐氣的能量優(yōu)化系統(tǒng)，年節(jié)電就達到1億度；億度；在煉化工業(yè)方面，在煉化工業(yè)方面，研究開發(fā)出大型常減壓、大型催裂化、大型鉑研究開發(fā)出大型常減壓、大型催裂化、大型鉑重整等重大工程節(jié)能降耗的自動化裝備和優(yōu)化控制系統(tǒng)，一個煉重整等重大工程節(jié)能降耗的自動化裝備和優(yōu)化控制系統(tǒng)，一個煉化廠的能量優(yōu)化系統(tǒng)就使該廠的能量消耗因素降低化廠的能量優(yōu)化系統(tǒng)就使該廠的能量消耗因素降低11.94；在輕紡工業(yè)方面，在輕紡工業(yè)方面，研發(fā)的大

27、型造紙機、大型蒸發(fā)器和大型紡織機研發(fā)的大型造紙機、大型蒸發(fā)器和大型紡織機等裝備的節(jié)能減排自動化控制系統(tǒng)，取得了重大的節(jié)能減排效果等裝備的節(jié)能減排自動化控制系統(tǒng)，取得了重大的節(jié)能減排效果，一個年產(chǎn)，一個年產(chǎn)10萬噸紙和漿的造紙廠，節(jié)能達到萬噸紙和漿的造紙廠，節(jié)能達到35，減排，減排15。 國內(nèi)針對重大工程和重大裝備研發(fā)的節(jié)能減排先進控制和優(yōu)化技國內(nèi)針對重大工程和重大裝備研發(fā)的節(jié)能減排先進控制和優(yōu)化技術(shù)，已形成了一個較為完整的算法庫，為節(jié)能減排總體目標的實術(shù)，已形成了一個較為完整的算法庫，為節(jié)能減排總體目標的實現(xiàn)作出了重要貢獻?，F(xiàn)作出了重要貢獻。28今后的推進任務(wù)今后的推進任務(wù)1 1、全集成新一代

28、工業(yè)自動化系統(tǒng)、全集成新一代工業(yè)自動化系統(tǒng)(1). 全集成新一代工業(yè)自動化系統(tǒng)是以獲取最大的經(jīng)濟效益和社會全集成新一代工業(yè)自動化系統(tǒng)是以獲取最大的經(jīng)濟效益和社會效益為目標，以具有高可靠性、高穩(wěn)定性、高環(huán)境適應(yīng)性等特點效益為目標，以具有高可靠性、高穩(wěn)定性、高環(huán)境適應(yīng)性等特點為基礎(chǔ)，以復(fù)雜工程系統(tǒng)先進控制與優(yōu)化理論及方法為指導(dǎo)，以為基礎(chǔ)，以復(fù)雜工程系統(tǒng)先進控制與優(yōu)化理論及方法為指導(dǎo)，以將將DCS、PLC、FCS和和MCS、PCS、QCS綜合集成為特征，以在關(guān)鍵裝綜合集成為特征，以在關(guān)鍵裝置和大型企業(yè)獲得成功應(yīng)用為標志的高端工業(yè)自動化系統(tǒng)。置和大型企業(yè)獲得成功應(yīng)用為標志的高端工業(yè)自動化系統(tǒng)。(2).

29、 目前已推廣應(yīng)用目前已推廣應(yīng)用1800余套，在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用，累計銷余套，在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用，累計銷量世界第一，年銷量世界第一，與國內(nèi)外著名公司量世界第一，年銷量世界第一，與國內(nèi)外著名公司35項指標的比項指標的比較，該系統(tǒng)優(yōu)于同類產(chǎn)品。較，該系統(tǒng)優(yōu)于同類產(chǎn)品。29今后的推進任務(wù)今后的推進任務(wù)2 2、新一代主控系統(tǒng)平臺技術(shù)、新一代主控系統(tǒng)平臺技術(shù)(1). 以以DCS技術(shù)為基礎(chǔ)，將技術(shù)為基礎(chǔ)，將PLC、ESD、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)集成為新一、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)集成為新一代主控系統(tǒng)，首創(chuàng)控制多重?zé)醾淙哂?；開發(fā)了符合代主控系統(tǒng)，首創(chuàng)控制多重?zé)醾淙哂?；開發(fā)了符合IEC61131-3標準標準，支持，支持F

30、BD/LD/SFC/ST/IL，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的控制編程語言；獨，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的控制編程語言；獨創(chuàng)基于靈巧總線的創(chuàng)基于靈巧總線的I/O模塊智能調(diào)理技術(shù)，實現(xiàn)模塊智能調(diào)理技術(shù)，實現(xiàn)I/O模塊點點隔離、模塊點點隔離、點點互隔、通用輸入、在線校正、任意配置等功能。點點互隔、通用輸入、在線校正、任意配置等功能。(2).新一代主控系統(tǒng)平臺基于全智能化、全數(shù)字化、全網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計新一代主控系統(tǒng)平臺基于全智能化、全數(shù)字化、全網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計思想；具有模塊化柔性設(shè)計；實現(xiàn)過程控制、邏輯控制、順序控思想；具有模塊化柔性設(shè)計；實現(xiàn)過程控制、邏輯控制、順序控制綜合；支持先進控制與過程優(yōu)化算法集；提供開放數(shù)據(jù)接口、制綜合

31、；支持先進控制與過程優(yōu)化算法集；提供開放數(shù)據(jù)接口、現(xiàn)場總線與互聯(lián)網(wǎng)接入；性能價格比優(yōu)。現(xiàn)場總線與互聯(lián)網(wǎng)接入；性能價格比優(yōu)。30今后的推進任務(wù)今后的推進任務(wù)3 3、裝備自動化系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)平臺、裝備自動化系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)平臺自動化儀表與控制裝置設(shè)計開發(fā)平臺自動化儀表與控制裝置設(shè)計開發(fā)平臺 實現(xiàn)系列化、標準化、模塊化的硬件開發(fā)，包括綜合儀表、可編程實現(xiàn)系列化、標準化、模塊化的硬件開發(fā)，包括綜合儀表、可編程邏輯控制器、可編程人機界面，集成控制器；邏輯控制器、可編程人機界面，集成控制器；工業(yè)控制應(yīng)用軟件開發(fā)平臺工業(yè)控制應(yīng)用軟件開發(fā)平臺 實現(xiàn)圖形監(jiān)控、控制編程、實時數(shù)據(jù)庫、人機界面編程等，構(gòu)建一實現(xiàn)圖形監(jiān)控、

32、控制編程、實時數(shù)據(jù)庫、人機界面編程等，構(gòu)建一個形象友好、功能強大、穩(wěn)定開放的軟件開發(fā)環(huán)境；個形象友好、功能強大、穩(wěn)定開放的軟件開發(fā)環(huán)境；先進控制與裝備優(yōu)化設(shè)計開發(fā)平臺先進控制與裝備優(yōu)化設(shè)計開發(fā)平臺 研究和開發(fā)裝備建模、控制與優(yōu)化算法及系統(tǒng)集成技術(shù)，建立多種研究和開發(fā)裝備建模、控制與優(yōu)化算法及系統(tǒng)集成技術(shù)，建立多種關(guān)鍵裝備、多種工藝條件、多種產(chǎn)品規(guī)格的模型庫、先進控制與裝備關(guān)鍵裝備、多種工藝條件、多種產(chǎn)品規(guī)格的模型庫、先進控制與裝備優(yōu)化算法庫及工程應(yīng)用模板；優(yōu)化算法庫及工程應(yīng)用模板；成套專用控制裝置設(shè)計開發(fā)平臺成套專用控制裝置設(shè)計開發(fā)平臺 結(jié)合裝備特點，采用先進的測量技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、

33、裝結(jié)合裝備特點，采用先進的測量技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、裝備優(yōu)化技術(shù)，配備專用建模、控制、優(yōu)化、管理軟件，開發(fā)專用自動備優(yōu)化技術(shù)，配備專用建模、控制、優(yōu)化、管理軟件，開發(fā)專用自動化集成系統(tǒng)。化集成系統(tǒng)。 312012年自動化專題年自動化專題二二、系統(tǒng)集成技術(shù)系統(tǒng)集成技術(shù)32過程控制發(fā)展回顧過程控制發(fā)展回顧階段階段一一（年代（年代70以前）以前）二二（7080年代）年代）三三（90年代）年代）控制理論控制理論經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論控制論、信息論、系控制論、信息論、系統(tǒng)論、人工智能等學(xué)統(tǒng)論、人工智能等學(xué)科交叉科交叉控制工具控制工具常規(guī)儀表常規(guī)儀表（氣動、液動、電動（氣動

34、、液動、電動）分布式控制計算機（分布式控制計算機（DCS）計算機網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總計算機網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線系統(tǒng)與智能儀表線系統(tǒng)與智能儀表控制要求控制要求安全、平穩(wěn)安全、平穩(wěn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗市場預(yù)測、快速響應(yīng)市場預(yù)測、快速響應(yīng)、柔性生產(chǎn)、創(chuàng)新管、柔性生產(chǎn)、創(chuàng)新管理理控制水平控制水平簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)先進控制系統(tǒng)先進控制系統(tǒng)綜合自動化（綜合自動化（CIPS）l 先進的控制工具，先進的控制工具， DCS、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)與完善；、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)與完善；l 現(xiàn)代控制理論的不斷發(fā)展與提高。如預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、非線現(xiàn)代控制理論的不斷發(fā)展與提高。如預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、非線

35、性控制、魯棒控制以及智能控制等控制策略與方法仍然為目前國內(nèi)性控制、魯棒控制以及智能控制等控制策略與方法仍然為目前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工程界的熱點研究課題。外學(xué)術(shù)界與工程界的熱點研究課題。33過程控制重要發(fā)展階段過程控制重要發(fā)展階段模擬監(jiān)測儀表手動控制（模擬監(jiān)測儀表手動控制（1930以前）以前）模擬單回路反饋控制器（模擬單回路反饋控制器（1930以以后） 1945年美國人Bode，奠定了控制理論的基礎(chǔ)。監(jiān)督控制（監(jiān)督控制（SCADA：Supervisory Control and Data Aquisition） 計算機開始用于過程控制，主要是監(jiān)視功能（1950s）設(shè)定值控制（設(shè)定值控制（SPC：Se

36、t Point Control） 由計算機計算出給定值，輸出給模擬調(diào)節(jié)器（1960s）直接數(shù)字控制（直接數(shù)字控制（DDC：Direct Digital Control） 模擬PID電路變成了數(shù)字PID（1960s）可編程控制器（可編程控制器（PLC：Programmable Logic Controller） Dick Morley博士，1968年，Modicon公司，084系列分布式控制系統(tǒng)（分布式控制系統(tǒng)（DCS：Distributed Control System） 分布式控制器，集中CRT監(jiān)視（1975年，Honeywell：TDC2000）現(xiàn)場總線儀表（現(xiàn)場總線儀表（Fieldbus

37、 Instrument） 用數(shù)字信號儀表取代420mA模擬儀表（1990s）34信息化工廠的層次信息化工廠的層次生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）監(jiān)視與人機接口監(jiān)視與人機接口(SCADA)單元控制單元控制回路控制回路控制傳感器、變送器、執(zhí)行器傳感器、變送器、執(zhí)行器被控主設(shè)備被控主設(shè)備企業(yè)管理（企業(yè)管理（ERP）DCS35信息化工廠的層次信息化工廠的層次MES單元控制回路控制輸入輸出傳感器、變送器、執(zhí)行器AV控制室操作接口control room被控主設(shè)備工作流與生產(chǎn)執(zhí)行過程控制SCADA =Supervisory ControlAnd Data AcquisitionTERP企業(yè)管理36流程

38、工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)功能層次流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)功能層次 通常分為：通常分為：各級從各級從“上級上級”獲取指示，從獲取指示，從“下級下級”獲取信息，產(chǎn)生對獲取信息，產(chǎn)生對“下級下級”的控的控制。制。 直接控制直接控制經(jīng)營經(jīng)營管理管理生產(chǎn)管理生產(chǎn)管理過程管理過程管理連續(xù)過程連續(xù)過程 間歇過程間歇過程 離散過程離散過程經(jīng)營管理級居于工廠自動化系統(tǒng)的最經(jīng)營管理級居于工廠自動化系統(tǒng)的最高一層，負責(zé)全廠廣泛的工程、經(jīng)濟高一層，負責(zé)全廠廣泛的工程、經(jīng)濟、商務(wù)、人事以及其它的工作。如：、商務(wù)、人事以及其它的工作。如：市場分析、銷售和生產(chǎn)計劃市場分析、銷售和生產(chǎn)計劃過程管理級主要功能包括回路過程管理級主要功能

39、包括回路組態(tài)、優(yōu)化控制、性能監(jiān)視、組態(tài)、優(yōu)化控制、性能監(jiān)視、故障監(jiān)測、記錄、報警故障監(jiān)測、記錄、報警生產(chǎn)管理主要完成生產(chǎn)規(guī)劃，生產(chǎn)監(jiān)生產(chǎn)管理主要完成生產(chǎn)規(guī)劃，生產(chǎn)監(jiān)視，根據(jù)用戶訂單、庫存、能耗約束視，根據(jù)用戶訂單、庫存、能耗約束、能耗需求等指標進行生產(chǎn)調(diào)度。在、能耗需求等指標進行生產(chǎn)調(diào)度。在許多許多DCSDCS中，這級就充當(dāng)最高管理層中，這級就充當(dāng)最高管理層。直接控制級主要功能包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采直接控制級主要功能包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)視、故障診斷，控制輸出集、過程監(jiān)視、故障診斷，控制輸出、安全性能和冗余性能的實施、安全性能和冗余性能的實施37現(xiàn)場設(shè)備：傳感現(xiàn)場設(shè)備：傳感器、變送器、執(zhí)器、變送器、

40、執(zhí)行器行器現(xiàn)場設(shè)備：傳感器、變送器、執(zhí)行器現(xiàn)場設(shè)備：傳感器、變送器、執(zhí)行器38控制器與輸入輸控制器與輸入輸出出控制器與輸入輸出控制器與輸入輸出39控制室人機接口控制室人機接口：模擬時代：模擬時代控制室人機接口：模擬時代控制室人機接口：模擬時代40控制室人機接口控制室人機接口：數(shù)字時代：數(shù)字時代控制室人機接口：數(shù)字時代控制室人機接口：數(shù)字時代41各層次系統(tǒng)的相各層次系統(tǒng)的相應(yīng)時間應(yīng)時間PlanningLevelExecutionLevelControlLevelSupervisoryLevelms Seconds Hours Days Weeks Month YearsERP(Enterpris

41、e Resource Planning)DCS MES(Manufacturing Execution System)PLC(Programmable Logic Controller)(Distributed Control System)(Supervisory Control and Data Acquisition)SCADA各層次系統(tǒng)的相應(yīng)時間各層次系統(tǒng)的相應(yīng)時間42DCS基本體系結(jié)構(gòu)基本體系結(jié)構(gòu)43一個專業(yè)的儀控工程師（一個專業(yè)的儀控工程師（I&C Professional） 通曉各種傳感器、變送器、執(zhí)行器的應(yīng)用通曉各種傳感器、變送器、執(zhí)行器的應(yīng)用 通曉基本控制元件（如繼電

42、器等）通曉基本控制元件（如繼電器等） 通曉通曉DCS/PLC等系統(tǒng)硬件的指標和應(yīng)用等系統(tǒng)硬件的指標和應(yīng)用 通曉通曉HMI軟件的應(yīng)用軟件的應(yīng)用 通曉過程控制算法的設(shè)計和現(xiàn)場調(diào)試通曉過程控制算法的設(shè)計和現(xiàn)場調(diào)試 通曉網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和現(xiàn)場總線的應(yīng)用通曉網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和現(xiàn)場總線的應(yīng)用 通曉各種流行的軟件接口（如通曉各種流行的軟件接口（如OPC）應(yīng)用）應(yīng)用 通曉各種行業(yè)標準、國際和國家強制型法規(guī)通曉各種行業(yè)標準、國際和國家強制型法規(guī) 通曉儀控項目的實施和管理通曉儀控項目的實施和管理44第三部分第三部分P&ID圖的圖的通用設(shè)計規(guī)定通用設(shè)計規(guī)定P&ID圖首頁圖圖首頁圖45第三部分第三部分P&ID

43、圖的圖的通用設(shè)計規(guī)定通用設(shè)計規(guī)定完整的完整的P&ID舉例舉例462012年自動化專題年自動化專題三、三、先進控制技術(shù)先進控制技術(shù)47目前流程工業(yè)控制中存在的問題目前流程工業(yè)控制中存在的問題n 控制效果差控制效果差u控制效果波動大，沒有對產(chǎn)品質(zhì)量和工藝指標進行控控制效果波動大，沒有對產(chǎn)品質(zhì)量和工藝指標進行控制，因而產(chǎn)品質(zhì)量差，產(chǎn)品收率低，生產(chǎn)成本高制，因而產(chǎn)品質(zhì)量差，產(chǎn)品收率低，生產(chǎn)成本高n 能耗大能耗大 石化行業(yè)的能耗和污染排放水平仍居工業(yè)行業(yè)前列。全行業(yè)綜合能源消費量已占全石化行業(yè)的能耗和污染排放水平仍居工業(yè)行業(yè)前列。全行業(yè)綜合能源消費量已占全國能耗總量的約為國能耗總量的約為13%,

44、占工業(yè)能耗總量的約為占工業(yè)能耗總量的約為18%。2010年年,全行業(yè)二氧化碳排放高全行業(yè)二氧化碳排放高達達8.63億噸億噸,僅次于電力和鋼鐵行業(yè)僅次于電力和鋼鐵行業(yè),位居工業(yè)部門第三位位居工業(yè)部門第三位;2009年全行業(yè)排放廢水年全行業(yè)排放廢水41.6億噸億噸,化學(xué)需氧量化學(xué)需氧量63.9萬噸萬噸,氨氮氨氮9.9萬噸萬噸,二氧化硫二氧化硫174.1萬噸萬噸,氮氧化物氮氧化物89.9萬噸萬噸,均居工均居工業(yè)部門前列。業(yè)部門前列。 n 裝置故障率高裝置故障率高48先進控制技術(shù)的出現(xiàn)先進控制技術(shù)的出現(xiàn)n 解決目前流程工業(yè)控制中存在的問題，實現(xiàn)生產(chǎn)解決目前流程工業(yè)控制中存在的問題，實現(xiàn)生產(chǎn)過程運行的過

45、程運行的“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”n 先進控制技術(shù)是一個廣泛的概念，是指不同于常先進控制技術(shù)是一個廣泛的概念，是指不同于常規(guī)控制方案的一切控制新方法規(guī)控制方案的一切控制新方法u預(yù)測控制技術(shù)預(yù)測控制技術(shù)u軟測量技術(shù)軟測量技術(shù)u過程監(jiān)控技術(shù)過程監(jiān)控技術(shù)49相對傳統(tǒng)的以溫度、壓力、液相對傳統(tǒng)的以溫度、壓力、液位等為目標的單回路控制而言，位等為目標的單回路控制而言，先進控制先進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的多變量控制求為指標的多變量控制先進控制系統(tǒng)的本質(zhì)：50加熱爐的控制加熱爐的控制 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)、負壓、含氧量等控、燃燒系

46、統(tǒng)燃料、送風(fēng)、負壓、含氧量等控制制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耦合各種控制回路之間存在著強耦合 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51 燃料 送風(fēng)機 引風(fēng)機 噴水 壓力 風(fēng)燃比 負壓 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：燃燒效率、尾氣含、人們關(guān)心的控制指標：燃燒效率、尾氣含 氧量、影響安全因素（水位、負壓）等氧量、影響安全因素（水位、

47、負壓）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) 52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)液營養(yǎng)液氨水氨水硫氨（氮）硫氨（氮）苯乙酸苯乙酸53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，達到“卡邊”生產(chǎn)的目標54先進控制器實施現(xiàn)場曲線初餾塔干點航煤初餾點航煤干點航煤閃點

48、輕柴95%航煤冰點55先進控制技術(shù)應(yīng)用的效益先進控制技術(shù)應(yīng)用的效益 Aspen公司公司 數(shù)據(jù)表明：數(shù)據(jù)表明： 實施實施APC取得的效益中，降低能耗占取得的效益中，降低能耗占10，產(chǎn)品質(zhì)量提高占，產(chǎn)品質(zhì)量提高占10%，提高裝置，提高裝置生產(chǎn)平穩(wěn)與安全性占生產(chǎn)平穩(wěn)與安全性占15，提高回收率占，提高回收率占15，提高加工能力占，提高加工能力占30。Chemshare公司數(shù)據(jù)表明：公司數(shù)據(jù)表明：用用DCS改造常規(guī)儀表獲得改造常規(guī)儀表獲得10的效益，在的效益，在DCS上實現(xiàn)上實現(xiàn)APC獲得獲得40的效益的效益 56先進控制技術(shù)的作用先進控制技術(shù)的作用隨著工業(yè)過程日益朝著集成化、大型化方向發(fā)展，系隨著工業(yè)

49、過程日益朝著集成化、大型化方向發(fā)展，系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷增加，表現(xiàn)為控制目標多元化，變量統(tǒng)的復(fù)雜性不斷增加，表現(xiàn)為控制目標多元化，變量數(shù)目增多且相關(guān)性增強以及存在多種約束。數(shù)目增多且相關(guān)性增強以及存在多種約束?？刂?+ 優(yōu)化 + 監(jiān)控 = 效益先進控制先進控制優(yōu)化優(yōu)化/在線優(yōu)化在線優(yōu)化過程監(jiān)控過程監(jiān)控Operators工程界形成共識：工程界形成共識：先進控制先進控制 確保操作運行在局部約束條件邊界上確保操作運行在局部約束條件邊界上 優(yōu)化優(yōu)化 / /在線優(yōu)化在線優(yōu)化 追求效益最大化目標追求效益最大化目標過程監(jiān)控過程監(jiān)控 改進、提高運行效率改進、提高運行效率57先進控制技術(shù)的作用先進控制技術(shù)的作用原材

50、料信息獲取原材料信息獲取/生產(chǎn)計劃優(yōu)化生產(chǎn)計劃優(yōu)化Raw Material Acquisition / Run Plan Optimization采用采用簡化模型簡化模型，僅考慮主要約束條件，僅考慮主要約束條件優(yōu)化優(yōu)化全廠全廠裝置裝置優(yōu)化優(yōu)化預(yù)期進料、操作條件和價格預(yù)期進料、操作條件和價格以效益最大化為驅(qū)動目標，實現(xiàn)以效益最大化為驅(qū)動目標，實現(xiàn)經(jīng)濟定價經(jīng)濟定價生產(chǎn)計劃生產(chǎn)計劃每月每月/每周每周平均計劃平均計劃操作條件實時優(yōu)化操作條件實時優(yōu)化Current - Real Time - Operations Optimization詳細的工程模型詳細的工程模型，準確預(yù)測所有約束，準確預(yù)測所有約束進

51、行各個裝置的進行各個裝置的單元優(yōu)化單元優(yōu)化，非全廠規(guī)模，非全廠規(guī)?；诨诋?dāng)前生產(chǎn)當(dāng)前生產(chǎn)操作條件與價格進行優(yōu)化操作條件與價格進行優(yōu)化優(yōu)化目標值能夠優(yōu)化目標值能夠自動執(zhí)行自動執(zhí)行先進控制應(yīng)用先進控制應(yīng)用Advanced Control Applications通過裝置測試通過裝置測試獲取線性動態(tài)模型獲取線性動態(tài)模型應(yīng)用范圍小于應(yīng)用范圍小于RTO（單一指標、控制回路等）（單一指標、控制回路等）進行進行動態(tài)約束控制動態(tài)約束控制各約束條件各約束條件預(yù)先定義的、區(qū)分優(yōu)先級別預(yù)先定義的、區(qū)分優(yōu)先級別計劃優(yōu)化系統(tǒng)計劃優(yōu)化系統(tǒng)（PIMS）在線優(yōu)化在線優(yōu)化（RTO）先進控制先進控制（APC）每月每月/周周小時

52、小時分鐘分鐘調(diào)度約束、調(diào)度約束、價格等價格等計劃、調(diào)度計劃、調(diào)度的過程變量的過程變量過程約束過程約束優(yōu)化目標優(yōu)化目標58先進控制技術(shù)的實施過程先進控制技術(shù)的實施過程T-151F-2101F-2150T101SS4PA1PA2PA3PA4SS3OVERFLASHSS2SS1StmF-101F-170GOACRUDECRUDECRUDECRUDECRUDEASSAYBLENDT2101F 2 1 0 1F 2 1 5 0LVGOHVGOFCCUOVEREAHDLIGHT ENDSLVNHFHFHFATFGOCFOBLENDINGHCCOLCCOHCNLCCOASPHALTLCCOSLURRYHCN

53、TOPWF優(yōu)化優(yōu)化工程師工程師先控先控工程師工程師RTO 模型模型 及其在線應(yīng)用及其在線應(yīng)用APC應(yīng)用應(yīng)用FC101RTO 系統(tǒng)平臺系統(tǒng)平臺DCS界面界面系統(tǒng)工程師系統(tǒng)工程師分析工程師分析工程師 進料進料/產(chǎn)品分析產(chǎn)品分析實驗室實驗室計劃調(diào)度計劃調(diào)度人員人員 價格價格 驅(qū)動力驅(qū)動力 限制約束限制約束離線學(xué)習(xí)離線學(xué)習(xí)目標函數(shù)、定價、邏輯目標函數(shù)、定價、邏輯終端用戶終端用戶操作工程師操作工程師59預(yù)測控制基本知識預(yù)測控制基本知識n 預(yù)測控制：模型預(yù)測控制，預(yù)測控制：模型預(yù)測控制，Model Predictive Control， MPCn 20世紀世紀70年代末，在工業(yè)過程控制領(lǐng)域出現(xiàn)的一年代末，

54、在工業(yè)過程控制領(lǐng)域出現(xiàn)的一種基于模型的計算機控制算法。種基于模型的計算機控制算法。n 有著深刻的實際應(yīng)用背景，首先應(yīng)用于實際工業(yè)有著深刻的實際應(yīng)用背景，首先應(yīng)用于實際工業(yè)問題的解決，來自于工業(yè)實踐者。問題的解決，來自于工業(yè)實踐者。n 1978年，年，Richalet首先發(fā)表論文進行了介紹，隨首先發(fā)表論文進行了介紹，隨后引起研究熱潮，是目前工業(yè)過程中后引起研究熱潮，是目前工業(yè)過程中最為成功研最為成功研究最多的先進控制算法。究最多的先進控制算法。60預(yù)測控制基本知識預(yù)測控制基本知識預(yù)測控制的基本原理預(yù)測控制的基本原理 模型預(yù)測模型預(yù)測模型預(yù)測模型預(yù)測模型預(yù)測模型預(yù)測滾動優(yōu)化滾動優(yōu)化模型預(yù)測模型預(yù)測

55、反饋校正反饋校正l輸入輸出模型輸入輸出模型l假設(shè)未來輸入假設(shè)未來輸入預(yù)測未來輸出預(yù)測未來輸出l以滾動方式對未來以滾動方式對未來有限時域進行優(yōu)化有限時域進行優(yōu)化l在線計算并實現(xiàn)當(dāng)在線計算并實現(xiàn)當(dāng)前控制作用前控制作用l每一時刻檢測實每一時刻檢測實際輸出際輸出l以預(yù)測誤差補償以預(yù)測誤差補償對未來輸出的預(yù)測對未來輸出的預(yù)測61預(yù)測控制基本知識預(yù)測控制基本知識n 與預(yù)測控制有關(guān)的例子：過馬路，下棋與預(yù)測控制有關(guān)的例子：過馬路，下棋62預(yù)測控制基本知識預(yù)測控制基本知識n 與預(yù)測控制有關(guān)的例子：過馬路，下棋與預(yù)測控制有關(guān)的例子：過馬路，下棋63預(yù)測控制算法的類型預(yù)測控制算法的類型n 動態(tài)矩陣控制動態(tài)矩陣控制

56、 (Cutler et al, 1980)n（Dynamic Matrix Control, DMC）n 模型算法控制模型算法控制(Richalet et al, 1978)n（Model Algorithm Control, MAC）n 廣義預(yù)測控制廣義預(yù)測控制(Clarke et al, 1987)n（Generalized Predictive Control, GPC）n 預(yù)測函數(shù)控制預(yù)測函數(shù)控制(Adersa et al, 1987)n （Predictive Functional Control, PFC）n 單值預(yù)測控制、狀態(tài)空間預(yù)測控制、。單值預(yù)測控制、狀態(tài)空間預(yù)測控制、。64

57、預(yù)測控制技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用預(yù)測控制技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用n 預(yù)測控制理論產(chǎn)生于工業(yè)過程控制領(lǐng)域的需求和預(yù)測控制理論產(chǎn)生于工業(yè)過程控制領(lǐng)域的需求和實踐，具有很強的應(yīng)用背景實踐，具有很強的應(yīng)用背景n 目前已經(jīng)在煉油、化工、電力、航空航天、汽車目前已經(jīng)在煉油、化工、電力、航空航天、汽車控制等多個方面有著成功應(yīng)用控制等多個方面有著成功應(yīng)用n 尤其是在油田石化方面有大量應(yīng)用，在催化裂化、尤其是在油田石化方面有大量應(yīng)用，在催化裂化、加氫重整、常減壓、延遲焦化等大型裝置上有許加氫重整、常減壓、延遲焦化等大型裝置上有許多應(yīng)用報道多應(yīng)用報道n 國內(nèi)外流程工業(yè)中幾乎所有先進控制軟件都與預(yù)國內(nèi)外流程工業(yè)中幾乎所有先進控制軟件都

58、與預(yù)測控制技術(shù)相關(guān)，是工業(yè)過程應(yīng)用中最具代表性測控制技術(shù)相關(guān)，是工業(yè)過程應(yīng)用中最具代表性的先進控制算法的先進控制算法65預(yù)測控制技術(shù)的應(yīng)用軟件預(yù)測控制技術(shù)的應(yīng)用軟件n 第一代：第一代：IDCOM 、DMCu主要處理無約束多變量過程控制主要處理無約束多變量過程控制n 第二代：第二代：QDMCu解決了輸入輸出約束問題解決了輸入輸出約束問題n 第三代：第三代：SMOC、SMCA、HIECON、IDCOM-Mu解決了有約束多變量過程解決了有約束多變量過程MPC優(yōu)化中的不可行解問題優(yōu)化中的不可行解問題n 第四代：第四代：DMC+（Aspen)、RMPCT(Honeywell)u多目標優(yōu)化、魯棒設(shè)計、系統(tǒng)

59、辨識技術(shù)多目標優(yōu)化、魯棒設(shè)計、系統(tǒng)辨識技術(shù)66當(dāng)前預(yù)測控制軟件特點當(dāng)前預(yù)測控制軟件特點n 典型代表：典型代表：DMC+和和RMPCTu1995年，年，HONEYWELL兼并兼并Profimatics公司，將公司，將RMPC與與PCT算法整合形成算法整合形成RMPCT軟件包軟件包u1996年，年，ASPEN兼并兼并Setpoint和和DMC公司，將公司，將SMCA和和DMC融合形成融合形成DMC+軟件軟件n 特點特點u都采用了都采用了Windows圖形用戶界面，可以處理具有優(yōu)先圖形用戶界面，可以處理具有優(yōu)先權(quán)控制目標的多目標優(yōu)化問題，增強了穩(wěn)態(tài)目標優(yōu)化權(quán)控制目標的多目標優(yōu)化問題，增強了穩(wěn)態(tài)目標優(yōu)

60、化的適應(yīng)性，優(yōu)化中直接考慮了模型的不確定性，采用的適應(yīng)性，優(yōu)化中直接考慮了模型的不確定性，采用先進的模型辨識技術(shù)先進的模型辨識技術(shù)67國內(nèi)預(yù)測控制應(yīng)用情況國內(nèi)預(yù)測控制應(yīng)用情況n 國內(nèi)最早是齊魯石化公司勝利煉油廠引進了美國國內(nèi)最早是齊魯石化公司勝利煉油廠引進了美國Setpoint公司的公司的IDCOM-M軟件，并應(yīng)用于催化裂軟件，并應(yīng)用于催化裂化裝置取得成功化裝置取得成功n 近些年來，我國已經(jīng)引進了近些年來，我國已經(jīng)引進了SMCA、DMC+、RMPCT等多個公司的先進控制軟件，在許多石油等多個公司的先進控制軟件，在許多石油石化裝置取得成功應(yīng)用石化裝置取得成功應(yīng)用n 引進國外軟件的問題引進國外軟件的問題u價格非常高（價格非常高（li