工业过程智能综合自动化系统课件

1、工业过程智能综合自动化系统柴天佑东北大学国家冶金自动化工程技术研究中心1. 引 言 2. 工业生产过程控制与管理流程3. 智能综合自动化系统4. 选矿生产过程的工程应用5. 结 论提 纲 1.1 过程工业对实现综合生产指标优化的综合自动化系统的需求不断增长（1）国际工业界在全球市场环境下，改进产品质量、生产效率和成本的需求不断增长，实时优化受到过程工业的重视并广泛采用。（Tosukhowong，2019） 为了适应变化的经济环境，减少消耗，降低成本，提高生产效率，提高运行安全性，必须对于控制、优化、计划与调度以及生产过程管理实现无缝集成（Havlena，IFAC semi-plenary, 2

2、019）对于降低生产成本、提高产品质量、减少环境污染和资源消耗，只能通过全流程自动控制系统的优化设计来实现（欧洲钢铁工业技术指南，2019）1.引 言 （2）国内工业界 流程工业是我国国民经济的重要支柱产业之一国民经济的支柱产业，工业产值占全国工业总产值的66；钢产量连续9年世界第一；氧化铝、镁、稀土等产量世界第一； 流程工业面临的突出问题是能耗高，资源消耗大单位能耗高出先进国家30以上 需要通过优化控制实现流程工业节能、降耗实现综合生产指标优化的综合自动化系统成为过程控制的新的研究方向 过程控制、过程优化、生产调度、企业管理和经济决策五层结构的综合自动化系统 (Theodore J. Wil

3、liams,1989)economic decisionenterprise managementproduction schedulingprocess optimizationprocess control 1.2.1 系统结构的研究现状 1.2 综合自动化系统的研究现状 过程稳定化、过程优化、过程管理三层结构组成的选矿生产过程自动化系统 (Houseman, et al. 2019) process managementprocess optimizationprocess stabilization 基于企业资源计划（ERP）/制造执行系统（MES）/过程控制系统（PCS）三层结构的金

4、矿企业综合自动化系统 (柴天佑、金以慧等, 2019) ERP(Enterprise Resource Planning)PCS(Process Control System)MES (Manufacturing Execution System) 石化行业静态优化控制（万百五，1990）基于模型预测控制的在线 动态优化控制方法（Nath，2000）提出了采用三层结构将生产全流程中的多个模型预测控 制器进行协调控制实现全流程的优化方法（Lu，2019，Qin，2019） 1.2.2 优化控制的研究现状其他流程行业停留在过程单元的优化控制，以控制系统自身的性能指标为优化控制目标，要求优化指标能用

5、控制系统的输入与输出的精确数学模型来描述（Smets，2019；Hrovat，2019）冶金工业过程的热轧层流冷却和步进式加热炉提出了由底层控制与上层监控两层结构组成的基于工艺指标的集成优化控制方法（Chai，2019；Li，2019；Guan,2019;Wang,2019）提出的方法只适合具体的工业过程，还没有形成流程工业的全流程优化控制的一般理论与方法通过全流程优化控制和计划与调度实现综合生产指标分解与协调研究甚少1.3 主要工作 实现综合生产指标优化的混合智能控制方法工业过程智能综合自动化系统成功应用于中国最大的赤铁矿选矿生产过程，取得明显应用成效调度部工艺技术部过程控制系统设备起停顺序

6、工业生产过程产量 质量 成本利润生产计划部控制回路设定值（工艺参数、给料量）产量、能源、成本、设备检修及运行、原料、质量作业计划：原料、能源、设备（运行、检修）、产量作业班资源供应系统水、煤、电、气、原料 操作员操作员经营决策部质量(产品质量)成本（生产成本）产量生产过程数据资源调配生产过程管理部质量、能源、成本、设备（运行、检修）综合生产指标生产计划作业计划作业标准工艺指标生产过程数据 生产过程管理与控制流程图2. 工业生产过程控制与管理流程生产指令经营决策部决定与质量、产量、成本和消耗相关的综合生产指标计划部门将综合生产指标分解为产量、能源、成本、设备检修及运行、原料、质量的生产计划调度部

7、门将生产计划分解为原料、能源、设备运行及检修、产量作业计划生产过程管理部门接受质量、能源、成本、设备（运行、检修）生产计划和原料、能源、设备（运行、检修）、产量作业计划，将其转化为作业标准，下达给作业班工艺技术部门接受质量、成本、产量生产计划和原料、能源、设备（运行、检修）、产量作业计划，将其转化为工艺指标，下达给作业班作业班将作业标准变为生产指令，将工艺标准变为控制回路设定值（包括工艺参数、给料量）；通过资源供应系统和过程控制系统来操作与控制生产过程 生产过程管理与控制流程 早期生产过程操作与控制实施中主要由人来完成，造成金字 塔式管理结构关键问题是如何构建综合自动化系统来实现扁平化管理和综

8、合生产指标优化3. 智能综合自动化系统集成支撑系统数据库计算机网络企业资源计划系统（ERP）生产执行系统（MES）生产过程控制系统（PCS）综合生产指标优化系统3.1 智能综合自动化系统3.1.1 系统结构智能综合自动化系统由企业资源计划系统（ERP）、生产执行系统（MES）、生产过程控制系统（PCS）、综合生产指标优化系统和集成支撑系统组成 ERP、MES 和 PCS的主要功能:将综合生产指标转化为生产计划、作业计 划，作业计划转化为作业标 准，作业标准转化为生产指令，由操作者 去操作和控制生产过程调度部过程控制系统设备起停顺序工业生产过程生产计划部产量、能源、成本、设备检修及运行、原料、质

9、量作业计划：原料、能源、设备（运行、检修）、产量作业班资源供应系统水、煤、电、气、原料 操作员生产过程数据资源调配生产过程管理部质量、能源、成本、设备（运行、检修）ERPMESPCS综合生产指标生产计划作业计划作业标准生产指令产量 质量 成本利润经营决策部企业资源计划（ERP）主要完成经营决策部、生产计划部确定综合生产指标，并按其制定生产计划（产量、能源、成本、设备检修及运行、原料、质量等）的工作制造执行系统（MES）主要完成生产调度部、生产过部管理部将生产计划变为作业计划、作业标准、生产指令的工作过程控制系统（PCS）根据作业班下达的生产指令和控制回路设定值操作和控制生产过程 综合生产指标优

10、化系统的功能将综合生产指标分解为生产计划、作业 计划、工艺指标、控制回路优化设定值综合生产指标优化工艺指标优化调度部工艺技术部过程控制系统工业生产过程生产计划部控制回路设定值（工艺参数、给料量）产量、能源、成本、设备检修及运行、原料、质量作业计划：原料、能源、设备（运行、检修）、产量作业班操作员操作员质量(产品质量)成本（生产成本）产量生产过程数据过程控制综合生产指标生产计划作业计划工艺指标优化设定值产量 质量 成本利润经营决策部 综合生产指标优化系统由综合生产指标优化子系统、工艺指标优化子 系统和过程控制子系统三层结构组成综合生产指标优化子系统主要完成生产计划部、调度部、工艺技术部将综合生产

11、指标转化为 工艺指标的工作工艺指标优化子系统主要完成作业班操作人员将工艺指标转化为控制回路的优化设定值的工作过程控制子系统实现对控制回路优化设定值的跟踪3.2 混合智能优化控制策略将智能行为和常规控制方法相结合，提出如下图所示的混合智能优化控制策略该策略由综合生产指标智能优化、工艺指标智能优化和智能解耦控制三层组成 4 . 智能综合自动化系统在选矿生活过程的工程应用上述智能综合自动化系统已经在钢铁、冶金、选矿、氧化铝和稀土等行业成功应用下面仅以选矿生产过程为例，介绍智能综合自动化系统的应用4.1 赤铁矿选矿生产过程描述4.1.1 酒钢选矿厂介绍甘肃酒钢选矿厂是酒泉钢铁（集团）公司的原料-铁精矿

12、的生产厂年处理铁矿石一期500万吨，二期300万吨矿石含铁品位33% 4.1.2 工艺流程图图 铁矿选矿生产过程流程图废石原矿粉矿块矿焙烧矿石处理磨矿强磁选过程脱水过程尾矿坝废石山有用矿石尾矿处理过程精矿处理过程精矿尾矿精矿尾矿精矿库弱磁选过程精矿 尾矿选矿生产的主要过程矿石处理输入: 原矿石设备: 振动筛, 皮带运输与卷扬系统输出: 粉矿和块矿竖炉焙烧 输入: 块矿设备: 竖炉, 干选机, 磁滑轮输出: 有用矿石和废石磨 矿输入: 粉矿和有用矿石设备: 球磨机, 螺旋分级机, 水力旋流器输出: 矿浆磁选输入: 矿浆设备: 强磁机、弱磁机、脱水槽输出: 磁选精矿和尾矿精矿生产输入: 强磁选精矿

13、和脱水精矿设备: 精矿浓缩大井输出: 浓缩精矿尾矿处理输入: 尾矿设备: 尾矿浓缩大井输出: 浓缩尾矿4.1.3 酒钢选矿厂主要设备被控系统的主要设备共525台矿石处理 : 99台: 振动筛、皮带运输与卷扬系统等竖炉焙烧 : 89台: 22竖炉, 4 干选机等 磨 矿 : 77台: 15球磨机, 5分级机, 20旋流器等强 磁 选 : 68台: 15 磁选机等弱 磁 选 : 99台:中磁机8台，弱磁机41台浓缩脱水: 93台: 过滤机18台，真空泵18台等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 选矿过程综合自动化系统 4.2.1 系统结构将智能综合自动化系统与选矿生产过程相结合，提出如下综合自动化系统computer network硬件平台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 软件平台 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 选矿过程混合智能优化方法 优化控制结构图如下图所示 综合生产指标智能优化磨矿过程优化控制系统磨矿过程控制生产过程磁选管回收率磨矿粒度竖炉过程优化控制系统竖炉过程控制磨矿过程竖炉焙烧燃烧室温度还原煤气流量搬出时间给矿量给水量溢流浓度综合生产指标控制回路

21、优化设定值工艺指标矿石种类K原矿品位TEr矿石成分Er矿石性质Cr精矿品位TE金属回收率RM处理量处理量Interface of optimal control software of roasting processmanagement panel of optimal control system of roasting Input of conditions Results of optimisation优化软件Interface of optimal control software of milling processmanagement panel of optimal control s