学科前沿讲座-流程工业自动化.ppt

学科前沿系列讲座 三 自动化学院陈庆伟教授 提纲 流程工业生产过程控制与管理流程流程工业智能综合自动化系统流程工业选矿生产过程的工程应用流程工业自动化面临的重大任务流程工业自动化技术的现状分析流程工业自动化技术的主要目标流程工业自动化主要的研究方向流程工业自动化今后的推进任务 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 一 生产过程控制与管理流程 过程控制系统 设备起停顺序 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 一 工业生产过程控制与管理流程 生产指令 生产过程管理与控制流程图 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合生产指标优化 金字塔式管理结构 二 智能综合自动化系统 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 智能综合自动化系统结构图 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 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 ERP MES PCS 产量 质量 成本 利润 经营决策部 综合生产指标优化 工艺指标优化 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 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 混合智能优化控制方法将智能行为和常规控制方法相结合 提出混合智能优化控制方法该方法由综合生产指标优化 工艺指标优化和智能过程控制三层组成 混合智能优化控制方法结构图 综合生产指标智能优化由工艺指标设定模型 综合生产指标预报模型 统计过程控制 SPC 预报分析 反馈分析与调整组成 将建模与控制相集成 预测与反馈相结合 智能方法与已有优化方法相结合提出综合生产指标智能优化和工艺指标智能优化控制方法 综合生产指标智能优化方法结构图 工艺指标智能优化控制方法 工艺指标智能优化控制方法由控制回路设定模型 工艺指标预测模型 统计过程控制 SPC 反馈补偿器合前馈补偿器组成 工艺指标智能优化控制方法结构图 赤铁矿选矿生产过程描述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 三 选矿生产过程的工程应用 工艺流程图 铁矿选矿生产过程流程图 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 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 酒钢选矿厂现场照片 选矿过程智能综合自动化系统系统结构 将智能综合自动化系统与选矿生产过程相结合 选矿过程智能综合自动化系统结构图 系统硬件平台结构 智能综合自动化系统硬件平台结构图 硬件平台 系统软件平台 原矿处理过程控制系统软件界面 竖炉焙烧过程控制系统软件界面 磨矿过程控制系统软件界面 磁选过程控制系统软件界面 浓缩脱水过程控制系统软件界面 选矿过程混合智能优化方法 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 选矿过程混合智能优化方法结构图 竖炉焙烧过程工艺指标智能优化控制软件界面 智能优化控制软件 磨矿过程工艺指标智能优化控制软件界面 选矿生产过程综合生产指标的目标值金属回收率Rm和精矿品位Tf 由综合生产指标优化子系统产生的工艺指标的目标值磁选管回收率R矿浆粒度G 应用效果 实现了酒钢选矿厂综合生产指标的优化 金属回收率 提高2 01 从77 24 到79 25 精矿品位 提高1 57 原矿处理量 增加52万吨 年设备运转率 提高2 98 减员 50 减员237人 全厂节电 725 40万千瓦时 年成本 降低10 14元 吨 四 面临的重大任务 重大工程自动化控制系统和自动化控制装备的研究与开发 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 加快信息化带动工业化步伐的迫切需要 加快振兴我国装备制造业的迫切需要 确保我国国民经济绝对安全的迫切需要 实现节能减排总体目标的迫切需要 推动控制学科快速发展的迫切需要 五 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 我国自动化控制系统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 在石化行业重大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 二 技术的现状分析 1 技术发展现状 2 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 在输变电行业我国东北电网 华北电网 华中电网和华东电网 多直流特高压和多交流等高压接入的典型大受端电网 在人类历史上可能也是没有的 的自动化控制系统和控制装备 国产为主 南端就占有64 的市场份额 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 二 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 五 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 五 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 五 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 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 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 五 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 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 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 五 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 五 技术的现状分析 3 国内技术优势 4 4 初步形成重大工程自动化控制系统通信标准体系研究解决了工业实时以太网系列关键技术 原创性地提出了EPA EthernetforPlantAutomation 工业控制网络通信技术 制订了我国第一个拥有自主知识产权的现场总线国家标准和国际标准 2008年1月 5月 8月先后提出EPASafety功能安全通信标准 工业网络线缆与安装国际标准 高可用性网络国际标准被IEC接纳 建立了基于EPA技术的测试系统 认证系统 开发了基于EPA技术的控制系统 各种仪表 以及EPA芯片 组织成立了推广EPA技术与标准的产业联盟 为大面积应用 中国人自己制定的标准 作出重要贡献 六 技术的主要目标 1 1 炼油石化主要瞄准千万吨级炼油工程 百万吨级乙烯工程 大型煤化工工程 大型对二甲苯工程 大型对苯二甲酸工程 大型煤液化气化工程等 2 火电核电百万千瓦级火电工程 百万千瓦级核电工程 包括60万 100万千瓦超临界 超超临界火电机组 以及100万千瓦压水堆式核电机组等 3 高铁高纸着重解决350 380公里 小时高速列车网络控制系统和运行控制系统 2000米 分车速 11 8米门幅高速纸机的控制系统 4 节能减排主要瞄准六大高能耗 高污染行业的重大工程和重大装备 包括大型水泥炉窑 玻璃炉窑 大型加热炉 精炼炉 转化炉 高炉 焙烧炉 艾萨炉 大型反应器 精馏塔 干燥器 大型造纸机 蒸发器 蒸煮器等 六 技术的主要目标 2 炼油石化 中控科技集团已经在炼油石化领域占有明显优势 成功进入了500万吨炼油 30万吨合成氨 52万吨尿素等重大工程 三年后 第一目标市场可占65 的市场份额 火电核电 和利时公司已经在60万千瓦级火电以及大型核电工程领域有骄人业绩 已经连续中标24家核电工程项目 具有丰富的从事火电核电工程控制经验 三年后 第二目标市场的市场占有率将达到80 轻纺工业 三鑫工程已经在500米 分车速以下的纸机实施控制系统1800余套 并用先进的技术与装备淘汰美国 德国引进控制系统56套 三年后 第三目标市场的市场占有率将达到50 节能减排 工业自动化国家工程研究中心一直以来从事广义化工领域节能减排的先进控制与过程优化技术研究 已初步建立相应的方法论体系和算法库 技术属国内领先 因此 三年后 第四目标市场的市场占有率将达到35 七 主要的研究方向 动员全国高等院校 科研机构 相关企业将瞄准国家重大需求 在自动化控制装备和自动化控制系统两个战略层面进行协同作战 一方面是重大工程自动化控制系统理论和关键技术研究 面向实际 以重大工程这一复杂工程系统建模 控制与优化提出的重大科学问题为主攻方向 寻求取得重大突破 另一方面是重大工程自动化控制装备核心关键技术研发 以炼油 石化 电力 造纸等行业重大工程自动化控制装备急需的关键技术为突破口 力求在技术上取得重大突破 并为加快振兴装备制造业提供先进的自动化装备 其他方面是研究以上两个发展方向的重要支撑 自动化控制系统工业通信技术与标准 自动化控制系统的关键基础件 以及重大装备节能减排的先进控制和系统优化技术 四 主要的研究方向 1 重大工程自动化控制系统的基础理论与方法研究重大工程和重大装备是典型的复杂工程系统 具有高度的不确定性 非线性 随机性 动态性 关联性 高维数 多机制 多层次等复杂性特性 重大工程自动化控制系统在各个阶段存在着从宏观 整体 到微观 个体 有从微观到宏观不断切换模型和控制目标的混杂控制的特性 如何建立多层次 混合型的动态数学模型 如何解决复杂工程系统随机层面的优化问题 如何解决复杂工程系统多层次 多目标协调问题 如何进行非线性 分布式系统的最优控制和反馈镇定问题 是必须首重研究的基础理论问题 七 主要的研究方向 2 重大工程自动化控制系统的创新设计与研发 1 高端自动化控制系统硬件平台创新设计着重解决高可靠性 高稳定性 高环境适应性 高智能化技术 2 高端自动化控制系统软件平台创新设计着重解决总体设计技术 系统集成技术以及集成支撑技术 3 高端自动化控制系统可靠性技术开发主要解决可靠性综合分析设计技术以及寿命预测和评估技术 4 高端自动化控制系统安全性技术开发着重解决安全性分析 设计 验证技术及方法 5 重大工程高可靠安全计算机技术着重突破三重冗余的硬件技术和软件技术 七 主要的研究方向 3 重大工程自动化控制装备的创新设计与研发 1 千万吨级炼油 百万吨级乙烯工程总体设计技术 各大装置的高可靠控制装备以及先进控制和装备优化技术 2 百万千瓦火电 百万千瓦核电工程高参数可测和不可测变量的特性研究和变送器研制 高可靠 高安全硬件和软件技术 3 350公里 小时高速列车运控系统高可靠性 可用性 可维护性和安全性技术 多语义性 多时空性 多尺度性的海量 多源 异构数据的融合 存储 检索技术 4 2000米 分高速纸机过程控制系统高速 宽幅条件下的网前箱 靴式压榨 烘干部的多变量解耦控制技术 特种检测技术 七 主要的研究方向 4 重大工程节能减排先进控制与优化技术在钢铁 有色 电力 石化 化工 建材等六大耗能和污染最严重的工业领域 通过能耗污染瓶颈分析 优化运用分析和流程重组 着重研究以下关键问题 1 重点耗能设备和污染源的多尺度数据校正处理 2 重点耗能设备和污染源的多尺度描述方法与建模技术 3 重大工程节能减排的智能化先进控制方法 4 重大工程节能减排的全流程优化技术 5 重大工程污染治理的特种检测及优化技术 6 重大工程能量转换与传递过程优化技术 七 主要的研究方向 5 重大工程自动化控制系统通信技术和标准的研究与制订 1 建立EPA共性技术研究平台重点研究基于EPA的嵌入式仪表的软件技术 基于EPA的芯片与控制系统通信板卡 基于EPA的分布式应用功能块及其组态软件 2 建立EPA的测试认证技术平台研究基于EPA的一致性测试方法 完备性 符合性 一致性 可信性 研究EPA设备满足互可操作性能力 3 EPA系列标准的研究与制订重点研究基于EPA的功能安全通信技术及标准 基于EPA的分布式网络冗余高可靠性技术与标准 基于EPA的系统设计与工程实施技术及标准 七 主要的研究方向 6 重大工程自动化控制系统关键基础件研制 1 高精度压力 差压传感器等新型传感器技术在同一硅片上 实现可测温度 压力 差压 构成多变量传感器 其稳定性 重复性误差 0 03 2 高精度气体分析仪 气体传感器等传感检测技术重点解决有毒和可燃烧气体的成份与浓度的检测 3 特种检测 在线分析技术重点研究多相流检测技术 多模复合无损检测及缺陷智能识别关键技术 4 微过程传感 执行器技术重点研究重大工程急需的100微米 100毫秒范围内微型设备之微传感器 微执行器和微控制器 八 今后的推进任务 1 EPA总线技术与标准国内从1995年开始研究工业以太网 实时以太网技术 率先提出了EPA EthernetforPlantAutomation 实时以太网总线技术 将以太网不仅应用于工业控制系统的管理层 监控层 而且直接应用于变送器 执行机构等现场一次仪表间的通信 实现流程工业企业综合自动化从管理层 监控层到现场设备层的 E Ethernet 网到底 创造性地解决了工业以太网通信的确定性 实时性 总线冗余供电 网络安全 互可操作 远距离传输 功能安全 本质安全 网络可靠性与高可用性 基于以太网的大规模控制系统结构设计等十大关键技术 2005年为国家标准 2007年为国际标准 八 今后的推进任务 2 全集成新一代工业自动化系统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 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 八 今后的推进任务 3 新一代主控系统平台技术该平台 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 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 八 今后的推