流程工业综合自动化技术发展(高强)

1、2012年自动化专题年自动化专题天津理工大学自动化学院天津理工大学自动化学院主讲人：高主讲人：高 强强时时 间：间：2012年年11月月13日日联系方式：联系方式： qq:89263772912012年自动化专题年自动化专题主要内容主要内容一、概述一、概述二、系统集成技术二、系统集成技术 三、先进控制技术三、先进控制技术四、故障诊断技术四、故障诊断技术五、总结五、总结22012年自动化专题年自动化专题一、概述一、概述3 什么是流程工业？流程工业 (Process Industry)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

2、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(Process System)4流程工业的特点流程工业的特点u现代流程工业愈来愈注重于物料、能量的综合利用。多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、洁净型发次循环复杂网络系统。过程工业向高效、节能、洁净型发展。展。u流程工业系统模型为具有高度非线性的代数、微分流程工业系统模型为具有高度非线性的代数、微分( (偏、偏、常微分常微分) )方程混合组成的数学模型，模型中包含大量的过程方程混合组成的数学模型，模型中包含大量的过程参数

3、和高维状态变量，且高度交联、耦合。参数和高维状态变量，且高度交联、耦合。u现代流程工业操作可调、工艺灵活、产品多样、控制系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。统化的特点。55工业过程的类型工业过程的类型 流程工业（流程工业（Process Industry） 连续生产过程连续生产过程 产品论产品论“斤斤”卖卖 如：化肥如：化肥 制造业（制造业（Manufacturing Industry） 离散制造过程离散制造过程 产品论产品论“个数个数”卖卖 如：螺丝钉如：螺丝钉工业过程的类型工业过程的类型6 过程控制（过程控制（Process ControlProcess Cont

4、rol） 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Process Automation（过程自动化） 离散控制（离散控制（Discrete ControlDiscrete Control） 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Factory Automation（工厂自动化） 批量控制（批量控制（Batch ControlBatch Control） 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工业控制的分类7连续控制：流程工

5、业连续控制：流程工业8离散控制：制造离散控制：制造业业离散控制：制造业离散控制：制造业9批量过程：制药批量过程：制药行业行业批量过程：制药行业批量过程：制药行业10工业控制的分类工业控制的分类outputcontroller+-plant statedisplaycontrol variable(analog)set-pointplantmeasurementplant statesequenceron/offplantdisplay过程控制：闭环的特征closed-loop control / regulationkeywords: feedback, analog variables, c

6、ontinuous processes, process control 离散控制：开环的特征open-loop control / commandkeywords: sequential / combinatorial, binary variables, discrete processes,batch control, manufacturingoutputerror(deviation)binary%process valuemeasurementclock大部分工厂都是混合过程工厂大部分工厂都是混合过程工厂11特点：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

7、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 12n 流程工业包括了石化、炼油、化工、制药、造纸、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冶金、采矿、电力、食品加工等在国民经济中占主导主导地位的行业地位的行业n 全球全球500500强行业中，流程工业企业有强行业中，流程工业企业有7070余家，占余家，占15%，其营业收入占总收入的，其营业收入占总收入的16.5%n 我国流程企业年产值占全国企业年总产值的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

8、影响国家的经济基础，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流程工业在国民经济中的支柱地位13 全球全球500强企业中，强企业中，流程工业企业占了流程工业企业占了70家家 中国流程工业总产值中国流程工业总产值占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流程工业在国民经济中的支柱地位14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

9、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国家发展战略要求15综合自动化系统综合自动化系统流程工业系统由企业资源计划系统（流程工业系统由企业资源计划系统（ERP）、生产执行系统（）、生产执行系统（MES）、生）、生产过程控制系统（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）、综合生产指标优化系统和集成支撑系统组成集成支撑集成支撑系统系统数据库数据库计算机网络计算机网络企业资源计划系统企业

10、资源计划系统（ERP）生产执行系统生产执行系统（MES）生产过程控制系统生产过程控制系统（PCS）综合综合生产生产指标指标优化优化系统系统智能综合自动化系统结构图智能综合自动化系统结构图16操操作作员员MESPCS经经营营决决策策部部17系统硬件平台结构系统硬件平台结构 智能综合自动化系统硬件平台结构图智能综合自动化系统硬件平台结构图18系统硬件平台结构系统硬件平台结构19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，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，是全家

11、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：国自动化工作者面临的重大任务，它是：1.1.加快信息化带动工业化步伐的迫切需要加快信息化带动工业化步伐的迫切需要；2.2.加快振兴我国装备制造业的迫切需要；加快振兴我国装备制造业的迫切需要；3.3.确保我国国民经济绝对安全的迫切需要；确保我国国民经济绝对安全的迫切需要；4.4.实现节能减排总体目标的迫切需要；实现节能减排总体目标的迫切需要；5.5.推动控制学科快速发展的迫切需要。推动控制学科快速发展的迫切需要。20技术的现状分析技术的现状分析1 1、技术发展现状（、技术发展现状（1 1） 在国家发改委两个工业

12、过程自动化和工业自动化重大专项支持下，我国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：形势喜人：在石化行业在石化行业 石化工程主体装置的自动化控制系统虽然被石化工程主体装置的自动化控制系统虽然被Honeywell 28.3%、Emerson 21.2%、Yokogawa 17.7%所垄断，但中控集团已进入所垄断，但

13、中控集团已进入500万吨炼油、万吨炼油、30万吨万吨合成氨、合成氨、52万吨尿素等主体工程；万吨尿素等主体工程；在火电行业在火电行业 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；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技术的现状分析技术的现状分析1 1、技术发展现状（、技术发展现状（2 2） 在国家发改委两个工业过程自动化和

14、工业自动化重大专项支持下，我国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：形势喜人：在核电行业在核电行业 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），全部被法国的控），全部被法国的AREVA、日本的三菱、美国的西屋、日本的三菱、美

15、国的西屋、ABB等所垄断，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。入核岛。在轻纺行业在轻纺行业 我国我国1800米米/分车速、分车速、10.8米门幅的特大型造纸机和大型、高效纺织的自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进入车速在500米米/分以下的大型纸机，双园系统已淘汰进口系统分以下的大型纸机，双园系统已淘汰进口系统56套。套。22技术的现状分析技

16、术的现状分析1 1、技术发展现状（、技术发展现状（3 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：问题是：自主创新能力低下：自主创新能力低下：开发设计能力薄弱，自主知识产权匮乏；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：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；应用系统相互独立，技术集成程度偏低；产品竞争实力不强：产品竞争实力不强：低端技术产品泛滥

17、，高端技术产品奇缺；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：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。大工程的应用业绩缺乏。23技术的现状分析技术的现状分析2 2、技术发展趋势（、技术发展趋势（1 1）（1）大规模化）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（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，使系统规模超过系统规模超过10000点，并且能够长期稳

18、定运行，以满足石化、电点，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。力、冶金等重大装备长期稳定可靠运行的需要。（2）高安全性）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、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常的运转。此外，为了应对特殊情况，还

19、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。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技术的现状分析技术的现状分析2 2、技术发展趋势（、技术发展趋势（2 2）（3）高开放性）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，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。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

20、力，实现异构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。互联，具有很高的系统开放性。（4）高适用性）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

21、工程的各种特殊要求。程的各种特殊要求。 25技术的现状分析技术的现状分析3 3、国内技术优势（、国内技术优势（1 1）（1）初步形成重大工程完整的自动化控制装备体系）初步形成重大工程完整的自动化控制装备体系1. 国内研究制造了国内研究制造了SUPCON集散控制系统、现场总线控制系统和集散控制系统、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、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，化工、发电、冶金等行业的重大工程，特别是在炼油化工行业，占有占有57%的市场份额，并已成功进入的市场份额，并已成功

22、进入500万吨煤油、万吨煤油、30万吨合成氨万吨合成氨、52万吨尿素等重大工程。目前已销售万吨尿素等重大工程。目前已销售6000余套，迫使国外产品余套，迫使国外产品降价降价1/3。2. 国内研究制造的国内研究制造的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。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“神神经经”和和“心脏心脏”。这些控制系统的研制成功和大面积推广应用，。这些

23、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（以及形成的控制装备主控系统体系（DCS、FCS、PLC、PCC），有），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。方经济发展作出了重要贡献。26技术的现状分析技术的现状分析3 3、国内技术优势（、国内技术优势（2 2）（2）初步形成重大工程自动化控制应用技术体系）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

24、应用之间存在着一条鸿沟。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。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

25、，并大面积应用于重大工程或，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。献。27技术的现状分析技术的现状分析3 3、国内技术优势（、国内技术优势（3 3）（3）初步形成重大工程节能减排先进控制与优化算法库）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：和控制系统：在钢铁工业方面，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研究开发了大型

26、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，年节电就达到个大型高炉炉气的能量优化系统，年节电就达到1亿度；亿度；在炼化工业方面，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，在轻纺工业方面，研发的大

27、型造纸机、大型蒸发器和大型纺织机研发的大型造纸机、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，一个年产10万吨纸和浆的造纸厂，节能达到万吨纸和浆的造纸厂，节能达到35，减排，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。现作出了重要贡献。28今后的推进任务今后的推进任务1 1、全集成新一代

28、工业自动化系统、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，以将将DCS、PLC、FCS和和MCS、PCS、QCS综合集成为特征，以在关键装综合集成为特征，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。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).

29、 目前已推广应用目前已推广应用1800余套，在制浆造纸工业中的应用，累计销余套，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项指标的比项指标的比较，该系统优于同类产品。较，该系统优于同类产品。29今后的推进任务今后的推进任务2 2、新一代主控系统平台技术、新一代主控系统平台技术(1). 以以DCS技术为基础，将技术为基础，将PLC、ESD、工业以太网技术集成为新一、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；开发了符合代主控系统，首创控制多重热备冗余；开发了符合IEC61131-3标准标准，支持，支持F

30、BD/LD/SFC/ST/IL，具有自主知识产权的控制编程语言；独，具有自主知识产权的控制编程语言；独创基于灵巧总线的创基于灵巧总线的I/O模块智能调理技术，实现模块智能调理技术，实现I/O模块点点隔离、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。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、制综合

31、；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。现场总线与互联网接入；性能价格比优。30今后的推进任务今后的推进任务3 3、装备自动化系统设计开发平台、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；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，构建一实现图形监控、

32、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；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；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、

33、装结合装备特点，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。化集成系统。 312012年自动化专题年自动化专题二、二、系统集成技术系统集成技术32过程控制发展回顾过程控制发展回顾阶段阶段一一（年代（年代70以前）以前）二二（7080年代）年代）三三（90年代）年代）控制理论控制理论经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论控制论、信息论、系控制论、信息论、系统论、人工智能等学统论、人工智能等学科交叉科交叉控制工具控制工具常规仪表常规仪表（气动、液动、电动（气

34、动、液动、电动）分布式控制计算机（分布式控制计算机（DCS）计算机网络、现场总计算机网络、现场总线系统与智能仪表线系统与智能仪表控制要求控制要求安全、平稳安全、平稳优质、高产、低消耗优质、高产、低消耗市场预测、快速响应市场预测、快速响应、柔性生产、创新管、柔性生产、创新管理理控制水平控制水平简单控制系统简单控制系统先进控制系统先进控制系统综合自动化（综合自动化（CIPS）l 先进的控制工具，先进的控制工具， DCS、现场总线控制系统的出现与完善；、现场总线控制系统的出现与完善；l 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

35、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。外学术界与工程界的热点研究课题。33过程控制重要发展阶段过程控制重要发展阶段模拟监测仪表手动控制（模拟监测仪表手动控制（1930以前）以前）模拟单回路反馈控制器（模拟单回路反馈控制器（1930以以后） 1945年美国人Bode，奠定了控制理论的基础。监督控制（监督控制（SCADA：Supervisory Control and Data Aquisition） 计算机开始用于过程控制，主要是监视功能（1950s）设定值控制（设定值控制（SPC：S

36、et Point Control） 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（直接数字控制（DDC：Direct Digital Control） 模拟PID电路变成了数字PID（1960s）可编程控制器（可编程控制器（PLC：Programmable Logic Controller） Dick Morley博士，1968年，Modicon公司，084系列分布式控制系统（分布式控制系统（DCS：Distributed Control System） 分布式控制器，集中CRT监视（1975年，Honeywell：TDC2000）现场总线仪表（现场总线仪表（Fieldbu

37、s Instrument） 用数字信号仪表取代420mA模拟仪表（1990s）34信息化工厂的层次信息化工厂的层次生产执行系统（生产执行系统（MES）监视与人机接口监视与人机接口(SCADA)单元控制单元控制回路控制回路控制传感器、变送器、执行器传感器、变送器、执行器被控主设备被控主设备企业管理（企业管理（ERP）DCS35信息化工厂的层次信息化工厂的层次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control room被控主设备工作流与生产执行过程控制SCADA =Supervisory ControlAnd Data AcquisitionTERP企业管理36流

38、程工业综合自动化系统功能层次流程工业综合自动化系统功能层次 通常分为：通常分为：各级从各级从“上级上级”获取指示，从获取指示，从“下级下级”获取信息，产生对获取信息，产生对“下级下级”的控的控制。制。 直接控制直接控制经营经营管理管理生产管理生产管理过程管理过程管理连续过程连续过程 间歇过程间歇过程 离散过程离散过程经营管理级居于工厂自动化系统的最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：、商务、人事以及其它的工作。如：市场分析、销售和生产计划市场分析、销售和生产计划过程管理级主要功能包括回路过程管理级主要功

39、能包括回路组态、优化控制、性能监视、组态、优化控制、性能监视、故障监测、记录、报警故障监测、记录、报警生产管理主要完成生产规划，生产监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、能耗需求等指标进行生产调度。在许多许多DCSDCS中，这级就充当最高管理层中，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、安全性能和冗余性能的实施37现场设备：传感现场设备：传感器、变送器、执器、变送器

40、、执行器行器现场设备：传感器、变送器、执行器现场设备：传感器、变送器、执行器38控制器与输入输控制器与输入输出出控制器与输入输出控制器与输入输出39控制室人机接口控制室人机接口：模拟时代：模拟时代控制室人机接口：模拟时代控制室人机接口：模拟时代40控制室人机接口控制室人机接口：数字时代：数字时代控制室人机接口：数字时代控制室人机接口：数字时代41各层次系统的相各层次系统的相应时间应时间PlanningLevelExecutionLevelControlLevelSupervisoryLevelms Seconds Hours Days Weeks Month YearsERP(Enterpri

41、se Resource Planning)DCS MES(Manufacturing Execution System)PLC(Programmable Logic Controller)(Distributed Control System)(Supervisory Control and Data Acquisition)SCADA各层次系统的相应时间各层次系统的相应时间42DCS基本体系结构基本体系结构43一个专业的仪控工程师（一个专业的仪控工程师（I&C Professional） 通晓各种传感器、变送器、执行器的应用通晓各种传感器、变送器、执行器的应用 通晓基本控制元件（如继

42、电器等）通晓基本控制元件（如继电器等） 通晓通晓DCS/PLC等系统硬件的指标和应用等系统硬件的指标和应用 通晓通晓HMI软件的应用软件的应用 通晓过程控制算法的设计和现场调试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网络设备和现场总线的应用 通晓各种流行的软件接口（如通晓各种流行的软件接口（如OPC）应用应用 通晓各种行业标准、国际和国家强制型法规通晓各种行业标准、国际和国家强制型法规 通晓仪控项目的实施和管理通晓仪控项目的实施和管理44第三部分第三部分P&ID图的图的通用设计规定通用设计规定P&ID图首页图图首页图45第三部分第三部分P&ID

43、图的图的通用设计规定通用设计规定完整的完整的P&ID举例举例462012年自动化专题年自动化专题三、三、先进控制技术先进控制技术47目前流程工业控制中存在的问题目前流程工业控制中存在的问题n 控制效果差控制效果差u控制效果波动大，没有对产品质量和工艺指标进行控控制效果波动大，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，生产成本高制，因而产品质量差，产品收率低，生产成本高n 能耗大能耗大 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国能耗总量的约为13%,

44、占工业能耗总量的约为占工业能耗总量的约为18%。2010年年,全行业二氧化碳排放高全行业二氧化碳排放高达达8.63亿吨亿吨,仅次于电力和钢铁行业仅次于电力和钢铁行业,位居工业部门第三位位居工业部门第三位;2009年全行业排放废水年全行业排放废水41.6亿吨亿吨,化学需氧量化学需氧量63.9万吨万吨,氨氮氨氮9.9万吨万吨,二氧化硫二氧化硫174.1万吨万吨,氮氧化物氮氧化物89.9万吨万吨,均居工均居工业部门前列。业部门前列。 n 装置故障率高装置故障率高48先进控制技术的出现先进控制技术的出现n 解决目前流程工业控制中存在的问题，实现生产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过

45、程运行的“安、稳、长、满、优安、稳、长、满、优”n 先进控制技术是一个广泛的概念，是指不同于常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规控制方案的一切控制新方法u预测控制技术预测控制技术u软测量技术软测量技术u过程监控技术过程监控技术49相对传统的以温度、压力、液相对传统的以温度、压力、液位等为目标的单回路控制而言，位等为目标的单回路控制而言，先进控制先进控制则是以则是以质量和工艺要质量和工艺要求为指标的多变量控制求为指标的多变量控制先进控制系统的本质：50加热炉的控制加热炉的控制 单回路控制系统有：单回路控制系统有：1、燃烧系统燃料、送风、负压、含氧量等控、燃烧系

46、统燃料、送风、负压、含氧量等控制制2、加热系统物流的温度控制、加热系统物流的温度控制3、物流系统流量、压力等控制、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各种控制回路之间存在着强耦合 系统具有非线性因素系统具有非线性因素 各参数之间有互动作用各参数之间有互动作用作干扰处理作干扰处理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：结论：1、在耦合作用下各被控参数必然有很大波动、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、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）等氧量、影响安全因素（水位、

47、负压）等 3、必需将加热炉作一整体来考虑多变量系统、必需将加热炉作一整体来考虑多变量系统 52制药工业中的典型设备发酵罐的自动控制制药工业中的典型设备发酵罐的自动控制菌体浓度菌体浓度还原糖浓还原糖浓度度氨氮浓度氨氮浓度青霉素效青霉素效价价 营养液营养液氨水氨水硫氨（氮）硫氨（氮）苯乙酸苯乙酸53多变量鲁棒预测控制器结构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

48、轻柴95%航煤冰点55先进控制技术应用的效益先进控制技术应用的效益 Aspen公司公司 数据表明：数据表明： 实施实施APC取得的效益中，降低能耗占取得的效益中，降低能耗占10，产品质量提高占，产品质量提高占10%，提高装置，提高装置生产平稳与安全性占生产平稳与安全性占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公司数据表明：公司数据表明：用用DCS改造常规仪表获得改造常规仪表获得10的效益，在的效益，在DCS上实现上实现APC获得获得40的效益的效益 56先进控制技术的作用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，系随着工业

49、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。数目增多且相关性增强以及存在多种约束。控制 + 优化 + 监控 = 效益先进控制先进控制优化优化/在线优化在线优化过程监控过程监控Operators工程界形成共识：工程界形成共识：先进控制先进控制 确保操作运行在局部约束条件边界上确保操作运行在局部约束条件边界上 优化优化 / /在线优化在线优化 追求效益最大化目标追求效益最大化目标过程监控过程监控 改进、提高运行效率改进、提高运行效率57先进控制技术的作用先进控制技术的作用原材

50、料信息获取原材料信息获取/生产计划优化生产计划优化Raw Material Acquisition / Run Plan Optimization采用采用简化模型简化模型，仅考虑主要约束条件，仅考虑主要约束条件优化优化全厂全厂装置装置优化优化预期进料、操作条件和价格预期进料、操作条件和价格以效益最大化为驱动目标，实现以效益最大化为驱动目标，实现经济定价经济定价生产计划生产计划每月每月/每周每周平均计划平均计划操作条件实时优化操作条件实时优化Current - Real Time - Operations Optimization详细的工程模型详细的工程模型，准确预测所有约束，准确预测所有约束进

51、行各个装置的进行各个装置的单元优化单元优化，非全厂规模，非全厂规模基于基于当前生产当前生产操作条件与价格进行优化操作条件与价格进行优化优化目标值能够优化目标值能够自动执行自动执行先进控制应用先进控制应用Advanced Control Applications通过装置测试通过装置测试获取线性动态模型获取线性动态模型应用范围小于应用范围小于RTO（单一指标、控制回路等）（单一指标、控制回路等）进行进行动态约束控制动态约束控制各约束条件各约束条件预先定义的、区分优先级别预先定义的、区分优先级别计划优化系统计划优化系统（PIMS）在线优化在线优化（RTO）先进控制先进控制（APC）每月每月/周周小时

52、小时分钟分钟调度约束、调度约束、价格等价格等计划、调度计划、调度的过程变量的过程变量过程约束过程约束优化目标优化目标58先进控制技术的实施过程先进控制技术的实施过程T-151F -2101F -2150T101SS4PA1PA2PA3PA4SS3OVERFLASHSS2SS1StmF-101F-170GOACRUDECRUDECRUDECRUDECRUDEASSAYBLENDT2101F 2 1 0 1F 2 1 5 0LVGOHVGOFCCUOVEREAHDLIGHT ENDSLVNHFHFHFATFGOCFOBLENDINGHCCOLCCOHCNLCCOASPHALTLCCOSLURRYH

53、CNTOPWF优化优化工程师工程师先控先控工程师工程师RTO 模型模型 及其在线应用及其在线应用APC应用应用FC101RTO 系统平台系统平台DCS界面界面系统工程师系统工程师分析工程师分析工程师 进料进料/产品分析产品分析实验室实验室计划调度计划调度人员人员 价格价格 驱动力驱动力 限制约束限制约束离线学习离线学习目标函数、定价、逻辑目标函数、定价、逻辑终端用户终端用户操作工程师操作工程师59预测控制基本知识预测控制基本知识n 预测控制：模型预测控制，预测控制：模型预测控制，Model Predictive Control， MPCn 20世纪世纪70年代末，在工业过程控制领域出现的一年代

54、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。种基于模型的计算机控制算法。n 有着深刻的实际应用背景，首先应用于实际工业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。问题的解决，来自于工业实践者。n 1978年，年，Richalet首先发表论文进行了介绍，随首先发表论文进行了介绍，随后引起研究热潮，是目前工业过程中后引起研究热潮，是目前工业过程中最为成功研最为成功研究最多的先进控制算法。究最多的先进控制算法。60预测控制基本知识预测控制基本知识预测控制的基本原理预测控制的基本原理 模型预测模型预测模型预测模型预测模型预测模型预测滚动优化滚动优化模型预测模型

55、预测反馈校正反馈校正l输入输出模型输入输出模型l假设未来输入假设未来输入预测未来输出预测未来输出l以滚动方式对未来以滚动方式对未来有限时域进行优化有限时域进行优化l在线计算并实现当在线计算并实现当前控制作用前控制作用l每一时刻检测实每一时刻检测实际输出际输出l以预测误差补偿以预测误差补偿对未来输出的预测对未来输出的预测61预测控制基本知识预测控制基本知识n 与预测控制有关的例子：过马路，下棋与预测控制有关的例子：过马路，下棋62预测控制基本知识预测控制基本知识n 与预测控制有关的例子：过马路，下棋与预测控制有关的例子：过马路，下棋63预测控制算法的类型预测控制算法的类型n 动态矩阵控制动态矩阵

56、控制 (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 广义预测控制广义预测控制(Clarke et al, 1987)n（Generalized Predictive Control, GPC）n 预测函数控制预测函数控制(Adersa et al, 1987)n （Predictive Functional Control, PFC）n 单值预测控制、状态空间预测控制、。单值预测控制、状态空间预测控制、。

57、64预测控制技术的工业应用预测控制技术的工业应用n 预测控制理论产生于工业过程控制领域的需求和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实践，具有很强的应用背景n 目前已经在炼油、化工、电力、航空航天、汽车目前已经在炼油、化工、电力、航空航天、汽车控制等多个方面有着成功应用控制等多个方面有着成功应用n 尤其是在油田石化方面有大量应用，在催化裂化、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加氢重整、常减压、延迟焦化等大型装置上有许多应用报道多应用报道n 国内外流程工业中几乎所有先进控制软件都与预国内外流程工业中几乎所有先进控制软

58、件都与预测控制技术相关，是工业过程应用中最具代表性测控制技术相关，是工业过程应用中最具代表性的先进控制算法的先进控制算法65预测控制技术的应用软件预测控制技术的应用软件n 第一代：第一代：IDCOM 、DMCu主要处理无约束多变量过程控制主要处理无约束多变量过程控制n 第二代：第二代：QDMCu解决了输入输出约束问题解决了输入输出约束问题n 第三代：第三代：SMOC、SMCA、HIECON、IDCOM-Mu解决了有约束多变量过程解决了有约束多变量过程MPC优化中的不可行解问题优化中的不可行解问题n 第四代：第四代：DMC+（Aspen)、RMPCT(Honeywell)u多目标优化、鲁棒设计、

59、系统辨识技术多目标优化、鲁棒设计、系统辨识技术66当前预测控制软件特点当前预测控制软件特点n 典型代表：典型代表：DMC+和和RMPCTu1995年，年，HONEYWELL兼并兼并Profimatics公司，将公司，将RMPC与与PCT算法整合形成算法整合形成RMPCT软件包软件包u1996年，年，ASPEN兼并兼并Setpoint和和DMC公司，将公司，将SMCA和和DMC融合形成融合形成DMC+软件软件n 特点特点u都采用了都采用了Windows图形用户界面，可以处理具有优先图形用户界面，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权控制目标的多目标优化问题，增强了稳态目

60、标优化的适应性，优化中直接考虑了模型的不确定性，采用的适应性，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先进的模型辨识技术67国内预测控制应用情况国内预测控制应用情况n 国内最早是齐鲁石化公司胜利炼油厂引进了美国国内最早是齐鲁石化公司胜利炼油厂引进了美国Setpoint公司的公司的IDCOM-M软件，并应用于催化裂软件，并应用于催化裂化装置取得成功化装置取得成功n 近些年来，我国已经引进了近些年来，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石化装置取得成功应用n 引进国外软件的问题引进国外软件的问题u价格非常高（价格非常高（