工業(yè)過程智能綜合自動化系統(tǒng)課件

1、工業(yè)過程智能綜合自動化系統(tǒng)柴天佑東北大學國家冶金自動化工程技術研究中心1. 引 言 2. 工業(yè)生產過程控制與管理流程3. 智能綜合自動化系統(tǒng)4. 選礦生產過程的工程應用5. 結 論提 綱 1.1 過程工業(yè)對實現(xiàn)綜合生產指標優(yōu)化的綜合自動化系統(tǒng)的需求不斷增長（1）國際工業(yè)界在全球市場環(huán)境下，改進產品質量、生產效率和成本的需求不斷增長，實時優(yōu)化受到過程工業(yè)的重視并廣泛采用。（Tosukhowong，2019） 為了適應變化的經濟環(huán)境，減少消耗，降低成本，提高生產效率，提高運行安全性，必須對于控制、優(yōu)化、計劃與調度以及生產過程管理實現(xiàn)無縫集成（Havlena，IFAC semi-plenary, 2

2、019）對于降低生產成本、提高產品質量、減少環(huán)境污染和資源消耗，只能通過全流程自動控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計來實現(xiàn)（歐洲鋼鐵工業(yè)技術指南，2019）1.引 言 （2）國內工業(yè)界 流程工業(yè)是我國國民經濟的重要支柱產業(yè)之一國民經濟的支柱產業(yè)，工業(yè)產值占全國工業(yè)總產值的66；鋼產量連續(xù)9年世界第一；氧化鋁、鎂、稀土等產量世界第一； 流程工業(yè)面臨的突出問題是能耗高，資源消耗大單位能耗高出先進國家30以上 需要通過優(yōu)化控制實現(xiàn)流程工業(yè)節(jié)能、降耗實現(xiàn)綜合生產指標優(yōu)化的綜合自動化系統(tǒng)成為過程控制的新的研究方向 過程控制、過程優(yōu)化、生產調度、企業(yè)管理和經濟決策五層結構的綜合自動化系統(tǒng) (Theodore J. Wil

3、liams,1989)economic decisionenterprise managementproduction schedulingprocess optimizationprocess control 1.2.1 系統(tǒng)結構的研究現(xiàn)狀 1.2 綜合自動化系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 過程穩(wěn)定化、過程優(yōu)化、過程管理三層結構組成的選礦生產過程自動化系統(tǒng) (Houseman, et al. 2019) process managementprocess optimizationprocess stabilization 基于企業(yè)資源計劃（ERP）/制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）/過程控制系統(tǒng)（PCS）三層結構的金

4、礦企業(yè)綜合自動化系統(tǒng) (柴天佑、金以慧等, 2019) ERP(Enterprise Resource Planning)PCS(Process Control System)MES (Manufacturing Execution System) 石化行業(yè)靜態(tài)優(yōu)化控制（萬百五，1990）基于模型預測控制的在線 動態(tài)優(yōu)化控制方法（Nath，2000）提出了采用三層結構將生產全流程中的多個模型預測控 制器進行協(xié)調控制實現(xiàn)全流程的優(yōu)化方法（Lu，2019，Qin，2019） 1.2.2 優(yōu)化控制的研究現(xiàn)狀其他流程行業(yè)停留在過程單元的優(yōu)化控制，以控制系統(tǒng)自身的性能指標為優(yōu)化控制目標，要求優(yōu)化指標能用

5、控制系統(tǒng)的輸入與輸出的精確數(shù)學模型來描述（Smets，2019；Hrovat，2019）冶金工業(yè)過程的熱軋層流冷卻和步進式加熱爐提出了由底層控制與上層監(jiān)控兩層結構組成的基于工藝指標的集成優(yōu)化控制方法（Chai，2019；Li，2019；Guan,2019;Wang,2019）提出的方法只適合具體的工業(yè)過程，還沒有形成流程工業(yè)的全流程優(yōu)化控制的一般理論與方法通過全流程優(yōu)化控制和計劃與調度實現(xiàn)綜合生產指標分解與協(xié)調研究甚少1.3 主要工作 實現(xiàn)綜合生產指標優(yōu)化的混合智能控制方法工業(yè)過程智能綜合自動化系統(tǒng)成功應用于中國最大的赤鐵礦選礦生產過程，取得明顯應用成效調度部工藝技術部過程控制系統(tǒng)設備起停順序

6、工業(yè)生產過程產量 質量 成本利潤生產計劃部控制回路設定值（工藝參數(shù)、給料量）產量、能源、成本、設備檢修及運行、原料、質量作業(yè)計劃：原料、能源、設備（運行、檢修）、產量作業(yè)班資源供應系統(tǒng)水、煤、電、氣、原料 操作員操作員經營決策部質量(產品質量)成本（生產成本）產量生產過程數(shù)據(jù)資源調配生產過程管理部質量、能源、成本、設備（運行、檢修）綜合生產指標生產計劃作業(yè)計劃作業(yè)標準工藝指標生產過程數(shù)據(jù) 生產過程管理與控制流程圖2. 工業(yè)生產過程控制與管理流程生產指令經營決策部決定與質量、產量、成本和消耗相關的綜合生產指標計劃部門將綜合生產指標分解為產量、能源、成本、設備檢修及運行、原料、質量的生產計劃調度部

7、門將生產計劃分解為原料、能源、設備運行及檢修、產量作業(yè)計劃生產過程管理部門接受質量、能源、成本、設備（運行、檢修）生產計劃和原料、能源、設備（運行、檢修）、產量作業(yè)計劃，將其轉化為作業(yè)標準，下達給作業(yè)班工藝技術部門接受質量、成本、產量生產計劃和原料、能源、設備（運行、檢修）、產量作業(yè)計劃，將其轉化為工藝指標，下達給作業(yè)班作業(yè)班將作業(yè)標準變?yōu)樯a指令，將工藝標準變?yōu)榭刂苹芈吩O定值（包括工藝參數(shù)、給料量）；通過資源供應系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)來操作與控制生產過程 生產過程管理與控制流程 早期生產過程操作與控制實施中主要由人來完成，造成金字 塔式管理結構關鍵問題是如何構建綜合自動化系統(tǒng)來實現(xiàn)扁平化管理和綜

8、合生產指標優(yōu)化3. 智能綜合自動化系統(tǒng)集成支撐系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫計算機網絡企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）生產執(zhí)行系統(tǒng)（MES）生產過程控制系統(tǒng)（PCS）綜合生產指標優(yōu)化系統(tǒng)3.1 智能綜合自動化系統(tǒng)3.1.1 系統(tǒng)結構智能綜合自動化系統(tǒng)由企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）、生產執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、生產過程控制系統(tǒng)（PCS）、綜合生產指標優(yōu)化系統(tǒng)和集成支撐系統(tǒng)組成 ERP、MES 和 PCS的主要功能:將綜合生產指標轉化為生產計劃、作業(yè)計 劃，作業(yè)計劃轉化為作業(yè)標 準，作業(yè)標準轉化為生產指令，由操作者 去操作和控制生產過程調度部過程控制系統(tǒng)設備起停順序工業(yè)生產過程生產計劃部產量、能源、成本、設備檢修及運行、原料、質

9、量作業(yè)計劃：原料、能源、設備（運行、檢修）、產量作業(yè)班資源供應系統(tǒng)水、煤、電、氣、原料 操作員生產過程數(shù)據(jù)資源調配生產過程管理部質量、能源、成本、設備（運行、檢修）ERPMESPCS綜合生產指標生產計劃作業(yè)計劃作業(yè)標準生產指令產量 質量 成本利潤經營決策部企業(yè)資源計劃（ERP）主要完成經營決策部、生產計劃部確定綜合生產指標，并按其制定生產計劃（產量、能源、成本、設備檢修及運行、原料、質量等）的工作制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）主要完成生產調度部、生產過部管理部將生產計劃變?yōu)樽鳂I(yè)計劃、作業(yè)標準、生產指令的工作過程控制系統(tǒng)（PCS）根據(jù)作業(yè)班下達的生產指令和控制回路設定值操作和控制生產過程 綜合生產指標優(yōu)

10、化系統(tǒng)的功能將綜合生產指標分解為生產計劃、作業(yè) 計劃、工藝指標、控制回路優(yōu)化設定值綜合生產指標優(yōu)化工藝指標優(yōu)化調度部工藝技術部過程控制系統(tǒng)工業(yè)生產過程生產計劃部控制回路設定值（工藝參數(shù)、給料量）產量、能源、成本、設備檢修及運行、原料、質量作業(yè)計劃：原料、能源、設備（運行、檢修）、產量作業(yè)班操作員操作員質量(產品質量)成本（生產成本）產量生產過程數(shù)據(jù)過程控制綜合生產指標生產計劃作業(yè)計劃工藝指標優(yōu)化設定值產量 質量 成本利潤經營決策部 綜合生產指標優(yōu)化系統(tǒng)由綜合生產指標優(yōu)化子系統(tǒng)、工藝指標優(yōu)化子 系統(tǒng)和過程控制子系統(tǒng)三層結構組成綜合生產指標優(yōu)化子系統(tǒng)主要完成生產計劃部、調度部、工藝技術部將綜合生產

11、指標轉化為 工藝指標的工作工藝指標優(yōu)化子系統(tǒng)主要完成作業(yè)班操作人員將工藝指標轉化為控制回路的優(yōu)化設定值的工作過程控制子系統(tǒng)實現(xiàn)對控制回路優(yōu)化設定值的跟蹤3.2 混合智能優(yōu)化控制策略將智能行為和常規(guī)控制方法相結合，提出如下圖所示的混合智能優(yōu)化控制策略該策略由綜合生產指標智能優(yōu)化、工藝指標智能優(yōu)化和智能解耦控制三層組成 4 . 智能綜合自動化系統(tǒng)在選礦生活過程的工程應用上述智能綜合自動化系統(tǒng)已經在鋼鐵、冶金、選礦、氧化鋁和稀土等行業(yè)成功應用下面僅以選礦生產過程為例，介紹智能綜合自動化系統(tǒng)的應用4.1 赤鐵礦選礦生產過程描述4.1.1 酒鋼選礦廠介紹甘肅酒鋼選礦廠是酒泉鋼鐵（集團）公司的原料-鐵精礦

12、的生產廠年處理鐵礦石一期500萬噸，二期300萬噸礦石含鐵品位33% 4.1.2 工藝流程圖圖 鐵礦選礦生產過程流程圖廢石原礦粉礦塊礦焙燒礦石處理磨礦強磁選過程脫水過程尾礦壩廢石山有用礦石尾礦處理過程精礦處理過程精礦尾礦精礦尾礦精礦庫弱磁選過程精礦 尾礦選礦生產的主要過程礦石處理輸入: 原礦石設備: 振動篩, 皮帶運輸與卷揚系統(tǒng)輸出: 粉礦和塊礦豎爐焙燒 輸入: 塊礦設備: 豎爐, 干選機, 磁滑輪輸出: 有用礦石和廢石磨 礦輸入: 粉礦和有用礦石設備: 球磨機, 螺旋分級機, 水力旋流器輸出: 礦漿磁選輸入: 礦漿設備: 強磁機、弱磁機、脫水槽輸出: 磁選精礦和尾礦精礦生產輸入: 強磁選精礦

13、和脫水精礦設備: 精礦濃縮大井輸出: 濃縮精礦尾礦處理輸入: 尾礦設備: 尾礦濃縮大井輸出: 濃縮尾礦4.1.3 酒鋼選礦廠主要設備被控系統(tǒng)的主要設備共525臺礦石處理 : 99臺: 振動篩、皮帶運輸與卷揚系統(tǒng)等豎爐焙燒 : 89臺: 22豎爐, 4 干選機等 磨 礦 : 77臺: 15球磨機, 5分級機, 20旋流器等強 磁 選 : 68臺: 15 磁選機等弱 磁 選 : 99臺:中磁機8臺，弱磁機41臺濃縮脫水: 93臺: 過濾機18臺，真空泵18臺等Photograph of the FactoryTechnical indices optimal-setting system Opti

14、mal system ofproduction indices Production process management systemOptimal control system Process control systemMinerals processing optimal setpoints on-off instruction of the equipmentraworesfinished oresrelational databasereal-time databaseControl system of minerals processingMultimedia monitorin

15、g systemproduction scheduling equip-mentmanage-mentstatistic and analysis systemenergymanage-mentquality manage-mentviewing and decision supportproduc-tioncost controlprocess datatechnical indices costplan energy plan quality plan Production plan system equipment plan Fig. Structure of the intellige

16、nt integrated automation system for minerals processingProduction plan Computer support system material plan material manage-ment4.2 選礦過程綜合自動化系統(tǒng) 4.2.1 系統(tǒng)結構將智能綜合自動化系統(tǒng)與選礦生產過程相結合，提出如下綜合自動化系統(tǒng)computer network硬件平臺Fig.5 Hardware structure of the integrated automation systemPhotograph of the hardwareSoftwar

17、eof integratedautomationsystemManufacturing Execution SystemOptimal control systemRoasting optimizationMilling optimizationBasic automation systemDry dressingRoastingMillingMagnetic dressingDehydratingRaw materials sievingCondensingPlanning and statistics SchedulingEnergy managementDynamic cost cont

18、rolQuality controlEquipment managementViewing and decision support 軟件平臺 Interface of control software of raw ores processingPanoramic view of the FactoryMonitoring view of raw ores processingOperation panel ofraw ores processing Interface of control software of roasting process Panoramic view of twe

19、nty-two roasters Monitoring view of shaft roasterMonitoring view of operation parameters Operation panel of control systemInterface of control software of milling process Monitoring view of milling process Operation panel of control systemInterface of control software of magnetic dressing processOpe

20、ration panel of Magnetic dressing process Interface of control software of condensing process Monitoring view of condensing process Operation panel of condensing process4.2.2 選礦過程混合智能優(yōu)化方法 優(yōu)化控制結構圖如下圖所示 綜合生產指標智能優(yōu)化磨礦過程優(yōu)化控制系統(tǒng)磨礦過程控制生產過程磁選管回收率磨礦粒度豎爐過程優(yōu)化控制系統(tǒng)豎爐過程控制磨礦過程豎爐焙燒燃燒室溫度還原煤氣流量搬出時間給礦量給水量溢流濃度綜合生產指標控制回路

21、優(yōu)化設定值工藝指標礦石種類K原礦品位TEr礦石成分Er礦石性質Cr精礦品位TE金屬回收率RM處理量處理量Interface of optimal control software of roasting processmanagement panel of optimal control system of roasting Input of conditions Results of optimisation優(yōu)化軟件Interface of optimal control software of milling processmanagement panel of optimal control s