流程工业综合自动化技术发展讲座课件

2012年自动化专题流程工业综合自动化技术天津理工大学自动化学院主讲人：高强时间：2012年11月13日联系方式：gaoqiang@qq:89263772912012年自动化专题流程工业综合自动化技术天津理工大学自动化12012年自动化专题主要内容一、概述二、系统集成技术

三、先进控制技术四、故障诊断技术五、总结22012年自动化专题主要内容一、概述222012年自动化专题一、概述32012年自动化专题一、概述33什么是流程工业？流程工业(ProcessIndustry)也称过程工业，通常是指通过物理变化和化学变化进行的生产过程，其原料和产品多为均一相（固、液或气体）的物料，而非由零部件组装成的物品。其产品质量多由纯度和各种物理、化学性质表征。化工、炼油、冶金、轻工、建材等行业均属过程工业。过程系统(ProcessSystem)4什么是流程工业？44流程工业的特点现代流程工业愈来愈注重于物料、能量的综合利用。多次循环复杂网络系统。过程工业向高效、节能、洁净型发展。流程工业系统模型为具有高度非线性的代数、微分(偏、常微分)方程混合组成的数学模型，模型中包含大量的过程参数和高维状态变量，且高度交联、耦合。现代流程工业操作可调、工艺灵活、产品多样、控制系统化的特点。55流程工业的特点现代流程工业愈来愈注重于物料、能量的综合利用。5工业过程的类型流程工业（ProcessIndustry）连续生产过程产品论“斤”卖如：化肥制造业（ManufacturingIndustry）离散制造过程产品论“个数”卖如：螺丝钉工业过程的类型6工业过程的类型流程工业（ProcessIndustry）工6过程控制（ProcessControl）控制流程工业的生产过程一条生产线只生产一种产品主要控制手段是PID现在流行叫ProcessAutomation（过程自动化）离散控制（DiscreteControl）控制制造业的加工过程主要手段是顺序与逻辑控制现在流行叫FactoryAutomation（工厂自动化）批量控制（BatchControl）同一生产线上的间歇性、多品种生产过程，半连续过程。既有顺序与逻辑控制，也有连续过程控制每种产品有自己的“配方”主要是食品和制药行业工业控制的分类7过程控制（ProcessControl）工业控制的分类77连续控制：流程工业8连续控制：流程工业88离散控制：制造业离散控制：制造业9离散控制：制造业离散控制：制造业99批量过程：制药行业批量过程：制药行业10批量过程：制药行业批量过程：制药行业1010工业控制的分类outputcontroller+-plantstatedisplaycontrolvariable

(analog)set-pointplantmeasurementplantstatesequenceron/offplantdisplay过程控制：闭环的特征closed-loopcontrol/regulationkeywords:feedback,analogvariables,continuousprocesses,"processcontrol"离散控制：开环的特征open-loopcontrol/commandkeywords:sequential/combinatorial,binaryvariables,discreteprocesses,

"batchcontrol","manufacturing"outputerror(deviation)binary%processvaluemeasurementclock大部分工厂都是混合过程工厂11工业控制的分类outputcontroller+-plant11特点：兼有连续和离散生产特性，能源和资源消耗大，高温运作，单体设备大

连铸

炼钢

热轧精炼板坯库

加热炉

高炉炼铁炼钢精整线冷轧

12特点：兼有连续和离散生产特性，能源和资源消耗大，高温运作，单12流程工业包括了石化、炼油、化工、制药、造纸、冶金、采矿、电力、食品加工等在国民经济中占主导地位的行业全球500强行业中，流程工业企业有70余家，占15%，其营业收入占总收入的16.5%我国流程企业年产值占全国企业年总产值的66%，流程工业的发展状况直接影响国家的经济基础，流程工业是国家的重要基础支柱产业流程工业在国民经济中的支柱地位13流程工业包括了石化、炼油、化工、制药、造纸、冶金、采矿、电力13

全球500强企业中，流程工业企业占了70家中国流程工业总产值占工业总产值66%流程工业在国民经济中的支柱地位14全球500强企业中，流程工业在国民经济中的支柱地位114《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将“流程工业的绿色化、自动化及装备”列为优先发展主题，重点研究开发“基于生态工业概念的系统集成和自动化技术，流程工业需要的传感器、智能化检测控制技术、装备和调控系统。”《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》指出，在“发展重大工程自动化控制系统和关键精密测试仪器，满足重点建设工程及其他重大（成套）技术装备高度自动化和智能化的需要”实现重点突破。用先进控制技术提高流程工业自主创新能力国家发展战略要求15《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将“流程工业的绿色化、自15综合自动化系统流程工业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智能综合自动化系统结构图16综合自动化系统流程工业系统由企业资源计划系统（ERP）、生产16

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）MESPCS产量

质量成本利润经营决策部综合生产指标生产计划作业计划作业标准生产指令17ERP、MES和PCS的主要功能:将综合生产指标17系统硬件平台结构

智能综合自动化系统硬件平台结构图18系统硬件平台结构智能综合自动化系统硬件平台结构图1818系统硬件平台结构19系统硬件平台结构1919流程工业综合自动化面临的重大任务流程工业综合自动化系统和自动化装备的研究与开发，是国家的重大战略需求，是信息化带动工业化的战略重点，是全国自动化工作者面临的重大任务，它是：1.加快信息化带动工业化步伐的迫切需要；2.加快振兴我国装备制造业的迫切需要；3.确保我国国民经济绝对安全的迫切需要；4.实现节能减排总体目标的迫切需要；5.推动控制学科快速发展的迫切需要。20流程工业综合自动化面临的重大任务流程工业综合自动化系统20技术的现状分析1、技术发展现状（1）

在国家发改委两个工业过程自动化和工业自动化重大专项支持下，我国流程工业综合自动化技术和控制装备取得了长足进步，中小工程、中低端自动化控制系统与装备全部实现了国产化，在重大工程和高端技术市场也形势喜人：在石化行业

石化工程主体装置的自动化控制系统虽然被Honeywell28.3%、Emerson21.2%、Yokogawa17.7%所垄断，但中控集团已进入500万吨炼油、30万吨合成氨、52万吨尿素等主体工程；在火电行业

1000MW超超临界火电机组的综合自动化控制系统全部被进口产品所垄断，但是，国产自动化控制系统在600MW亚临界、超超临界火电机组获得成功应用，上自仪、和利时、国电智深有一批系统投入运行；21技术的现状分析1、技术发展现状（1）2121技术的现状分析1、技术发展现状（2）

在国家发改委两个工业过程自动化和工业自动化重大专项支持下，我国流程工业综合自动化技术和控制装备取得了长足进步，中小工程、中低端自动化控制系统与装备全部实现了国产化，在重大工程和高端技术市场也形势喜人：在核电行业我国百千万瓦核电工程的自动化控制系统已发展到第三代（全数字化仪控），全部被法国的AREVA、日本的三菱、美国的西屋、ABB等所垄断，但和利时、中自仪等不仅承担外核全部自动化控制系统任务，而且开始进入核岛。在轻纺行业

我国1800米/分车速、10.8米门幅的特大型造纸机和大型、高效纺织的自动化控制系统及控制装备，全部都由国外产品垄断，但是国产系统已全面进入车速在500米/分以下的大型纸机，双园系统已淘汰进口系统56套。22技术的现状分析1、技术发展现状（2）2222技术的现状分析1、技术发展现状（3）从总体上看，目前国内石化、电力、冶金、高铁、造纸等重大工程的自动化控制系统的控制装备，高端技术市场基本上为进口产品所垄断，主要问题是：自主创新能力低下：开发设计能力薄弱，自主知识产权匮乏；自动化孤岛现象严重：应用系统相互独立，技术集成程度偏低；产品竞争实力不强：低端技术产品泛滥，高端技术产品奇缺；全面树立国产系统形象不力：参于重大工程建设的能力薄弱，国家重大工程的应用业绩缺乏。23技术的现状分析1、技术发展现状（3）2323技术的现状分析2、技术发展趋势（1）（1）大规模化在大型石化、电力、冶金等行业中，要求综合自动化控制系统（装备）具有较大的规模，通过多域网络和多控制器协同技术，使系统规模超过10000点，并且能够长期稳定运行，以满足石化、电力、冶金等重大装备长期稳定可靠运行的需要。（2）高安全性由于石油、化工、电力、冶金等行业的生产流程具有高温、高压、易燃、易爆等特点，通常要求综合自动化控制系统具备高安全性、高可靠性、高稳定性、高环境适应性来保障重大装备长期正常的运转。此外，为了应对特殊情况，还要求自动化控制系统提供紧急停车系统和安全仪表系统来保障生产过程的安全。24技术的现状分析2、技术发展趋势（1）2424技术的现状分析2、技术发展趋势（2）（3）高开放性为了提高生产效率、管理效率，石油、化工、电力、冶金等行业对于综合自动化控制系统的管控一体化和信息化要求越来越高，这就要求控制系统具备高开放性来支持厂级的综合自动化系统。目前进口系统大多具备多种现场总线接入的能力，实现异构系统互联，具有很高的系统开放性。（4）高适用性在石油、化工、电力、冶金等行业处于垄断地位的进口控制系统供应商都有数十年的行业应用背景，在石油、化工、火电、核电等行业上积累了丰富的应用经验，这些企业所提供的综合自动化控制系统具有很好的针对性和适用性，能够满足这些行业重大工程的各种特殊要求。25技术的现状分析2、技术发展趋势（2）2525技术的现状分析3、国内技术优势（1）（1）初步形成重大工程完整的自动化控制装备体系1.国内研究制造了SUPCON集散控制系统、现场总线控制系统和Webfild网络化控制系统等一系列自动化装备，广泛应用于炼油、化工、发电、冶金等行业的重大工程，特别是在炼油化工行业，占有57%的市场份额，并已成功进入500万吨煤油、30万吨合成氨、52万吨尿素等重大工程。目前已销售6000余套，迫使国外产品降价1/3。2.国内研究制造的Suny全集成新一代主控系统，已广泛应用生物化工、制浆造纸和机械电子等行业的重大装备，目前已销售1800余套。3.以上控制系统是重大装备的重要组成部分，是重大工程的“神经”和“心脏”。这些控制系统的研制成功和大面积推广应用，以及形成的控制装备主控系统体系（DCS、FCS、PLC、PCC），有力地武装了我国的装备制造业。为产业结构调整、带动国家、地方经济发展作出了重要贡献。26技术的现状分析3、国内技术优势（1）2626技术的现状分析3、国内技术优势（2）（2）初步形成重大工程自动化控制应用技术体系1.在控制工程领域，全世界普通存在着一种十分严重的问题，那就是基础研究与工程应用之间存在着一条鸿沟。2.实际工程应用急需突破传统控制理论与控制方法的局限性和数学化，研究以综合优化为目标的、应用于重大工程或重大装备这一复杂对象的新型控制方法。3.国内一直以来致力于应用理论和关键技术研究，经过多年工程化、实用化研究，取得了一大批应用理论和关键技术的研究成果，形成了自动化控制应用技术体系，并大面积应用于重大工程或重大装备，为填平基础研究与工程应用之间的鸿沟作出了重要贡献。27技术的现状分析3、国内技术优势（2）2727技术的现状分析3、国内技术优势（3）（3）初步形成重大工程节能减排先进控制与优化算法库一直以来致力于研究重大工程和重大装备节能减排的自动化装备和控制系统：在钢铁工业方面，研究开发了大型高炉、大型加热炉和大型冷热连轧机等重大装备节能降耗一系列先进控制与装备优化系统，一个大型高炉炉气的能量优化系统，年节电就达到1亿度；在炼化工业方面，研究开发出大型常减压、大型催裂化、大型铂重整等重大工程节能降耗的自动化装备和优化控制系统，一个炼化厂的能量优化系统就使该厂的能量消耗因素降低11.94％；在轻纺工业方面，研发的大型造纸机、大型蒸发器和大型纺织机等装备的节能减排自动化控制系统，取得了重大的节能减排效果，一个年产10万吨纸和浆的造纸厂，节能达到35％，减排15％。国内针对重大工程和重大装备研发的节能减排先进控制和优化技术，已形成了一个较为完整的算法库，为节能减排总体目标的实现作出了重要贡献。28技术的现状分析3、国内技术优势（3）2828今后的推进任务1、全集成新一代工业自动化系统(1).全集成新一代工业自动化系统是以获取最大的经济效益和社会效益为目标，以具有高可靠性、高稳定性、高环境适应性等特点为基础，以复杂工程系统先进控制与优化理论及方法为指导，以将DCS、PLC、FCS和MCS、PCS、QCS综合集成为特征，以在关键装置和大型企业获得成功应用为标志的高端工业自动化系统。(2).目前已推广应用1800余套，在制浆造纸工业中的应用，累计销量世界第一，年销量世界第一，与国内外著名公司35项指标的比较，该系统优于同类产品。29今后的推进任务1、全集成新一代工业自动化系统2929今后的推进任务2、新一代主控系统平台技术(1).以DCS技术为基础，将PLC、ESD、工业以太网技术集成为新一代主控系统，首创控制多重热备冗余；开发了符合IEC61131-3标准，支持FBD/LD/SFC/ST/IL，具有自主知识产权的控制编程语言；独创基于灵巧总线的I/O模块智能调理技术，实现I/O模块点点隔离、点点互隔、通用输入、在线校正、任意配置等功能。(2).新一代主控系统平台基于全智能化、全数字化、全网络化设计思想；具有模块化柔性设计；实现过程控制、逻辑控制、顺序控制综合；支持先进控制与过程优化算法集；提供开放数据接口、现场总线与互联网接入；性能价格比优。30今后的推进任务2、新一代主控系统平台技术3030今后的推进任务3、装备自动化系统设计开发平台自动化仪表与控制装置设计开发平台

实现系列化、标准化、模块化的硬件开发，包括综合仪表、可编程逻辑控制器、可编程人机界面，集成控制器；工业控制应用软件开发平台实现图形监控、控制编程、实时数据库、人机界面编程等，构建一个形象友好、功能强大、稳定开放的软件开发环境；先进控制与装备优化设计开发平台研究和开发装备建模、控制与优化算法及系统集成技术，建立多种关键装备、多种工艺条件、多种产品规格的模型库、先进控制与装备优化算法库及工程应用模板；成套专用控制装置设计开发平台结合装备特点，采用先进的测量技术、计算机技术、控制技术、装备优化技术，配备专用建模、控制、优化、管理软件，开发专用自动化集成系统。

31今后的推进任务3、装备自动化系统设计开发平台31312012年自动化专题二、系统集成技术322012年自动化专题二、系统集成技术3232过程控制发展回顾阶段一（年代70以前）二（70～80年代）三（90年代）控制理论经典控制理论现代控制理论控制论、信息论、系统论、人工智能等学科交叉控制工具常规仪表（气动、液动、电动）分布式控制计算机（DCS）计算机网络、现场总线系统与智能仪表控制要求安全、平稳优质、高产、低消耗市场预测、快速响应、柔性生产、创新管理控制水平简单控制系统先进控制系统综合自动化（CIPS）先进的控制工具，DCS、现场总线控制系统的出现与完善；现代控制理论的不断发展与提高。如预测控制、自适应控制、非线性控制、鲁棒控制以及智能控制等控制策略与方法仍然为目前国内外学术界与工程界的热点研究课题。33过程控制发展回顾阶段一二三控制理论经典控制理论现代控制理论控33过程控制重要发展阶段模拟监测仪表＋手动控制（1930以前）模拟单回路反馈控制器（1930以后）►1945年美国人Bode，奠定了控制理论的基础。监督控制（SCADA：SupervisoryControlandDataAquisition）►计算机开始用于过程控制，主要是监视功能（1950s）设定值控制（SPC：SetPointControl）►由计算机计算出给定值，输出给模拟调节器（1960s）直接数字控制（DDC：DirectDigitalControl）►模拟PID电路变成了数字PID（1960s）可编程控制器（PLC：ProgrammableLogicController）►DickMorley博士，1968年，Modicon公司，084系列分布式控制系统（DCS：DistributedControlSystem）►分布式控制器，集中CRT监视（1975年，Honeywell：TDC2000）现场总线仪表（FieldbusInstrument）►用数字信号仪表取代4－20mA模拟仪表（1990s）34过程控制重要发展阶段模拟监测仪表＋手动控制（1930以前）334信息化工厂的层次生产执行系统（MES）监视与人机接口(SCADA)单元控制回路控制传感器、变送器、执行器被控主设备企业管理（ERP）DCS35信息化工厂的层次生产执行系统（MES）监视与人机接口(SCA35信息化工厂的层次MES单元控制回路控制输入输出传感器、变送器、执行器AV控制室操作接口controlroom被控主设备工作流与生产执行过程控制SCADA=SupervisoryControlAndDataAcquisitionTERP企业管理36信息化工厂的层次MES单元控制回路控制输入输出传感器、变送器36流程工业综合自动化系统功能层次通常分为：直接控制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级。各级从“上级”获取指示，从“下级”获取信息，产生对“下级”的控制。直接控制经营管理生产管理过程管理连续过程间歇过程离散过程经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，负责全厂广泛的工程、经济、商务、人事以及其它的工作。如：市场分析、销售和生产计划······过程管理级主要功能包括回路组态、优化控制、性能监视、故障监测、记录、报警……生产管理主要完成生产规划，生产监视，根据用户订单、库存、能耗约束、能耗需求等指标进行生产调度。在许多DCS中，这级就充当最高管理层。直接控制级主要功能包括现场数据采集、过程监视、故障诊断，控制输出、安全性能和冗余性能的实施……37流程工业综合自动化系统功能层次通常分为：直接控制级、37现场设备：传感器、变送器、执行器现场设备：传感器、变送器、执行器38现场设备：传感器、变送器、执行器现场设备：传感器、变送器、执38控制器与输入输出控制器与输入输出39控制器与输入输出控制器与输入输出3939控制室人机接口：模拟时代控制室人机接口：模拟时代40控制室人机接口：模拟时代控制室人机接口：模拟时代4040控制室人机接口：数字时代控制室人机接口：数字时代41控制室人机接口：数字时代控制室人机接口：数字时代4141各层次系统的相应时间PlanningLevelExecutionLevelControlLevelSupervisoryLevelmsSecondsHoursDaysWeeksMonthYearsERP

(EnterpriseResourcePlanning)DCSMES(ManufacturingExecutionSystem)PLC(ProgrammableLogicController)(DistributedControlSystem)(SupervisoryControlandDataAcquisition)SCADA各层次系统的相应时间42各层次系统的相应时间PlanningExecutionCon42DCS基本体系结构43DCS基本体系结构4343一个专业的仪控工程师（I&C

Professional）通晓各种传感器、变送器、执行器的应用通晓基本控制元件（如继电器等）通晓DCS/PLC等系统硬件的指标和应用通晓HMI软件的应用通晓过程控制算法的设计和现场调试通晓网络设备和现场总线的应用通晓各种流行的软件接口（如OPC）应用通晓各种行业标准、国际和国家强制型法规通晓仪控项目的实施和管理44一个专业的仪控工程师（I&CProfessional）通晓44第三部分P&ID图的通用设计规定P&ID图首页图45第三部分P&ID图的通用设计规定P&ID图首页图4545第三部分P&ID图的通用设计规定完整的P&ID举例46第三部分P&ID图的通用设计规定完整的P&ID举例46462012年自动化专题三、先进控制技术472012年自动化专题三、先进控制技术4747目前流程工业控制中存在的问题控制效果差控制效果波动大，没有对产品质量和工艺指标进行控制，因而产品质量差，产品收率低，生产成本高能耗大石化行业的能耗和污染排放水平仍居工业行业前列。全行业综合能源消费量已占全国能耗总量的约为13%,占工业能耗总量的约为18%。2010年,全行业二氧化碳排放高达8.63亿吨,仅次于电力和钢铁行业,位居工业部门第三位;2009年全行业排放废水41.6亿吨,化学需氧量63.9万吨,氨氮9.9万吨,二氧化硫174.1万吨,氮氧化物89.9万吨,均居工业部门前列。装置故障率高48目前流程工业控制中存在的问题控制效果差4848先进控制技术的出现解决目前流程工业控制中存在的问题，实现生产过程运行的“安、稳、长、满、优”先进控制技术是一个广泛的概念，是指不同于常规控制方案的一切控制新方法预测控制技术软测量技术过程监控技术49先进控制技术的出现解决目前流程工业控制中存在的问题，实现生产49相对传统的以温度、压力、液位等为目标的单回路控制而言，先进控制则是以质量和工艺要求为指标的多变量控制先进控制系统的本质：50相对传统的以温度、压力、液先进控制系统的本质：5050加热炉的控制

单回路控制系统有：1、燃烧系统－燃料、送风、负压、含氧量等控制2、加热系统－物流的温度控制3、物流系统－流量、压力等控制各种控制回路之间存在着强耦合系统具有非线性因素各参数之间有互动作用作干扰处理51加热炉的控制单回路控制系统有：1、燃烧系统－燃51

燃料

送风机

引风机

喷水

压力

风燃比

负压

温度

水位

给水结论：1、在耦合作用下各被控参数必然有很大波动2、人们关心的控制指标：燃烧效率、尾气含氧量、影响安全因素（水位、负压）等3、必需将加热炉作一整体来考虑－多变量系统

52燃料送风机引风机喷水压力风燃比52制药工业中的典型设备－发酵罐的自动控制菌体浓度还原糖浓度氨氮浓度青霉素效价

营养液氨水硫氨（氮）苯乙酸53制药工业中的典型设备－发酵罐的自动控制菌体浓度营养液5353多变量鲁棒预测控制器结构集散控制系统实时数据库辨识器多变量预测控制器软仪表快速、平稳地控制整套装置、可提高生产过程的处理能力增加高附加值的产品率采用预测原理，可克服过程大滞后现象和外部干扰，达到“卡边”生产的目标54多变量鲁棒预测控制器结构集散控制系统实时数据库辨识器多变量预54先进控制器实施现场曲线初馏塔干点航煤初馏点航煤干点航煤闪点轻柴95%航煤冰点55先进控制器实施现场曲线初馏塔干点航煤初馏点航煤干点航煤闪点轻55先进控制技术应用的效益

Aspen公司数据表明：

实施APC取得的效益中，降低能耗占10％，产品质量提高占10%，提高装置生产平稳与安全性占15％，提高回收率占15％，提高加工能力占30％。Chemshare公司数据表明：用DCS改造常规仪表获得10％的效益，在DCS上实现APC获得40％的效益

56先进控制技术应用的效益Aspen公司数据表明：5656先进控制技术的作用随着工业过程日益朝着集成化、大型化方向发展，系统的复杂性不断增加，表现为控制目标多元化，变量数目增多且相关性增强以及存在多种约束。控制+优化+监控=效益先进控制优化/在线优化过程监控Operators工程界形成共识：先进控制

–确保操作运行在局部约束条件边界上

优化/在线优化–追求效益最大化目标过程监控–改进、提高运行效率57先进控制技术的作用随着工业过程日益朝着集成化、大型化方向发展57先进控制技术的作用原材料信息获取/生产计划优化RawMaterialAcquisition/RunPlanOptimization采用简化模型，仅考虑主要约束条件优化全厂装置优化预期进料、操作条件和价格以效益最大化为驱动目标，实现经济定价生产计划－每月/每周平均计划操作条件实时优化Current-RealTime-OperationsOptimization详细的工程模型，准确预测所有约束进行各个装置的单元优化，非全厂规模基于当前生产操作条件与价格进行优化优化目标值能够自动执行先进控制应用AdvancedControlApplications通过装置测试获取线性动态模型应用范围小于RTO（单一指标、控制回路等）进行动态约束控制各约束条件预先定义的、区分优先级别计划优化系统（PIMS）在线优化（RTO）先进控制（APC）每月/周小时分钟调度约束、价格等计划、调度的过程变量过程约束优化目标58先进控制技术的作用原材料信息获取/生产计划优化计划优化系统在58先进控制技术的实施过程优化工程师先控工程师RTO模型及其在线应用APC应用RTO系统平台DCS界面系统工程师分析工程师

进料/产品分析实验室计划调度人员

价格驱动力限制约束离线学习目标函数、定价、逻辑终端用户操作工程师59先进控制技术的实施过程优化先控RTO模型及其在线应用AP59预测控制基本知识预测控制：模型预测控制，ModelPredictiveControl，MPC20世纪70年代末，在工业过程控制领域出现的一种基于模型的计算机控制算法。有着深刻的实际应用背景，首先应用于实际工业问题的解决，来自于工业实践者。1978年，Richalet首先发表论文进行了介绍，随后引起研究热潮，是目前工业过程中最为成功研究最多的先进控制算法。60预测控制基本知识预测控制：模型预测控制，ModelPred60预测控制基本知识预测控制的基本原理模型预测模型预测模型预测滚动优化模型预测反馈校正输入输出模型假设未来输入预测未来输出以滚动方式对未来有限时域进行优化在线计算并实现当前控制作用每一时刻检测实际输出以预测误差补偿对未来输出的预测61预测控制基本知识预测控制的基本原理模型预测模型预测模型预测61预测控制基本知识与预测控制有关的例子：过马路，下棋62预测控制基本知识与预测控制有关的例子：过马路，下棋6262预测控制基本知识与预测控制有关的例子：过马路，下棋63预测控制基本知识与预测控制有关的例子：过马路，下棋6363预测控制算法的类型动态矩阵控制(Cutleretal,1980) （DynamicMatrixControl,DMC）模型算法控制(Richaletetal,1978) （ModelAlgorithmControl,MAC）广义预测控制(Clarkeetal,1987) （GeneralizedPredictiveControl,GPC）预测函数控制(Adersaetal,1987)（PredictiveFunctionalControl,PFC）单值预测控制、状态空间预测控制、。。。。。

64预测控制算法的类型动态矩阵控制(Cutleretal,64预测控制技术的工业应用预测控制理论产生于工业过程控制领域的需求和实践，具有很强的应用背景目前已经在炼油、化工、电力、航空航天、汽车控制等多个方面有着成功应用尤其是在油田石化方面有大量应用，在催化裂化、加氢重整、常减压、延迟焦化等大型装置上有许多应用报道国内外流程工业中几乎所有先进控制软件都与预测控制技术相关，是工业过程应用中最具代表性的先进控制算法65预测控制技术的工业应用预测控制理论产生于工业过程控制领域的需65预测控制技术的应用软件第一代：IDCOM、DMC主要处理无约束多变量过程控制第二代：QDMC解决了输入输出约束问题第三代：SMOC、SMCA、HIECON、IDCOM-M解决了有约束多变量过程MPC优化中的不可行解问题第四代：DMC+（Aspen)、RMPCT(Honeywell)多目标优化、鲁棒设计、系统辨识技术66预测控制技术的应用软件第一代：IDCOM、DMC6666当前预测控制软件特点典型代表：DMC+和RMPCT1995年，HONEYWELL兼并Profimatics公司，将RMPC与PCT算法整合形成RMPCT软件包1996年，ASPEN兼并Setpoint和DMC公司，将SMCA和DMC融合形成DMC+软件

特点都采用了Windows图形用户界面，可以处理具有优先权控制目标的多目标优化问题，增强了稳态目标优化的适应性，优化中直接考虑了模型的不确定性，采用先进的模型辨识技术67当前预测控制软件特点典型代表：DMC+和RMPCT6767国内预测控制应用情况国内最早是齐鲁石化公司胜利炼油厂引进了美国Setpoint公司的IDCOM-M软件，并应用于催化裂化装置取得成功近些年来，我国已经引进了SMCA、DMC+、RMPCT等多个公司的先进控制软件，在许多石油石化装置取得成功应用引进国外软件的问题价格非常高（licence约50~80万美元，加工程服务费）核心技术保密68国内预测控制应用情况国内最早是齐鲁石化公司胜利炼油厂引进了美68国内预测控制应用情况国内在八五和九五期间实施科技攻关，相当多的院校开发先进控制技术和软件浙江大学:APC-Hiecon、APC-PFC石油大学上海交通大学MCC清华大学国内先进控制实施中问题多数研究侧重于单个工程实施，仍然缺乏知名的先进控制商品化软件，目前难以与国际厂商抗衡69国内预测控制应用情况国内在八五和九五期间实施科技攻关，相当多69软测量技术►软测量技术的主要思想

对于过程中难以在线测量的重要过程变量（主导变量或一次变量)，选择与之相关的一组易测变量(辅助变量或二次变量)，构造两者之间的某种数学关系，用计算机软件实现重要工艺参数的估计，为过程监控和优化控制提供重要信息。►软测量结构示意图70软测量技术►软测量技术的主要思想7070为什么需要软测量技术►我国流程工业装置质量控制中普遍存在的问题重要质量指标波动较大产品质量难以严格在线控制►解决问题的关键是围绕预测控制的先进控制算法，而先进控制的实施关键是质量指标的在线实时测量。71为什么需要软测量技术►我国流程工业装置质量控制中普遍存在的问71为什么需要软测量技术►质量指标工业检测的现状主要是离线化验分析，频次1次/2小时或1次/4小时。在线质量分析仪表:价格昂贵、维护困难、在线使用率低►软测量技术是可行方案选择易测变量，推断和估计质量变量以软件代替硬件，实现质量实时测量克服装置波动、提高产品质量和产量、减少过渡料经济效益显著72为什么需要软测量技术►质量指标工业检测的现状72722012年自动化专题四、故障诊断技术732012年自动化专题四、故障诊断技术7373系统监控的意义►现代化工业正朝着大规模、复杂化的方向发展通常包含高温、高压、易燃、易爆的生产过程，系统一旦发生事故就会造成人员和财产的巨大损失。►系统监控有2层含义：1.以保证主要设备乃至生产全过程的安全为目标：避免生产事故、减少财产损失；2.为保证产品质量为目标：减少产品质量波动、实现优质高效。74系统监控的意义►现代化工业正朝着大规模、复杂化的方向发展通常74流程工业可能出现的故障►过程参数变化：催化剂中毒、热交换器结垢等►干扰参数变化：进料流股中的浓度变化、环境温度变化等►执行器问题：卡住、空气泄露、气源故障等►传感器问题：堵塞、标定误差等造成仪表损坏或偏差►控制器问题：控制性能等75流程工业可能出现的故障►过程参数变化：催化剂中毒、热交换器结75典型事故案例►1997年，北京东方化工厂发生乙烯装置起火爆炸事故。►2000年，罗马尼亚的一家黄金制品厂废品溶化炉发生故障，造成了欧洲特大环境灾难。►2005年11月13日，吉林石化双苯厂爆炸，松花江水污染，事故原因为操作工误操作导致进料系统温度超高76典型事故案例►1997年，北京东方化工厂发生乙烯装置起火爆炸76为什么要开展故障诊断研究►过程监控与故障诊断可以减少经济损失仅美国石化行业，每年估计因缺乏对异常事件的有效监控而损失200亿美元►过程监控与故障诊断可以改变维修方式据美国统计局统计，每年工业设备维修费用约2500亿美元，专家估计其中约750亿美元是“过剩维修”费用。由事后维修和计划维修向更为先进的状态维修和预防维修方式转变77为什么要开展故障诊断研究►过程监控与故障诊断可以减少经济损失77故障诊断在系统中的定位ERPEnterpriseResourcePlanningPCSProcessControlSystemMESManufacturingExecutionSystem企业资源计划过程控制系统制造执行系统系统监控与故障诊断78故障诊断在系统中的定位ERPPCSMES企业资源计划过程控制78故障诊断在系统中的定位决策层管理层调度层经营决策系统产品策略管理信息系统生产计划生产调度系统调度指令故障诊断系统系统优化计算机控制系统控制信息生产过程监控层控制层实时数据库79故障诊断在系统中的定位决策层管理层调度层经营决策系统产品策略79故障诊断技术方法体系故障诊断方法基于解析模型的方法基于知识的方法基于数据的方法状态观测器卡尔曼滤波器参数辨识等价空间方程专家系统神经网络有向符号图主元分析法典型变量分析独立元分析法机理建模难度大，受到建模误差和外部干扰等因素影响知识库极为庞大，推理规则的建立过程非常复杂数据可靠性要求高，故障源诊断困难80故障诊断技术方法体系故基于解析模型的方法基于知识的方法基于数80基于解析模型的方法以系统的数学模型为基础，构造基于状态或者参数的残差，使用某种准则对残差进行分析与评价，实现故障检测与诊断。故障诊断过程比较清晰，易辨识故障变量，寻找障原因。系统建模误差、外部干扰对诊断结果影响较大。

81基于解析模型的方法以系统的数学模型为基础，构造基于状态或者参81基于知识的方法20世纪80、90年代，人工智能领域部分研究的突破,专家系统、神经网络，模糊推理等技术的研究形成热潮，并逐渐应用于故障诊断技术。不需要精确的系统数学模型，充分利用了专家经验和工艺知识。可以处理非线性问题。对于大的系统来说，故障诊断系统所需要的知识库极为庞大，推理规则的建立非常复杂，应用此方法的故障诊断技术往往误报率和漏报率很高。82基于知识的方法20世纪80、90年代，人工智能领域部分研究的82基于数据的方法90年代，DCS系统在工业控制中大量应用，形成大型工业数据库，对工业数据的深入挖掘分析为故障诊断技术的发展提供了前提条件。 使用统计模型，挖掘数据的内在信息，适合用于大型复杂工业过程（如炼油化工过程）的故障诊断，无需机理模型，但是对数据的可靠性要求较高。典型技术：主元分析PCA，偏最小二乘法PLS83基于数据的方法90年代，DCS系统在工业控制中大量应用，形成83基于数据的方法84基于数据的方法8484故障诊断技术在流程工业中的应用►（1）石油化工领域采用数据驱动故障诊断方法的国际知名公司DuPont（美国杜邦）、Shell（荷兰皇家／壳牌集团公司）、Amoco（美国石油公司）、BP（英国石油公司）、NesteChemicals（芬兰耐思特石油公司）、StatoilMongstadRefinery（挪威炼油厂）、EastmanChemicals（美国伊士曼化工公司）、BritishNuclearFuelsPLC（英国核燃料集团公司）。涉及的装置反应器：pH中和反应、流化床反应器、间歇反应器炼油装置：精馏塔、流化催化裂化装置、残油催化裂化装置、加氢裂化分馏器、催化重整系统、低温空气分离装置。85故障诊断技术在流程工业中的应用►（1）石油化工领域8585故障诊断技术在流程工业中的应用►（2）钢铁领域采用采用数据驱动故障诊断方法的国际知名公司

POSCO（韩国钢铁浦项综合制铁株式会社）Dofasco（加拿大钢厂）86故障诊断技术在流程工业中的应用►（2）钢铁领域868687Dofasco（加拿大钢厂）开发应用了一种基于多变量统计的系统来监控钢铁浇铸过程。为操作工设计的监控界面包含测量值、监控曲线和贡献等信息，简单直观。图a铸造机器主界面注：上面左边是SPE监控图，右边是监控图；下面曲线是钢水液位波动图；棒状图显示了热电偶的温度。

图b铸造机器贡献界面注：按顺序显示失控状况的贡献变量

8787Dofasco（加拿大钢厂）开发应用了一种基于多变量872012年自动化专题五、总结882012年自动化专题五、总结8888总结►流程工业综合自动化技术►流程工业综合自动化体系结构►信息化工厂层次的功能►先进控制技术应用于流程工业►先进控制技术核心思想►为什么需要故障诊断►故障诊断具体方法►故障诊断技术应用于流程工业89总结►流程工业综合自动化技术898990

（1）时刻注意品德第一是人类任何组织成员必须遵循认得信条和戒律，保持一颗感激的心，严持操守，不谋私利，诚实是最好的参谋。

（2）放低架子，虚心学习，使自己具有学习并能及时、高质量吸取掌握别人研究成果的能力。

（3）提高敬业精神，让别人感觉自己是一个有责任感、忠诚老实、有进取心的人。

（4）努力提高自己的合作能力、竞争能力和抗挫折能力。

（5）加强专业知识和外语的学习，同时努力丰富自己的实践经验。

（6）多参加学术交流活动和文体活动，以摆正心态，扩展知识面，提高信息收集能力。应该向哪些方向努力？9090

（1）时刻注意品德第一是人类任何组织成员必须遵循认得信90思考专题报告2、你认识的自动化与控制？1、阐述就你感兴趣的流程工业的相关技术的发展和现状要求：字数2000字；字号：小四宋体格式：题目；摘要；分段节；结束语91思考专题报告2、你认识的自动化与控制？1、阐述就你感兴趣的流912012年自动化专题流程工业综合自动化技术天津理工大学自动化学院主讲人：高强时间：2012年11月13日联系方式：gaoqiang@qq:89263772912012年自动化专题流程工业综合自动化技术天津理工大学自动化922012年自动化专题主要内容一、概述二、系统集成技术

三、先进控制技术四、故障诊断技术五、总结22012年自动化专题主要内容一、概述2932012年自动化专题一、概述32012年自动化专题一、概述394什么是流程工业？流程工业(ProcessIndustry)也称过程工业，通常是指通过物理变化和化学变化进行的生产过程，其原料和产品多为均一相（固、液或气体）的物料，而非由零部件组装成的物品。其产品质量多由纯度和各种物理、化学性质表征。化工、炼油、冶金、轻工、建材等行业均属过程工业。过程系统(ProcessSystem)4什么是流程工业？495流程工业的特点现代流程工业愈来愈注重于物料、能量的综合利用。多次循环复杂网络系统。过程工业向高效、节能、洁净型发展。流程工业系统模型为具有高度非线性的代数、微分(偏、常微分)方程混合组成的数学模型，模型中包含大量的过程参数和高维状态变量，且高度交联、耦合。现代流程工业操作可调、工艺灵活、产品多样、控制系统化的特点。965流程工业的特点现代流程工业愈来愈注重于物料、能量的综合利用。96工业过程的类型流程工业（ProcessIndustry）连续生产过程产品论“斤”卖如：化肥制造业（ManufacturingIndustry）离散制造过程产品论“个数”卖如：螺丝钉工业过程的类型6工业过程的类型流程工业（ProcessIndustry）工97过程控制（ProcessControl）控制流程工业的生产过程一条生产线只生产一种产品主要控制手段是PID现在流行叫ProcessAutomation（过程自动化）离散控制（DiscreteControl）控制制造业的加工过程主要手段是顺序与逻辑控制现在流行叫FactoryAutomation（工厂自动化）批量控制（BatchControl）同一生产线上的间歇性、多品种生产过程，半连续过程。既有顺序与逻辑控制，也有连续过程控制每种产品有自己的“配方”主要是食品和制药行业工业控制的分类7过程控制（ProcessControl）工业控制的分类798连续控制：流程工业8连续控制：流程工业899离散控制：制造业离散控制：制造业9离散控制：制造业离散控制：制造业9100批量过程：制药行业批量过程：制药行业10批量过程：制药行业批量过程：制药行业10101工业控制的分类outputcontroller+-plantstatedisplaycontrolvariable

(analog)set-pointplantmeasurementplantstatesequenceron/offplantdisplay过程控制：闭环的特征closed-loopcontrol/regulationkeywords:feedback,analogvariables,continuousprocesses,"processcontrol"离散控制：开环的特征open-loopcontrol/commandkeywords:sequential/combinatorial,binaryvariables,discreteprocesses,

"batchcontrol","manufacturing"outputerror(deviation)binary%processvaluemeasurementclock大部分工厂都是混合过程工厂11工业控制的分类outputcontroller+-plant102特点：兼有连续和离散生产特性，能源和资源消耗大，高温运作，单体设备大

连铸

炼钢

热轧精炼板坯库

加热炉

高炉炼铁炼钢精整线冷轧

12特点：兼有连续和离散生产特性，能源和资源消耗大，高温运作，单103流程工业包括了石化、炼油、化工、制药、造纸、冶金、采矿、电力、食品加工等在国民经济中占主导地位的行业全球500强行业中，流程工业企业有70余家，占15%，其营业收入占总收入的16.5%我国流程企业年产值占全国企业年总产值的66%，流程工业的发展状况直接影响国家的经济基础，流程工业是国家的重要基础支柱产业流程工业在国民经济中的支柱地位13流程工业包括了石化、炼油、化工、制药、造纸、冶金、采矿、电力104

全球500强企业中，流程工业企业占了70家中国流程工业总产值占工业总产值66%流程工业在国民经济中的支柱地位14全球500强企业中，流程工业在国民经济中的支柱地位1105《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将“流程工业的绿色化、自动化及装备”列为优先发展主题，重点研究开发“基于生态工业概念的系统集成和自动化技术，流程工业需要的传感器、智能化检测控制技术、装备和调控系统。”《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》指出，在“发展重大工程自动化控制系统和关键精密测试仪器，满足重点建设工程及其他重大（成套）技术装备高度自动化和智能化的需要”实现重点突破。用先进控制技术提高流程工业自主创新能力国家发展战略要求15《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将“流程工业的绿色化、自106综合自动化系统流程工业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智能综合自动化系统结构图16综合自动化系统流程工业系统由企业资源计划系统（ERP）、生产107

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）MESPCS产量

质量成本利润经营决策部综合生产指标生产计划作业计划作业标准生产指令17ERP、MES和PCS的主要功能:将综合生产指标108系统硬件平台结构

智能综合自动化系统硬件平台结构图18系统硬件平台结构智能综合自动化系统硬件平台结构图18109系统硬件平台结构19系统硬件平台结构19110流程工业综合自动化面临的重大任务流程工业综合自动化系统和自动化装备的研究与开发，是国家的重大战略需求，是信息化带动工业化的战略重点，是全国自动化工作者面临的重大任务，它是：1.加快信息化带动工业化步伐的迫切需要；2.加快振兴我国装备制造业的迫切需要；3.确保我国国民经济绝对安全的迫切需要；4.实现节能减排总体目标的迫切需要；5.推动控制学科快速发展的迫切需要。20流程工业综合自动化面临的重大任务流程工业综合自动化系统111技术的现状分析1、技术发展现状（1）

在国家发改委两个工业过程自动化和工业自动化重大专项支持下，我国流程工业综合自动化技术和控制装备取得了长足进步，中小工程、中低端自动化控制系统与装备全部实现了国产化，在重大工程和高端技术市场也形势喜人：在石化行业

石化工程主体装置的自动化控制系统虽然被Honeywell28.3%、Emerson21.2%、Yokogawa17.7%所垄断，但中控集团已进入500万吨炼油、30万吨合成氨、52万吨尿素等主体工程；在火电行业

1000MW超超临界火电机组的综合自动化控制系统全部被进口产品所垄断，但是，国产自动化控制系统在600MW亚临界、超超临界火电机组获得成功应用，上自仪、和利时、国电智深有一批系统投入运行；21技术的现状分析1、技术发展现状（1）21112技术的现状分析1、技术发展现状（2）

在国家发改委两个工业过程自动化和工业自动化重大专项支持下，我国流程工业综合自动化技术和控制装备取得了长足进步，中小工程、中低端自动化控制系统与装备全部实现了国产化，在重大工程和高端技术市场也形势喜人：在核电行业我国百千万瓦核电工程的自动化控制系统已发展到第三代（全数字化仪控），全部被法国的AREVA、日本的三菱、美国的西屋、ABB等所垄断，但和利时、中自仪等不仅承担外核全部自动化控制系统任务，而且开始进入核岛。在轻纺行业

我国1800米/分车速、10.8米门幅的特大型造纸机和大型、高效纺织的自动化控制系统及控制装备，全部都由国外产品垄断，但是国产系统已全面进入车速在500米/分以下的大型纸机，双园系统已淘汰进口系统56套。22技术的现状分析1、技术发展现状（2）22113技术的现状分析1、技术发展现状（3）从总体上看，目前国内石化、电力、冶金、高铁、造纸等重大工程的自动化控制系统的控制装备，高端技术市场基本上为进口产品所垄断，主要问题是：自主创新能力低下：开发设计能力薄弱，自主知识产权匮乏；自动化孤岛现象严重：应用系统相互独立，技术集成程度偏低；产品竞争实力不强：低端技术产品泛滥，高端技术产品奇缺；全面树立国产系统形象不力：参于重大工程建设的能力薄弱，国家重大工程的应用业绩缺乏。23技术的现状分析1、技术发展现状（3）23114技术的现状分析2、技术发展趋势（1）（1）大规模化在大型石化、电力、冶金等行业中，要求综合自动化控制系统（装备）具有较大的规模，通过多域网络和多控制器协同技术，使系统规模超过10000点，并且能够长期稳定运行，以满足石化、电力、冶金等重大装备长期稳定可靠运行的需要。（2）高安全性由于石油、化工、电力、冶金等行业的生产流程具有高温、高压、易燃、易爆等特点，通常要求综合自动化控制系统具备高安全性、高可靠性、高稳定性、高环境适应性来保障重大装备长期正常的运转。此外，为了应对特殊情况，还要求自动化控制系统提供紧急停车系统和安全仪表系统来保障生产过程的安全。24技术的现状分析2、技术发展趋势（1）24115技术的现状分析2、技术发展趋势（2）（3）高开放性为了提高生产效率、管理效率，石油、化工、电力、冶金等行业对于综合自动化控制系统的管控一体化和信息化要求越来越高，这就要求控制系统具备高开放性来支持厂级的综合自动化系统。目前进口系统大多具备多种现场总线接入的能力，实现异构系统互联，具有很高的系统开放性。（4）高适用性在石油、化工、电力、冶金等行业处于垄断地位的进口控制系统供应商都有数十年的行业应用背景，在石油、化工、火电、核电等行业上积累了丰富的应用经验，这些企业所提供的综合自动化控制系统具有很好的针对性和适用性，能够满足这些行业重大工程的各种特殊要求。25技术的现状分析2、技术发展趋势（2）25116技术的现状分析3、国内技术优势（1）（1）初步形成重大工程完整的自动化控制装备体系1.国内研究制造了SUPCON集散控制系统、现场总线控制系统和Webfild网络化控制系统等一系列自动化装备，广泛应用于炼油、化工、发电、冶金等行业的重大工程，特别是在炼油化工行业，占有57%的市场份额，并已成功进入500万吨煤油、30万吨合成氨、52万吨尿素等重大工程。目前已销售6000余套，迫使国外产品降价1/3。2.国内研究制造的Suny全集成新一代主控系统，已广泛应用生物化工、制浆造纸和机械电子等行业的重大装备，目前已销售1800余套。3.以上控制系统是重大装备的重要组成部分，是重大工程的“神经”和“心脏”。这些控制系统的研制成功和大面积推广应用，以及形成的控制装备主控系统体系（DCS、FCS、PLC、PCC），有力地武装了我国的装备制造业。为产业结构调整、带动国家、地方经济发展作出了重要贡献。26技术的现状分析3、国内技术优势（1）26117技术的现状分析3、国内技术优势（2）（2）初步形成重大工程自动化控制应用技术体系1.在控制工程领域，全世界普通存在着一种十分严重的问题，那就是基础研究与工程应用之间存在着一条鸿沟。2.实际工程应用急需突破传统控制理论与控制方法的局限性和数学化，研究以综合优化为目标的、应用于重大工程或重大装备这一复杂对象的新型控制方法。3.国内一直以来致力于应用理论和关键技术研究，经过多年工程化、实用化研究，取得了一大批应用理论和关键技术的研究成果，形成了自动化控制应用技术体系，并大面积应用于重大工程或重大装备，为填平基础研究与工程应用之间的鸿沟作出了重要贡献。27技术的现状分析3、国内技术优势（2）27118技术的现状分析3、国内技术优势（3）（3）初步形成重大工程节能减排先进控制与优化算法库一直以来致力于研究重大工程和重大装备节能减排的自动化装备和控制系统：在钢铁工业方面，研究开发了大型高炉、大型加热炉和大型冷热连轧机等重大装备节能降耗一系列先进控制与装备优化系统，一个大型高炉炉气的能量优化系统，年节电就达到1亿度；在炼化工业方面，研究开发出大型常减压、大型催裂化、大型铂重整等重大工程节能降耗的自动化装备和优化控制系统，一个炼化厂的能量优化系统就使该厂的能量消耗因素降低11.94％；在轻纺工业方面，研发的大型造纸机、大型蒸发器和大型纺织机等装备的节能减排自动化控制系统，取得了重大的节能减排效果，一个年产10万吨纸和浆的造纸厂，节能达到35％，减排15％。国内针对重大工程和重大装备研发的节能减排先进控制和优化技术，已形成了一个较为完整的算法库，为节能减排总体目标的实现作出了重要贡献。28技术的现状分析3、国内技术优势（3）28119今后的推进任务1、全集成新一代工业自动化系统(1).全集成新一代工业自动化系统是以获取最大的经济效益和社会效益为目标，以具有高可靠性、高稳定性、高环境适应性等特点为基础，以复杂工程系统先进控制与优化理论及方法为指导，以将DCS、PLC、FCS和MCS、PCS、QCS综合集成为特征，以在关键装置和大型企业获得成功应用为标志的高端工业自动化系统。(2).目前已推广应用1800余套，在制浆造纸工业中的应用，累计销量世界第一，年销量世界第一，与国内外著名公司35项指标的比较，该系统优于同类产品。29今后的推进任务1、全集成新一代工业自动化系统29120今后的推进任务2、新一代主控系统平台技术(1).以DCS技术为基础，将PLC、ESD、工业以太网技术集成为新一代主控系统，首创控制多重热备冗余；开发了符合IEC61131-3标准，支持FBD/LD/SFC/ST/IL，具有自主知识产权的控制编程语言；独创基于灵巧总线的I/O模块智能调理技术，实现I/O模块点点隔离、点点互隔、通用输入、在线校正、任意配置等功能。(2).新一代主控系统平台基于全智能化、全数字化、全网络化设计思想；具有模块化柔性设计；实现过程控制、逻辑控制、顺序控制综合；支持先进控制与过程优化算法集；提供开放数据接口、现场总线与互联网接入；性能价格比优。30今后的推进任务2、新一代主控系统平台技术30121今后的推进任务3、装备自动化系统设计开发平台自动化仪表与控制装置设计开发平台

实现系列化、标准化、模块化的硬件开发，包括综合仪表、可编程逻辑控制器、可编程人机界面，集成控制器；工业控制应用软件开发平台实现图形监控、控制编程、实时数据库、人机界面编程等，构建一个形象友好、功能强大、稳定开放的软件开发环境；先进控制与装备优化设计开发平台研究和开发装备建模、控制与优化算法及系统集成技术，建立多种关键装备、多种工艺条件、多种产品规格的模型库、先进控制与装备优化算法库及工程应用模板；成套专用控制装置设计开发平台结合装备特点，采用先进的测量技术、计算机技术、控制技术、装备优化技术，配备专用建模、控制、优化、管理软件，开发专用自动化集成系统。

31今后的推进任务3、装备自动化系统设计开发平台311222012年自动化专题二、系统集成技术322012年自动化专题二、系统集成技术32123过程控制发展回顾阶段一（年代70以前）二（70～80年代）三（90年代）控制理论经典控制理论现代控制理论控制论、信息论、系统论、人工智能等学科交叉控制工具常规仪表（气动、液动、电动）分布式控制计算机（DCS）计算机网络、现场总线系统与智能仪表控制要求安全、平稳优质、高产、低消耗市场预测、快速响应、柔性生产、创新管理控制水平简单控制系统先进控制系统综合自动化（CIPS）先进的控制工具，DCS、现场总线控制系统的出现与完善；现代控制理论的不断发展与提高。如预测控制、自适应控制、非线性控制、鲁棒控制以及智能控制等控制策略与方法仍然为目前国内外学术界与工程界的热点研究课题。33过程控制发展回顾阶段一二三控制理论经典控制理论现代控制理论控124过程控制重要发展阶段模拟监测仪表＋手动控制（1930以前）模拟单回路反馈控制器（1930以后）►1945年美国人Bode，奠定了控制理论的基础。监督控制（SCADA：SupervisoryControlandDataAquisition）►计算机开始用于过程控制，主要是监视功能（1950s）设定值控制（SPC：SetPointControl）►由计算机计算出给定值，输出给模拟调节器（1960s）直接数字控制（DDC：DirectDigitalControl）►模拟PID电路变成了数字PID（1960s）可编程控制器（PLC：ProgrammableLogicController）►DickMorley博士，1968年，Modicon公司，084系列分布式控制系统（DCS：DistributedControlSystem）►分布式控制器，集中CRT监视（1975年，Honeywell：TDC2000）现场总线仪表（FieldbusInstrument）►用数字信号仪表取代4－20mA模拟仪表（1990s）34过程控制重要发展阶段模拟监测仪表＋手动控制（1930以前）3125信息化工厂的层次生产执行系统（MES）监视与人机接口(SCADA)单元控制回路控制传感器、变送器、执行器被控主设备企业管理（ERP）DCS35信息化工厂的层次生产执行系统（MES）监视与人机接口(SCA126信息化工厂的层次MES单元控制回路控制输入输出传感器、变送器、执行器AV控制室操作接口controlroom被控主设备工作流与生产执行过程控制SCADA=SupervisoryControlAndDataAcquisitionTERP企业管理36信息化工厂的层次MES单元控制回路控制输入输出传感器、变送器127流程工业综合自动化系统功能层次通常分为：直接控制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级。各级从“上级”获取指示，从“下级”获取信息，产生对“下级”的控制。直接控制经营管理生产管理过程管理连续过程间歇过程离散过程经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，负责全厂广泛的工程、经济、商务、人事以及其它的工作。如：市场分析、销售和生产计划······过程管理级主要功能包括回路组态、优化控制、性能监视、故障监测、记录、报警……生产管理主要完成生产规划，生产监视，根据用户订单、库存、能耗约束、能耗需求等指标进行生产调度。在许多DCS中，这级就充当最高管理层。直接控制级主要功能包括现场