工業(yè)過程自動化技術的發(fā)展課件

工業(yè)過程自動化技術的發(fā)展

桂衛(wèi)華

中南大學信息科學與工程學院

工業(yè)過程自動化技術的發(fā)展

1一.概述

1.什么叫工業(yè)過程自動化技術

綜合運用控制理論、電子裝備、儀器儀表、計算機和其他信息技術，對工業(yè)生產過程實現(xiàn)檢測、控制、優(yōu)化、調度、管理和決策，達到增加產量，提高質量、降低消耗、確保安全等目的，這樣的一種綜合性技術稱之為工業(yè)工程自動化技術。它包括：工業(yè)過程自動化軟件、硬件及系統(tǒng)三大部分。一.概述1.什么叫工業(yè)過程自動化技術2

工業(yè)生產過程指的是發(fā)電、冶金、煉油、石化、化工、化肥、生化、建材、造紙、制藥、橡膠、環(huán)保、選礦、采礦等領域的生產加工過程，它是工業(yè)過程自動化的服務對象，可以是一個設備、一個裝置、一個工段、一個生產線，也可以是一個工廠，一個聯(lián)合企業(yè)。工業(yè)過程自動化技術是一門服務性技術是一門服務性技術，它的服務對象是工業(yè)過程。工業(yè)過

工業(yè)生產過程指的是發(fā)電、冶金、煉油、石化、化工3

程自動化中的變送器和執(zhí)行器相當于人的“眼睛”和“手腳”，工業(yè)過程自動化中的主控系統(tǒng)相當于人的“大腦”。離開了眼睛、手腳和大腦，一個人無法行動和思考；離開了變送器、執(zhí)行器和主控系統(tǒng)，一個生產過程無法正常運行。因此，工業(yè)生產離不開工業(yè)過程自動化技術。

程自動化中的變送器和執(zhí)行器相當于人的“眼睛”和“手腳”，工4

2.工業(yè)過程自動化與傳統(tǒng)產業(yè)的關系

①自動化技術的發(fā)展都離不開社會環(huán)境和歷史背景.科學,特別是技術科學的發(fā)展,常常是以技術的發(fā)展為先導.自動控制理論屬于技術科學的范疇，它的發(fā)展主要受社會需求的的推動和技術進步的刺激，當然也受物理學、生物學等和作為工具的計算機的促進。

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維納時代及前期的自動控制理論（經典控制理論）

Nyquist（1932年）穩(wěn)定性分析

Bode（1940年）Bode圖

Evans（1948年）根軌跡法

Wiener（1948年）《控制論》一書標志著一門獨“控制理論”的誕生.

維納時代及前期的自動控制理論（經典控制理論）6

經典控制理論的形成

推動:受當時重大技術（通訊技術和火炮技術等）的深刻影響。物理學：牛頓力學中的“質點和姿態(tài)動力學”數學：線形常系數微分方程、單復變函數、概率、統(tǒng)計.工具：模擬電路和模擬計算機.

經典控制理論的形成7

50年代到60年代的自動控制理論（現(xiàn)代控制理論）

Bellman（50年代）最優(yōu)性原理———《動態(tài)規(guī)則》（1954年）

Poutrygin等人（50年代末）提出“最大值原理”（最優(yōu)控制問題的基本原理）

Kalman（60年代）狀態(tài)空間方法：能控性，能觀測性。

50年代到60年代的自動控制理論（現(xiàn)代控制理論）8

現(xiàn)代控制理論的形成推動：遠程火箭技術與航天技術、現(xiàn)代航海技術的直接影響.

物理學（化學）：力學、電動力學、化學反應機理.數學:線性代數（幾何方法）和矩陣論；線性常微分方程組理論；實、復變函數論變分法；泛函分析；概率、統(tǒng)計.工具：電子計算機技術促進.

現(xiàn)代控制理論的形成9

60年代以來.特別是80年代以來，自動控制理論有了新的發(fā)展推動：微電子技術、計算機技術、通訊和網絡技術、機器人技術.經濟、技術全球化進程的加快.

60年代以來.特別是80年代以來，自動控制理論有10

向控制理論提出了新的課題.

*含有各種不確定性系統(tǒng)的建模、分析綜和、控制和優(yōu)化設計.*具有層次性特征系統(tǒng)的建模、分析綜合、控制和優(yōu)化設計.*難于用傳統(tǒng)方法建模系統(tǒng)的分析和控制問題.方法:智能方法

向控制理論提出了新的課題.11

②工業(yè)過程自動化與傳統(tǒng)產業(yè)的關系

利用電子技術改造傳統(tǒng)產業(yè)是近二十年來中國經濟發(fā)展的重要成果，大大促進了企業(yè)競爭實力和綜合國力的增強。而在電子技術改造傳統(tǒng)行業(yè)中，工業(yè)自動化技術又是其中的重要組成部分。對傳統(tǒng)的過程工業(yè)而言，利用先進的自動化硬件及軟件組成工業(yè)過程自動化系統(tǒng)，大大提高了生產過程的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。提高了產品產量和質量、提高了勞動生產率，企業(yè)的綜合經濟效益。

②工業(yè)過程自動化與傳統(tǒng)產業(yè)的關系12

美國科學院曾對位于前列的五家實施綜合自動化的企業(yè)進行全面的調查，結果表明：產品質量提高2—5倍，生產效率提高40—70%；設備利用率提高2—3倍，生產周期縮短30—60%，庫存減少30%到60%，人工費減少5—20%。*工業(yè)過程自動化技術是從傳統(tǒng)產業(yè)中產生出來的技術，是傳統(tǒng)產業(yè)發(fā)展的需求所在。

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20實際40年代是自動化技術和理論形成的關鍵時期。工業(yè)過程自動化首先來自于傳統(tǒng)機械制造業(yè)生產方式的變更，即從汽車流水線開始的。1946年美國福特汽車公司副經理D.S哈特首先提出用“自動化”一詞來描述這種流水線。1947年4月，福特汽車公司建立了自動化研究部

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門，稱作自動化工程司的專家到這個部門工作1948年，《美國機械師》雜志，把自動化技術義為“用機械裝置去操縱工件的進出，在各項操作之間轉送零件，消除廢料，使生產設備按照一定的時序去完成這些任務，使流水線能部分或全部地處在集中控制站的按鍵控制之下的一種技術。

自動化一出現(xiàn)就顯示出強大的生命力。應用這種流水線，建立起單一品種大規(guī)模生產方式，大大

門，稱作自動化工程司的專家到這個部門工作1948年，《15

提高了勞動生產率。不到3年的時間，使汽車成本下降了近3倍，只用了8年的時間就使汽車銷售價格下跌到原來的9%使汽車走進了普通家庭。汽車工業(yè)的發(fā)展，帶動了冶金、化工、石油等工業(yè)，促進了連續(xù)生產過程自動化的發(fā)展。

提高了勞動生產率。不到3年的時間，使汽車成本下降了近3倍，16

傳統(tǒng)產業(yè)的發(fā)展推動了工業(yè)過程自動化技術的進步

70年代以來，由于世界范圍內出現(xiàn)的能源危機和市場劇烈競爭，工業(yè)生產規(guī)模更趨龐大。如：每個電站的裝機容量已經從20萬、60、100萬KW石化工業(yè)中年產30萬噸以上的乙烯、合成氨等工廠大批建成。設備的更新?lián)Q代，市場競爭，要進一步提高產

傳統(tǒng)產業(yè)的發(fā)展推動了工業(yè)過程自動化技術的進步17

量，降低成本，節(jié)約原材料和減少能源。要求自動化技術能充分發(fā)揮設備的生產能力，最終達到優(yōu)質高產低耗的控制目標。另一方面，面對的工業(yè)過程越來越復雜，如反應過程、生化過程等等，本身機理就十分復雜，一些還沒有完全被人們充分認識。而這類過程往往還受到眾多隨機因素的干擾和影響，具有高度的不穩(wěn)定性、高度的非線形、高度的關聯(lián)性、特大的滯后性

量，降低成本，節(jié)約原材料和減少能源。要求自動化技術能充分發(fā)18

和狀態(tài)不完全性，難以建立精確的數學模型。出現(xiàn)了克服和解決這些問題的先進控制方法和先進控制策略。人工智能、控制理論、運籌學等智能控制應用于化工、煉油、造紙、發(fā)電、冶金等各種工業(yè)過程之中，極大的推動了自動化技術的發(fā)展。

目前，生產過程自動化的程度已成為衡量工業(yè)企業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志。

和狀態(tài)不完全性，難以建立精確的數學模型。出現(xiàn)了克服和解決這19

二工業(yè)過程自動化技術國內外現(xiàn)狀分析、及發(fā)展趨勢

工業(yè)過程自動化技術及產品主要包括各種工業(yè)控制軟件、硬件及系統(tǒng)，其中主要包括各種工業(yè)控制軟件、硬件及系統(tǒng)，其中主要關鍵技術有：

二工業(yè)過程自動化技術國內外現(xiàn)狀分析、及發(fā)展趨勢20

*新一代主控系統(tǒng)（包括集散控制系統(tǒng)、可編程控制器、儀表、器件、網絡、傳感器等）*現(xiàn)場總線技術（包括HART總線、FF、Canbus、Lonworks、Profibus等）*實時監(jiān)控軟件平臺（信息集成軟件平臺）*先進控制技術（多變量約束控制、廣義預測控制、多變量魯棒控制、自適應解耦控制等）

*新一代主控系統(tǒng)（包括集散控制系統(tǒng)、可編程控21

*過程優(yōu)化技術（冶金、煉油、化工、化肥造紙等領域的一批在線優(yōu)化技術）*變送器及執(zhí)行器技術（以現(xiàn)場總線技術為基礎的智能變送器及執(zhí)行器*特種檢測技術（鋼鐵、煉化、輕化、冶金等領域的各種特種變量的檢測技術）*專用優(yōu)化軟件及專用控制裝置（包括冶金、煉油、石化、化工、化肥、生化、制藥、建材、造紙、環(huán)保等工業(yè)領域關鍵設備的專用優(yōu)化軟件和專用控制裝置）

*過程優(yōu)化技術（冶金、煉油、化工、化肥造紙等領域22

涉及上述領域和控制系統(tǒng)產品國內需要達500億元以上。主要是歐美日等國的大企業(yè)在國內市場瓜分市場份額。如：Honeywell，ABB、西門子、橫河電機、西屋電氣、富士電機、貝利等。

以下從工業(yè)控制軟件、工業(yè)控制硬件和控制系統(tǒng)三個方面分析國內外現(xiàn)況和發(fā)展趨勢。

涉及上述領域和控制系統(tǒng)產品國內需要達500億元以上。主要是23

2.1工業(yè)過程自動化軟件

2.1.1實時監(jiān)控軟件平臺

近年來，隨著電子技術、計算機技術、網絡通訊技術和自動化技術的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)已經逐漸演變?yōu)閿底只?、智能化、開放化和新型控制系統(tǒng)，并且越來越多的應用于工業(yè)企業(yè)。使得從單個設備、單個車間的自動化發(fā)展為整個工廠、整個企業(yè)的自動化已成為可能。已信息集成為基礎，

2.1工業(yè)過程自動化軟件24

的工廠綜合自動化、智能工廠等大型企業(yè)應用軟件等大型企業(yè)應用軟件，對提高企業(yè)的生產效益，產品質量和競爭力有著重要作用。

在這些以企業(yè)經營管理和企業(yè)生產管理的緊密集成為目標的大型企業(yè)應用軟件中，對生產過程的集成、監(jiān)控、管理是整個應用軟件體系的基礎和平臺。因此，一種能夠網絡化集成監(jiān)控所有自動化設備的新型實時監(jiān)控軟件平臺是開發(fā)的方向。這種新型的實時監(jiān)控軟件平臺能夠實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)的以下需求。

的工廠綜合自動化、智能工廠等大型企業(yè)應用軟件等大型企業(yè)應用25

*集成監(jiān)控管理現(xiàn)存的和即將應用的自動化控制設備，逐步消除工廠內各不相同的專用技術、網絡、協(xié)議所產生的不良效果；*降低自動化系統(tǒng)的總體投資成本，并最大程度上保護在現(xiàn)在動化系統(tǒng)上的投資；*滿足工廠實時生產過程信息進入企業(yè)內所有的計算機平臺，滿足企業(yè)對生產更深入、更及時地管理；

*集成監(jiān)控管理現(xiàn)存的和即將應用的自動26

*提供開放、標準的方式或方法，使得先進控制軟件（APC）、生產調度軟件能夠方便的開發(fā)；*統(tǒng)一自動化控制系統(tǒng)的基礎設施網絡，為將自動化系統(tǒng)最終融入信息管理系統(tǒng)提供條件和可能；*充分利用網絡通訊技術、Internet\Intranet技術，使得生產管理人員和現(xiàn)場操作人員能夠在任何地方對機器、生產過程乃至工廠生產管理進行遠程監(jiān)控；

*提供開放、標準的方式或方法，使得先進控制軟件（27

現(xiàn)在，國外商品化的實時監(jiān)控軟件正在朝這個方向發(fā)展，典型的產品有美國Intellution公司

Dynamics軟件、Wonderware公司的InTouch軟件、以色列PCSoft國際公司的Wizcon軟件、澳大利亞Citect公司Citect軟件、法國ARC公司PCVUE32

軟件等，這些軟件大都已經或多或少地進入中國市場。

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另一方面，面臨即將到來的21世紀，我國企業(yè)的經營管理人員在面臨市場全球化機遇的同時正面臨著更大的挑戰(zhàn)，高效率、高質量、低消耗、彈性生產的全球市場需求正在給我國企業(yè)生產經營管理人員帶來巨大的壓力。隨著企業(yè)規(guī)模的擴大和管理水平的提高，企業(yè)越來越迫切需要具有大型分布式數據庫的綜合集成軟件平臺。企業(yè)經營管理人員和技術研究人員一般都認為

另一方面，面臨即將到來的21世紀，我國企業(yè)的經29

保證全廠生產過程的平穩(wěn)控制、協(xié)調生產是是提高企業(yè)競爭力的主要途徑。因此，企業(yè)經營管理人員習慣采用企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)（ERP—EnterpriseResourcePlanning）或企業(yè)供應鏈管理系統(tǒng)（SupplyChainManagement）來管理生產過程原料及其他資源的供給計劃。但是，這些計劃管理系統(tǒng)仍然缺少對全廠生產過程的控制、調度和集成能力。而在過程控制中，由于各種數字化自動控制系

保證全廠生產過程的平穩(wěn)控制、協(xié)調生產是是提高企業(yè)競爭力的主30

統(tǒng)的廣泛應用，我們已經可以獲得大量有關生產過程運行的“海量數據”。但是，這些數據只是各個生產過程的一些細節(jié)，片面的信息，并不能從全廠的角度反映產品質量、生產計劃執(zhí)行情況、能源消耗情況。這種存在于企業(yè)經營管理系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)之間的信息鴻溝上所有企業(yè)在實施企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)（ERP）或企業(yè)供應鏈管理系統(tǒng)時所遇到的實際問題。

統(tǒng)的廣泛應用，我們已經可以獲得大量有關生產過程運行的“海量31

針對這種實際情況，國外軟件開發(fā)商已經成功開發(fā)成功商品化的軟件平臺，專門用于經營決策管理和實時過程控制的信息交換和緊密集成。典型產品有美國OSI公司的PI軟件、CAMSTARSYSTEM公司InSite軟件、RealtimeInfo公司的InfoLink軟件等。

針對這種實際情況，國外軟件開發(fā)商已經成功開發(fā)成功商品化32

2.1.2先進控制軟件現(xiàn)代工業(yè)的一個重要特征是向大型化和自動化發(fā)展。在現(xiàn)在的大工業(yè)生產過程中，人們對生產過程的安全、高效、優(yōu)質、低耗的要求不斷提高，追求更大的經濟效益，因而對控制的要求也越來越高。但是在復雜的工業(yè)過程中經常遇到的諸如多種約束條件、多變量和強耦合問題、非線性、大時滯、難建立精確的模型、不確定性嚴重、多控制目標等問

2.1.2先進控制軟件33題給控制帶來了很大的困難、以上這些問題使用常規(guī)的控制技術已不能滿足其要求，而必須采用先進的控制技術來解決。采用先進的控制，可以處理各種約束，可以把各種要求以性能指標的形式結合到控制中加以考慮，以提高控制的動態(tài)質量。動態(tài)控制的質量高，上層優(yōu)化級就可以將工作點設置到臨界約束邊界，從而進行卡邊生產，在保證安全性的同時使經濟效益大大提高。理論和實踐都證明，只題給控制帶來了很大的困難、以上這些問題使用常規(guī)的控制技術已不34

只要設計合理，先進控制完全可以取得優(yōu)于常規(guī)控制的實際效果。從目前先進控制技術應用的情況來看，在今后的幾年內，預測控制、模糊控制、魯棒控制、智能控制、自適應控制、軟測量等將會成為先進控制技術軟件發(fā)展的主流，將對我國冶金、煉油、化工、造紙、制藥、石油等行業(yè)的技術改造、技術進步起到積極的推動作用。國外從70年代末80年代初就開始先進的控制技術的商品化產品開發(fā)及

只要設計合理，先進控制完全可以取得優(yōu)于常規(guī)控制的實際效果。35

國外從70年代末80年代初就開始先進的控制技術的商品化軟件開發(fā)及應用，在DCS的基礎上實現(xiàn)優(yōu)化控制和先進的過程控制。在控制算法上，將控制理論研究的新成果，如多變量約束控制、各種預測控制、推斷控制和估計、人工神經元網絡控制和軟測量技術等應用于工業(yè)生產過程并取得明顯的經濟效益和社會效益。

國外從70年代末80年代初就開始先進的控制技術的商品化軟件36

目前國外，特別是美國、加拿大、歐洲等國已有Setpoint，DMC，HoneywellProfimatics、Adersa，ASPENTech，TreiberControls等多家從事先進控制和優(yōu)化的軟件公司開發(fā)出適合于實時控制與優(yōu)化的多變量先進控制和實時在線優(yōu)化的商品化的工程軟件產品，大量推向市場，在上千家大型石化、化工、煉油、冶金等企業(yè)獲得成功應用，取得巨額利潤。

目前國外，特別是美國、加拿大、歐洲等國已有37

據有關資料統(tǒng)計，國外比較著名的先進控制軟件包已有2233套獲得應用，目前正在搶占我們的國內市場，詳細的情況如表2。1所示。

38工業(yè)過程自動化技術的發(fā)展課件39

2.1.3過程優(yōu)化軟件

過程優(yōu)化是工業(yè)過程自動化的核心技術之一，它通過生產裝置的安全平穩(wěn)運行和優(yōu)化操作使生產計劃高效地實施。為了這一目標，首先需獲取正確反映生產裝置狀態(tài)的原始生產數據，利用數據校正技術，分析、綜合出產品質量、裝配能力及狀況、能源消耗、故障報警信息，實現(xiàn)質量監(jiān)控、故障診斷，

2.1.3過程優(yōu)化軟件40

和安全管理，同時，利用流程模擬模型和裝置狀況，進行生產作業(yè)計劃和優(yōu)化調度，以最少的能耗、最高的安全性或最大的產品效益，確定各個生產裝置的負荷并通過靜態(tài)實時優(yōu)化向先進控制層提供最優(yōu)操作條件。過程優(yōu)化層主要由七大軟件產品組成：

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數據校正質量監(jiān)控故障診斷安全管理生產調度優(yōu)化流程模擬靜態(tài)實時優(yōu)化生產信息綜合集中平臺

數據校正42

過程優(yōu)化軟件是實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)節(jié)能、降耗、安全生產、環(huán)境保護和增加效益的重要工具。國內外產業(yè)界對此非常重視，國外80年代起已逐步出現(xiàn)流程模擬、生產計劃調度優(yōu)化、數據校正、統(tǒng)計質量控制和靜態(tài)優(yōu)化商品化軟件，90年代以來，各類商品化軟件的功能日趨完善，在不同計算機硬件、網絡及數據庫平臺上的通用性進一步加強，針對特定工業(yè)

過程優(yōu)化軟件是實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)節(jié)能、降耗、安全生產、環(huán)境保護和43

過程優(yōu)化軟件的工程服務受到廣泛的重視，工程服務水平和用戶的參與程度已成為軟件應用成敗的重要因素。90年代后期，國外的軟件廠商除了不斷擴展各應用軟件的功能，還十分重視各應用軟件的綜合集成和相互組合，既有大公司（如Aspentech）力圖提供過程優(yōu)化層全面軟件產品，也有多家軟件企業(yè)提供富有特色的專業(yè)優(yōu)化軟件。今后的發(fā)展趨

過程優(yōu)化軟件的工程服務受到廣泛的重視，工程服務水平和用戶的44

勢是進一步提供優(yōu)化軟件的工程適用性，提供Internet遠程維護，為綜合集成商提供即插即用式應用軟件和面向目標的圖形化軟件組態(tài)界面。但是各種優(yōu)化軟件在功能上都因若干技術上的難點而不夠完善，市場需要功能更優(yōu)的優(yōu)化軟件出現(xiàn)。

勢是進一步提供優(yōu)化軟件的工程適用性，提供Inter45

2.2工業(yè)過程自動化硬件2.2.1發(fā)展趨勢工業(yè)過程自動化硬件即工業(yè)自動化儀表與裝置是一個對高技術特別敏感的行業(yè)，近十年來，計算機技術、微電子技術、通訊技術與自動化控制技術相結合，使得在技術上達到新的高度。其主要特征是，產品實現(xiàn)數字化、智能化、網絡化，并在性能上向高精度、高可靠性、高環(huán)境適應性方向發(fā)展。由于

2.2工業(yè)過程自動化硬件46

上述的發(fā)展趨勢，產生了四個方面的明顯變化。以現(xiàn)場總線為基礎的智能化現(xiàn)場儀表將不斷涌現(xiàn)，并逐漸成為主流產品，這類儀表以具有多功能、智能化、可組態(tài)、自診斷、可互操作、可雙向通信為特點。目前影響比較大的現(xiàn)場總線通信規(guī)約有：FF（FoundationFieldbus，基金會現(xiàn)場總線）、Profibus、Lonworks以及基于CAN的現(xiàn)場總線系列。

上述的發(fā)展趨勢，產生了四個方面的明顯變化。47

啟用新型智能模塊，如專家系統(tǒng)、模糊控制、預測控制、神經元控制，從而使控制系統(tǒng)得以充分地發(fā)揮其能力和潛質。自動化儀表與裝置在其自身智能化的基礎上，通過現(xiàn)場總線、Internet或Intranet等通信網絡與計算機管理系統(tǒng)相溝通，構成控制與管理一體化的IPS（計算機集成過程系統(tǒng)，ComputerIntegratedProcessSystem）系統(tǒng)。

啟用新型智能模塊，如專家系統(tǒng)、模糊控制、預測控48

因此,今后為形成該類系統(tǒng)的各種網關、網橋，以及各種大型商品化的監(jiān)視、優(yōu)化調度、管理軟件亦將不斷涌現(xiàn)。在發(fā)展通用、普及、標準產品的同時，將十分注意“專用控制裝置”（如：工業(yè)鍋爐、藥業(yè)反應器等）和“特種檢測儀表”（如黏度、濁度等）的開發(fā)和應用。軟測量技術在需要特殊檢測的場

因此,今后為形成該類系統(tǒng)的各種網關、網橋，以及各種49合，也是常被采用的技術之一。代表技術發(fā)展趨勢的典型產品是基于現(xiàn)場總線的FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，F(xiàn)ieldbusControlSystem)和智能現(xiàn)場儀表。見表2。2。合，也是常被采用的技術之一。代表技術發(fā)展趨勢的典型產品是基50

2.2.2國內外現(xiàn)狀

國內的工業(yè)自動化儀表及裝置雖然得到了較大的發(fā)展，但是形勢不容樂觀。各方面都面臨強大的壓力，產品的技術水平亟待加快。

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對于主控系統(tǒng)我國自行開發(fā)的分散型控制控制系統(tǒng)（DCS）具有八十年代末的水平，浙大中控的SUPCONJx，和利時的HS2000，上海自動化儀表研究所的叮K-2900等均已能供應市場。據1995年底資料統(tǒng)計，國內各工業(yè)部門應用DCS共計1387套，其中進口1336套，占96%，近兩年，國內供應的套數明顯增加，但比

對于主控系統(tǒng)52

例變動不大。我國生產的以PC為基礎的開放型控制裝置和PLC在中、小型系統(tǒng)中已廣泛應用，并呈上升趨勢。引進的DCS具有八十年代中后期水平，國產化率達35%以上，但批量不大，沒有規(guī)范經濟效應。

例變動不大。我國生產的以PC為基礎的開放型控制裝置和PLC53

對于變送器變送器類產品通過引進，提高了靈敏度和可靠性具有八十年代中期水平的智能式變送器和具有九十年代中期水平的帶HART通信接口的智能式變送器已開始試產、試用。但是，對于冶金、煉油、化工、石化、生化、造紙和環(huán)保等工業(yè)領域急需的特種變送器十分缺乏。

對于變送器54

對于執(zhí)行器執(zhí)行器類產品發(fā)展較快，一般產品達到八十年代中期水平。但是，對于大流量、強腐蝕、高粘度、高壓差、超低溫、多相流等的特種執(zhí)行器，目前的品種太少，不能滿足生產需求。

對于其他儀表國內生產的常規(guī)儀表50%還是七十年代至八十年代水平的以模擬技術為基礎的儀表,

對于執(zhí)行器執(zhí)行器類產品發(fā)展較快，一般產品達到55

如電動單元組合儀表。此外。自動系統(tǒng)的儀表品種滿足率太底，一般工程項目為80%，大型工程項目為60%特殊工程項目不到40%。 對于現(xiàn)場總線在國內現(xiàn)場總線技術引起了自動化行業(yè)的普遍重視，在國家計委的支持下，已開始現(xiàn)場總線技術的科技攻關，并已開發(fā)出大批研究成果。

如電動單元組合儀表。此外。自動系統(tǒng)的儀表品種滿足率太底，一56

但到目前為止，尚無一家企業(yè)批量投產現(xiàn)場總線儀表，國內的自動化儀表市場正在被國外的現(xiàn)場總線儀表所主導，F(xiàn)F總線儀表在國內工程應用中尚不多見，但HART總線儀表的應用已越來越多。國內進行現(xiàn)場總線儀表的開發(fā)與生產，還受到“一致性”和“互操作性”的檢驗和認證等關鍵性問題，尚受制于國外，目前并找到滿意的解決辦法。

但到目前為止，尚無一家企業(yè)批量投產現(xiàn)場總線儀表，國內的自動57

國外的工業(yè)自動化儀表及裝置，分析一下現(xiàn)場總線儀表就可見一般。國際上，現(xiàn)場總線技術的研究和開發(fā)已取得重大進展，出現(xiàn)了各種基于現(xiàn)場總線技術的智能儀表和系統(tǒng)，在實際工程上得到越來越多的應用，現(xiàn)在國際上有10多種較有影響的國家或企業(yè)的現(xiàn)場總線標準，在斷續(xù)過程控制領域的推廣應用發(fā)展迅速，但在連續(xù)過程控制領域中的應用

國外的工業(yè)自動化儀表及裝置，分析一下現(xiàn)場總58

因為標準不統(tǒng)一而受到阻力，因此，國際標準化組織（IEC）正在加大制訂國際標準的力度，可望在近期完成FF標準的全部制定工作，F(xiàn)F標準在國際上已被近200家自動化儀表企業(yè)接受，并積極推出符合FF標準的產品。HART標準作為一種模擬量轉換到數字量的過度標準，事實上得到了世界各國的認可，因此符合HART標準的產品在今后十年內將是一個發(fā)展時期。

因為標準不統(tǒng)一而受到阻力，因此，國際標準化組織（IEC）正59

2.3工業(yè)過程自動化系統(tǒng)

由工業(yè)過程自動化軟件和硬件組成工業(yè)控制系統(tǒng)，應用于鋼鐵、煉油、化工、石化、化肥、造紙、生化和環(huán)保等工業(yè)領域，形成了各具特色的系統(tǒng)結構、控制策略和設計方法，特別是專用控制裝置和專用優(yōu)化軟件。下面分鋼鐵、煉化、和輕化等三個領域進行分析。

2.3工業(yè)過程自動化系統(tǒng)60

2.3.1鋼鐵工業(yè)

鋼鐵工業(yè)自動化的發(fā)展趨勢大多數發(fā)達國家的鋼鐵工業(yè)自動化，基本上達到了局部綜合自動化的要求，其功能包括控制、優(yōu)化、調度、管理和決策等。

61

范圍廣、功能強的管理系統(tǒng)實用化以及時、高效、服務周到為目的的廣域化管理系統(tǒng)逐漸實用化，在不少鋼鐵公司得到應用。

生產操作和運行指揮系統(tǒng)智能化以繼承專家操作訣竅及有效操作為目的的人工智能、模糊控制、專家系統(tǒng)和神經網絡技術在各工序得到應用。

范圍廣、功能強的管理系統(tǒng)實用化以及時、高效62

現(xiàn)代控制理論提供高質量在連鑄結晶器、帶鋼連扎機等關鍵設備采用預測控制、多變量最優(yōu)控制、自適應解耦取得重大效益。監(jiān)控過程應用多媒體實現(xiàn)可視化操作運用傳感器群的信息，利用多信息融合技術、多媒體技術和圖象處理技術，使鑄胚內部凝固過程達到可視化的要求。

現(xiàn)代控制理論提供高質量在連鑄結晶器、帶鋼連扎63

普遍建立故障診斷設備維護專家系統(tǒng)以提高作業(yè)率和維護費用，發(fā)展大規(guī)模設備診斷、過程診斷、遠程診斷、狀態(tài)診斷、優(yōu)化維護等技術，在鋼鐵企業(yè)已取得重大經濟效益。生產系統(tǒng)和管理系統(tǒng)實現(xiàn)網絡化從現(xiàn)場總線到車間網、工廠網、企業(yè)網，在鋼鐵企業(yè)系統(tǒng)網絡化已成為不可逆轉的趨勢，為建立綜合自動化提供了靈活性。

普遍建立故障診斷設備維護專家系統(tǒng)以提高作業(yè)率和維64

特種檢測技術和執(zhí)行器得到快速發(fā)展采用新技術（如激光、超聲等）、新理論（如神經網絡、模式識別等）、新器件（如CCD），使得過去無法直接檢測關鍵參數成為可能。

特種檢測技術和執(zhí)行器得到快速發(fā)展采用新技術（如激65

鋼鐵工業(yè)自動化的國內現(xiàn)狀

一批引進工程和自建項目奠定了我國鋼鐵工業(yè)自動化的基礎一批引進工程提高了我國鋼鐵工業(yè)水平，并豐富了自動化技術來源和獲得移植消化的榜樣：多車間成套自動化工程（如寶鋼一、二期工程、天津鋼管公司工程等），這些當代國際先進水平的成套自動化系統(tǒng)大大提高我國工業(yè)自動化水平。

鋼鐵工業(yè)自動化的國內現(xiàn)狀66

我國自行建設的基礎或技術改造項目均把自動化作為重要環(huán)節(jié)。如高爐占總容的25%的大型高爐都采用了較為完善的自動化系統(tǒng)，中小型高爐43%不同程度的實現(xiàn)了自動化。這些工程的投產使我國鋼鐵工業(yè)自動化按鋼鐵生產設備能力計算，“七五”末實現(xiàn)了設備控制級自動化約占16.4%。

我國自行建設的基礎或技術改造項目均把自動化67

全國裝有過程計算機的機組，大型高爐的生產能力占煉鐵總能力比重，由“七五”末的6.9%提高到“八五”末的19%，煉鋼則由16.35%提高到37%，軋鋼則由17%提高到20%。

全國裝有過程計算機的機組，大型高爐的生產能力占煉鐵總能力比68

自行開發(fā)的檢測儀表、控制系統(tǒng)和數學模型發(fā)展了我國鋼鐵工業(yè)自動化在檢測儀表方面有高爐單支管煤粉兩相流量計、鐵水溫度和硅含量連續(xù)檢測儀、爐內料面溫度熱成象儀、微波料面形狀計、煉鋼連鑄的新渣儀、裝爐的聲學化渣測量儀、結晶器開口度及倒錐度測量儀、鋼水測溫鎢株熱電偶、

自行開發(fā)的檢測儀表、控制系統(tǒng)和數學模型發(fā)展了我國69

連鑄輥間距測量儀、板帶扎機的激光測量儀和板型儀等均已投產使用。據統(tǒng)計自70年代以來，我國通過自行開發(fā)、研制，總計開發(fā)生產了百余種冶金專用儀表，約占國外已實用化儀表的50%。在控制系統(tǒng)方面有焦爐加熱自控系統(tǒng)、高爐信息調度系統(tǒng)、煉鋼直流電弧爐控制系統(tǒng)，鐵合金爐電極壓放和上

連鑄輥間距測量儀、板帶扎機的激光測量儀和板型儀等均已投產使70

料系統(tǒng)，全連鑄生產調度系統(tǒng)，板坯方坯連鑄自控系統(tǒng)，電爐——全連鑄——熱送——熱扎生產線過程自控系統(tǒng)，水平連鑄的自控系統(tǒng)，中板和冷熱板帶軋機的液壓AGC系統(tǒng)等均已投產，使自動化水平得到提高。

料系統(tǒng)，全連鑄生產調度系統(tǒng)，板坯方坯連鑄自控系統(tǒng)，電爐——71

人工智能技術的普遍應用促進了我國鋼鐵工業(yè)自動化的發(fā)展我國人工智能技術雖然起步與西方國家大致相同，但速度不快，在高爐先后投入的人工智能技術有宣鋼300立方米高爐、首鋼和寶鋼大型高爐、石家莊鋼鐵廠300立方米高爐、安陽300立方米高爐、馬鋼250立方米高爐，大都已驗收或投產運行，且取得明顯的經濟效益。

人工智能技術的普遍應用促進了我國鋼鐵工業(yè)72

如石家莊300立方米的高爐使用了人工智能爐況預報系統(tǒng)以后年新增利稅151.6萬元，創(chuàng)利潤57.78萬元；首鋼二高爐采用了冶煉專家系統(tǒng)以后，為穩(wěn)定高爐操作，避免和減少高爐嚴重失常確保高爐強化，創(chuàng)直接經濟效益750萬元；成功地在寶鋼實現(xiàn)了大板坯連鑄漏鋼神經元預報系統(tǒng)，它解決了從日本引進的原來以模型為基礎的漏鋼預報系統(tǒng)運行不好的

如石家莊300立方米的高爐使用了人工智能爐況預報系統(tǒng)以后年73

的問題,能較準確預報漏鋼，在原材料方面也成功地投入了寶鋼原料場混勻推積管理智能化系統(tǒng)，效果顯著，勻礦質量大大提高，作業(yè)干擾引起的BS堆積斷料停機降低了70%左右等；AI技術在重鋼更獲得了大規(guī)模的成功，且長期運行至今，包括：4#高爐出鐵場除塵風。模糊控制，投運后節(jié)電73.79%；4#水泵站模糊控制，投運后節(jié)電57%。

的問題,能較準確預報漏鋼，在原材料方面也成功地投入了寶鋼原74

數字模型方面有高爐爐況預報GO—STOP模型、軟熔帶推斷模型、爐熱推斷模型、爐料下降仿真模型、連鑄二次冷卻水控制模型、質量判別模型、最優(yōu)切割模型，煉鋼——連鑄調度模型、焦爐加熱模型、均熱爐燒鋼模型、冷軋設定模型等等均已投入運行，并取得一定的效果。

數字模型方面有高爐爐況預報GO—STOP模型、軟熔帶推斷模75

管理信息系統(tǒng)的普遍采用推動了我國鋼鐵工業(yè)自動化的發(fā)展我國重點鋼鐵企業(yè)，特鋼以及地方骨干企業(yè)等大都開發(fā)了不同層次的MIS，由于各企業(yè)規(guī)模和管理方式不盡相同，取得效果也不相同。MIS加快信息傳遞，提高功效，實現(xiàn)經營預測，發(fā)揮了輔助決策功能，合理安排資金，減少了流動資金占用，促進了業(yè)務改革，提高了管理售貨員

管理信息系統(tǒng)的普遍采用推動了我國鋼鐵工業(yè)自動化的76

素質和管理水平，產生了明顯的經濟效益。工廠綜合自動化系統(tǒng)通過網絡將各個自動化孤島（過程計算機、管理計算機等）有機地集成起來，收集利用各種信息資源，以適應復雜多變的市場競爭需求，進行高效率、高效益、高質量的生產和經營。國內大多數冶金企業(yè)仍處于發(fā)展過程自動化和建設信息

素質和管理水平，產生了明顯的經濟效益。工廠綜合自動化系統(tǒng)通77

管理系統(tǒng)階段，尚未具備建成綜合自動化系統(tǒng)的基礎條件，故我國目前只能在全廠自動化水平較高，全面裝備完善的基礎自動化、過程自動化，且管理水平較高、管理人員和自動化人員具有較高的企業(yè)進行實施。

管理系統(tǒng)階段，尚未具備建成綜合自動化系統(tǒng)的基礎條件，故我國78

三有色冶金工業(yè)過程自動化的幾個問題

3.1有色金屬工業(yè)的特點及存在的主要問題

有色金屬工業(yè)是集地質、采礦、選礦、冶煉、加工為一體的基礎原材料產業(yè)。改革開放以來，我國有色金屬的產量取得了持續(xù)、快速的發(fā)展。

三有色冶金工業(yè)過程自動化的幾個問題79

我國十種常用有色金屬已連續(xù)四年處于世界第二位，成為世界有色金屬生產大國。目前，有色金屬作為國民經濟和國防建設的重要材料和戰(zhàn)略物質，已廣泛地應用于機械、電子、化工、建筑、交通、航空、航天、軍工等各個行業(yè)，在國家建設和發(fā)展中具有十分重要的地位。

我國十種常用有色金屬已連續(xù)四年處于世界第二位，成為世界有色80

有色金屬冶煉過程是有色金屬生產的主要過程。生產品種多、流程長、工藝雜、環(huán)境惡劣（高溫、高塵、高腐蝕性）。近幾年來，通過引進、消化和吸收國外先進技術，進行自主研究與開發(fā)，我國有色金屬冶煉的技術和裝備水平得到了較大的提高，

有色金屬冶煉過程是有色金屬生產的主要過程。生產品81

主要技術經濟指標有了較好的改善。然而，總體水平與國外相比還有較大的差距，還遠不屬于有色金屬生產的強國。主要表現(xiàn)在勞動生產率、生產成本和能耗高、環(huán)境污染嚴重及礦物回收率低等方面：

主要技術經濟指標有了較好的改善。然而，總體水平與國外相比還82

（1）

礦產資源有用礦物回收率低。

據全國3498個礦山企業(yè)統(tǒng)計，我國有色金屬礦采選回收率為50%—60%，采、選、冶總回收率比國際水平低10%—20%；從采礦到冶煉的資源綜合利用率為30%—35%，僅為工業(yè)發(fā)達國家的二分之一左右。

（1）礦產資源有用礦物回收率低。83

（2）環(huán)境污染嚴重。

我國重點有色冶煉廠硫的利用率，僅有極少數幾個大型冶煉廠接近或達到國外先進水平，絕大多數硫的利用率卻只有40—60%。而國外冶煉廠硫的利用率普遍達到95%以上，美國肯尼科特公司猶他冶煉廠的硫利用率達99%以上。

（2）環(huán)境污染嚴重。84

（3）勞動生產率低。

以株冶、韶冶葫蘆島鋅廠等技術經濟指標較好的鉛鋅冶煉廠為代表統(tǒng)計，按90年不變的價格計算，折合實物量：鉛約40—45噸/人年，鋅30—35噸/人年，勞動生產率僅及世界水平的1/10。

（3）勞動生產率低。85

（4）成本和能耗高。我國每噸火法銅的成本在1600美元左右，鎳6000美元左右，而國外先進工廠銅的生產成本已降到1200—1300美元左右，鎳4500美元以下。再如能耗，按單位鉛鋅產品能耗折合標準煤計算，近年來鉛從采礦到電鉛為1.686噸，鋅從采礦到電鋅為3.568噸，而世界1990年煉鋅能耗平均僅為1.9噸標煤。

（4）成本和能耗高。86

另外，在高純度有色金屬的生產方面，產品質量也不夠穩(wěn)定，穩(wěn)定率遠低于世界先進水平。

這些差距對我國有色金屬工業(yè)產生了嚴重的制約作用，特別是在我國加入國際關貿總協(xié)定后，將嚴重威脅到我國有色金屬工業(yè)的生存與發(fā)展，大大

另外，在高純度有色金屬的生產方面，產品質量也不夠穩(wěn)定，穩(wěn)定87

削弱其參與國際市場競爭的能力。造成這些差距的原因是多方面的，但是我國有色金屬冶煉過程控制技術落后、自動化、信息化水平低是主要原因之一。

削弱其參與國際市場競爭的能力。造成這些差距的原因是多方面的88

3.2

我國有色金屬冶煉過程自動化存在的問題

有色金屬冶煉過程是一個復雜的工業(yè)過程，具有工藝流程長、大滯后、物理和化學反應機理復雜、時變、非線性、強耦合、許多工藝參數難于實時準確測量等特點。由于過程的異常復雜性，目前主要

3.2我國有色金屬冶煉過程自動化存在的問題89

是采用集散控制系統(tǒng)，把復雜過程作為多個單回路，對過程參數進行單回路跟蹤控制。雖然我國有色金屬大中型骨干企業(yè)的生產工藝技術已達到或接近國外較高水平，但是在過程自動化控制技術應用中普遍存在著下述幾個方面的問題：

是采用集散控制系統(tǒng)，把復雜過程作為多個單回路，對過程參數進90

（1）我國有色金屬冶煉過程的操作條件相對比較惡劣，由于部分檢測和控制裝置難于適應這種惡劣條件，檢測精度較低、檢測實時性差、或控制靈敏度不高，嚴重影響了有色金屬冶煉過程自動化控制的實施；

（1）我國有色金屬冶煉過程的操作條件相對比較惡劣，由于91

（2）盡管我國一些有色金屬大中型骨干企業(yè)已采用集散控制系統(tǒng)，但是由于缺乏優(yōu)化控制的支持，這些控制系統(tǒng)僅僅取代了原有的III型儀表，遠沒有發(fā)揮集散控制系統(tǒng)的作用，難于保證整個過程運行最優(yōu)狀態(tài)；

（2）盡管我國一些有色金屬大中型骨干企業(yè)已采用集散控制92

（3）由于我國用于有色金屬冶煉的原料成分波動大，傳統(tǒng)的和單一的控制方法不能確保整個冶煉過程的穩(wěn)定運行，嚴重影響了有色金屬生產能力的發(fā)揮和產品質量的穩(wěn)定；（4）一般的有色金屬冶煉企業(yè)仍然沒有建立過程控制與信息管理一體化網絡，難于從生產到市場的全方位實現(xiàn)有色金屬冶煉過程高質量和低成本的控制目標；

（3）由于我國用于有色金屬冶煉的原料成分波動大，傳統(tǒng)93

（5）在有色金屬冶煉的環(huán)境保護方面缺乏有效的自動化檢測與控制手段，導致嚴重的環(huán)境污染，直接威脅到有色金屬冶煉企業(yè)的生存與發(fā)展。（6）有色金屬生產企業(yè)的各類信息收集、處理、共享及應用水平較低，一般沒有建立實用的企業(yè)信息及決策系統(tǒng)，嚴重影響了企業(yè)決策和管理現(xiàn)代化水平的提高。

（5）在有色金屬冶煉的環(huán)境保護方面缺乏有效的自動化檢測94

主要原因：

一些在惡劣環(huán)境的特殊在線檢測儀表和執(zhí)行機構，由于不屬量大面廣且有難度的產品。因此在經營和開發(fā)人力的投入上均有不足。

95

3.3關于復雜冶煉過程的集成建模與優(yōu)化控制問題

有色金屬采、選、冶生產過程的目標是以盡可能低的成本，盡可能多的回收有價金屬。真正給生產過程帶來效益的是優(yōu)化。

3.3關于復雜冶煉過程的集成建模與優(yōu)化控制問題96

(1)關于生產過程優(yōu)化控制問題.

主要是以系統(tǒng)的性能指標為優(yōu)化目標（如：二次型性能指標）。而冶煉過程往往是工藝要求：如，回收率、成分等問題（選礦、冶煉過程均如此）。提出的問題：以生產工藝要求為指標的優(yōu)化控制。

(1)關于生產過程優(yōu)化控制問題.97

（2）

以生產工藝要求為指標的優(yōu)化控制需解決的關鍵問題.

*工業(yè)要求，如：成分、回收率等往往難以實時在線檢測，有的則成本昂貴。*工藝要求的目標與生產過程參數之間的關系十分復雜，往往不可能直接用數字模型來描述。*原料來源復雜，成分多變.

（2）以生產工藝要求為指標的優(yōu)化控制需解決的關鍵問題.98

（3）智能集成建模的優(yōu)化控制

建模的主要依據—-化學平衡、物理平衡等。問題：物料多變、機理復雜、無法檢測，難以得到精確的機理模型。對模型的要求：要有自學習、自適應等智能。對復雜過程的建模：用任何單一的建模方法或單一類型的模型描述都難以解決。

（3）智能集成建模的優(yōu)化控制99

機理分析模糊知識描述邏輯集成模型復雜過程神經網絡專家經驗。。。。

機理分析100

（4）幾個優(yōu)化問題

*原料采購優(yōu)化問題*配料過程優(yōu)化問題*電解過程負荷優(yōu)化問題*燒結過程操作優(yōu)化問題*鼓風爐料制優(yōu)化問題*鼓風爐操作優(yōu)化問題

（4）幾個優(yōu)化問題101結束謝謝！結束102

工業(yè)過程自動化技術的發(fā)展

桂衛(wèi)華

中南大學信息科學與工程學院

工業(yè)過程自動化技術的發(fā)展

103一.概述

1.什么叫工業(yè)過程自動化技術

綜合運用控制理論、電子裝備、儀器儀表、計算機和其他信息技術，對工業(yè)生產過程實現(xiàn)檢測、控制、優(yōu)化、調度、管理和決策，達到增加產量，提高質量、降低消耗、確保安全等目的，這樣的一種綜合性技術稱之為工業(yè)工程自動化技術。它包括：工業(yè)過程自動化軟件、硬件及系統(tǒng)三大部分。一.概述1.什么叫工業(yè)過程自動化技術104

工業(yè)生產過程指的是發(fā)電、冶金、煉油、石化、化工、化肥、生化、建材、造紙、制藥、橡膠、環(huán)保、選礦、采礦等領域的生產加工過程，它是工業(yè)過程自動化的服務對象，可以是一個設備、一個裝置、一個工段、一個生產線，也可以是一個工廠，一個聯(lián)合企業(yè)。工業(yè)過程自動化技術是一門服務性技術是一門服務性技術，它的服務對象是工業(yè)過程。工業(yè)過

工業(yè)生產過程指的是發(fā)電、冶金、煉油、石化、化工105

程自動化中的變送器和執(zhí)行器相當于人的“眼睛”和“手腳”，工業(yè)過程自動化中的主控系統(tǒng)相當于人的“大腦”。離開了眼睛、手腳和大腦，一個人無法行動和思考；離開了變送器、執(zhí)行器和主控系統(tǒng)，一個生產過程無法正常運行。因此，工業(yè)生產離不開工業(yè)過程自動化技術。

程自動化中的變送器和執(zhí)行器相當于人的“眼睛”和“手腳”，工106

2.工業(yè)過程自動化與傳統(tǒng)產業(yè)的關系

①自動化技術的發(fā)展都離不開社會環(huán)境和歷史背景.科學,特別是技術科學的發(fā)展,常常是以技術的發(fā)展為先導.自動控制理論屬于技術科學的范疇，它的發(fā)展主要受社會需求的的推動和技術進步的刺激，當然也受物理學、生物學等和作為工具的計算機的促進。

107

維納時代及前期的自動控制理論（經典控制理論）

Nyquist（1932年）穩(wěn)定性分析

Bode（1940年）Bode圖

Evans（1948年）根軌跡法

Wiener（1948年）《控制論》一書標志著一門獨“控制理論”的誕生.

維納時代及前期的自動控制理論（經典控制理論）108

經典控制理論的形成

推動:受當時重大技術（通訊技術和火炮技術等）的深刻影響。物理學：牛頓力學中的“質點和姿態(tài)動力學”數學：線形常系數微分方程、單復變函數、概率、統(tǒng)計.工具：模擬電路和模擬計算機.

經典控制理論的形成109

50年代到60年代的自動控制理論（現(xiàn)代控制理論）

Bellman（50年代）最優(yōu)性原理———《動態(tài)規(guī)則》（1954年）

Poutrygin等人（50年代末）提出“最大值原理”（最優(yōu)控制問題的基本原理）

Kalman（60年代）狀態(tài)空間方法：能控性，能觀測性。

50年代到60年代的自動控制理論（現(xiàn)代控制理論）110

現(xiàn)代控制理論的形成推動：遠程火箭技術與航天技術、現(xiàn)代航海技術的直接影響.

物理學（化學）：力學、電動力學、化學反應機理.數學:線性代數（幾何方法）和矩陣論；線性常微分方程組理論；實、復變函數論變分法；泛函分析；概率、統(tǒng)計.工具：電子計算機技術促進.

現(xiàn)代控制理論的形成111

60年代以來.特別是80年代以來，自動控制理論有了新的發(fā)展推動：微電子技術、計算機技術、通訊和網絡技術、機器人技術.經濟、技術全球化進程的加快.

60年代以來.特別是80年代以來，自動控制理論有112

向控制理論提出了新的課題.

*含有各種不確定性系統(tǒng)的建模、分析綜和、控制和優(yōu)化設計.*具有層次性特征系統(tǒng)的建模、分析綜合、控制和優(yōu)化設計.*難于用傳統(tǒng)方法建模系統(tǒng)的分析和控制問題.方法:智能方法

向控制理論提出了新的課題.113

②工業(yè)過程自動化與傳統(tǒng)產業(yè)的關系

利用電子技術改造傳統(tǒng)產業(yè)是近二十年來中國經濟發(fā)展的重要成果，大大促進了企業(yè)競爭實力和綜合國力的增強。而在電子技術改造傳統(tǒng)行業(yè)中，工業(yè)自動化技術又是其中的重要組成部分。對傳統(tǒng)的過程工業(yè)而言，利用先進的自動化硬件及軟件組成工業(yè)過程自動化系統(tǒng)，大大提高了生產過程的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。提高了產品產量和質量、提高了勞動生產率，企業(yè)的綜合經濟效益。

②工業(yè)過程自動化與傳統(tǒng)產業(yè)的關系114

美國科學院曾對位于前列的五家實施綜合自動化的企業(yè)進行全面的調查，結果表明：產品質量提高2—5倍，生產效率提高40—70%；設備利用率提高2—3倍，生產周期縮短30—60%，庫存減少30%到60%，人工費減少5—20%。*工業(yè)過程自動化技術是從傳統(tǒng)產業(yè)中產生出來的技術，是傳統(tǒng)產業(yè)發(fā)展的需求所在。

115

20實際40年代是自動化技術和理論形成的關鍵時期。工業(yè)過程自動化首先來自于傳統(tǒng)機械制造業(yè)生產方式的變更，即從汽車流水線開始的。1946年美國福特汽車公司副經理D.S哈特首先提出用“自動化”一詞來描述這種流水線。1947年4月，福特汽車公司建立了自動化研究部

116

門，稱作自動化工程司的專家到這個部門工作1948年，《美國機械師》雜志，把自動化技術義為“用機械裝置去操縱工件的進出，在各項操作之間轉送零件，消除廢料，使生產設備按照一定的時序去完成這些任務，使流水線能部分或全部地處在集中控制站的按鍵控制之下的一種技術。

自動化一出現(xiàn)就顯示出強大的生命力。應用這種流水線，建立起單一品種大規(guī)模生產方式，大大

門，稱作自動化工程司的專家到這個部門工作1948年，《117

提高了勞動生產率。不到3年的時間，使汽車成本下降了近3倍，只用了8年的時間就使汽車銷售價格下跌到原來的9%使汽車走進了普通家庭。汽車工業(yè)的發(fā)展，帶動了冶金、化工、石油等工業(yè)，促進了連續(xù)生產過程自動化的發(fā)展。

提高了勞動生產率。不到3年的時間，使汽車成本下降了近3倍，118

傳統(tǒng)產業(yè)的發(fā)展推動了工業(yè)過程自動化技術的進步

70年代以來，由于世界范圍內出現(xiàn)的能源危機和市場劇烈競爭，工業(yè)生產規(guī)模更趨龐大。如：每個電站的裝機容量已經從20萬、60、100萬KW石化工業(yè)中年產30萬噸以上的乙烯、合成氨等工廠大批建成。設備的更新?lián)Q代，市場競爭，要進一步提高產

傳統(tǒng)產業(yè)的發(fā)展推動了工業(yè)過程自動化技術的進步119

量，降低成本，節(jié)約原材料和減少能源。要求自動化技術能充分發(fā)揮設備的生產能力，最終達到優(yōu)質高產低耗的控制目標。另一方面，面對的工業(yè)過程越來越復雜，如反應過程、生化過程等等，本身機理就十分復雜，一些還沒有完全被人們充分認識。而這類過程往往還受到眾多隨機因素的干擾和影響，具有高度的不穩(wěn)定性、高度的非線形、高度的關聯(lián)性、特大的滯后性

量，降低成本，節(jié)約原材料和減少能源。要求自動化技術能充分發(fā)120

和狀態(tài)不完全性，難以建立精確的數學模型。出現(xiàn)了克服和解決這些問題的先進控制方法和先進控制策略。人工智能、控制理論、運籌學等智能控制應用于化工、煉油、造紙、發(fā)電、冶金等各種工業(yè)過程之中，極大的推動了自動化技術的發(fā)展。

目前，生產過程自動化的程度已成為衡量工業(yè)企業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志。

和狀態(tài)不完全性，難以建立精確的數學模型。出現(xiàn)了克服和解決這121

二工業(yè)過程自動化技術國內外現(xiàn)狀分析、及發(fā)展趨勢

工業(yè)過程自動化技術及產品主要包括各種工業(yè)控制軟件、硬件及系統(tǒng)，其中主要包括各種工業(yè)控制軟件、硬件及系統(tǒng)，其中主要關鍵技術有：

二工業(yè)過程自動化技術國內外現(xiàn)狀分析、及發(fā)展趨勢122

*新一代主控系統(tǒng)（包括集散控制系統(tǒng)、可編程控制器、儀表、器件、網絡、傳感器等）*現(xiàn)場總線技術（包括HART總線、FF、Canbus、Lonworks、Profibus等）*實時監(jiān)控軟件平臺（信息集成軟件平臺）*先進控制技術（多變量約束控制、廣義預測控制、多變量魯棒控制、自適應解耦控制等）

*新一代主控系統(tǒng)（包括集散控制系統(tǒng)、可編程控123

*過程優(yōu)化技術（冶金、煉油、化工、化肥造紙等領域的一批在線優(yōu)化技術）*變送器及執(zhí)行器技術（以現(xiàn)場總線技術為基礎的智能變送器及執(zhí)行器*特種檢測技術（鋼鐵、煉化、輕化、冶金等領域的各種特種變量的檢測技術）*專用優(yōu)化軟件及專用控制裝置（包括冶金、煉油、石化、化工、化肥、生化、制藥、建材、造紙、環(huán)保等工業(yè)領域關鍵設備的專用優(yōu)化軟件和專用控制裝置）

*過程優(yōu)化技術（冶金、煉油、化工、化肥造紙等領域124

涉及上述領域和控制系統(tǒng)產品國內需要達500億元以上。主要是歐美日等國的大企業(yè)在國內市場瓜分市場份額。如：Honeywell，ABB、西門子、橫河電機、西屋電氣、富士電機、貝利等。

以下從工業(yè)控制軟件、工業(yè)控制硬件和控制系統(tǒng)三個方面分析國內外現(xiàn)況和發(fā)展趨勢。

涉及上述領域和控制系統(tǒng)產品國內需要達500億元以上。主要是125

2.1工業(yè)過程自動化軟件

2.1.1實時監(jiān)控軟件平臺

近年來，隨著電子技術、計算機技術、網絡通訊技術和自動化技術的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)已經逐漸演變?yōu)閿底只?、智能化、開放化和新型控制系統(tǒng)，并且越來越多的應用于工業(yè)企業(yè)。使得從單個設備、單個車間的自動化發(fā)展為整個工廠、整個企業(yè)的自動化已成為可能。已信息集成為基礎，

2.1工業(yè)過程自動化軟件126

的工廠綜合自動化、智能工廠等大型企業(yè)應用軟件等大型企業(yè)應用軟件，對提高企業(yè)的生產效益，產品質量和競爭力有著重要作用。

在這些以企業(yè)經營管理和企業(yè)生產管理的緊密集成為目標的大型企業(yè)應用軟件中，對生產過程的集成、監(jiān)控、管理是整個應用軟件體系的基礎和平臺。因此，一種能夠網絡化集成監(jiān)控所有自動化設備的新型實時監(jiān)控軟件平臺是開發(fā)的方向。這種新型的實時監(jiān)控軟件平臺能夠實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)的以下需求。

的工廠綜合自動化、智能工廠等大型企業(yè)應用軟件等大型企業(yè)應用127

*集成監(jiān)控管理現(xiàn)存的和即將應用的自動化控制設備，逐步消除工廠內各不相同的專用技術、網絡、協(xié)議所產生的不良效果；*降低自動化系統(tǒng)的總體投資成本，并最大程度上保護在現(xiàn)在動化系統(tǒng)上的投資；*滿足工廠實時生產過程信息進入企業(yè)內所有的計算機平臺，滿足企業(yè)對生產更深入、更及時地管理；

*集成監(jiān)控管理現(xiàn)存的和即將應用的自動128

*提供開放、標準的方式或方法，使得先進控制軟件（APC）、生產調度軟件能夠方便的開發(fā)；*統(tǒng)一自動化控制系統(tǒng)的基礎設施網絡，為將自動化系統(tǒng)最終融入信息管理系統(tǒng)提供條件和可能；*充分利用網絡通訊技術、Internet\Intranet技術，使得生產管理人員和現(xiàn)場操作人員能夠在任何地方對機器、生產過程乃至工廠生產管理進行遠程監(jiān)控；

*提供開放、標準的方式或方法，使得先進控制軟件（129

現(xiàn)在，國外商品化的實時監(jiān)控軟件正在朝這個方向發(fā)展，典型的產品有美國Intellution公司

Dynamics軟件、Wonderware公司的InTouch軟件、以色列PCSoft國際公司的Wizcon軟件、澳大利亞Citect公司Citect軟件、法國ARC公司PCVUE32

軟件等，這些軟件大都已經或多或少地進入中國市場。

130

另一方面，面臨即將到來的21世紀，我國企業(yè)的經營管理人員在面臨市場全球化機遇的同時正面臨著更大的挑戰(zhàn)，高效率、高質量、低消耗、彈性生產的全球市場需求正在給我國企業(yè)生產經營管理人員帶來巨大的壓力。隨著企業(yè)規(guī)模的擴大和管理水平的提高，企業(yè)越來越迫切需要具有大型分布式數據庫的綜合集成軟件平臺。企業(yè)經營管理人員和技術研究人員一般都認為

另一方面，面臨即將到來的21世紀，我國企業(yè)的經131

保證全廠生產過程的平穩(wěn)控制、協(xié)調生產是是提高企業(yè)競爭力的主要途徑。因此，企業(yè)經營管理人員習慣采用企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)（ERP—EnterpriseResourcePlanning）或企業(yè)供應鏈管理系統(tǒng)（SupplyChainManagement）來管理生產過程原料及其他資源的供給計劃。但是，這些計劃管理系統(tǒng)仍然缺少對全廠生產過程的控制、調度和集成能力。而在過程控制中，由于各種數字化自動控制系

保證全廠生產過程的平穩(wěn)控制、協(xié)調生產是是提高企業(yè)競爭力的主132

統(tǒng)的廣泛應用，我們已經可以獲得大量有關生產過程運行的“海量數據”。但是，這些數據只是各個生產過程的一些細節(jié)，片面的信息，并不能從全廠的角度反映產品質量、生產計劃執(zhí)行情況、能源消耗情況。這種存在于企業(yè)經營管理系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)之間的信息鴻溝上所有企業(yè)在實施企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)（ERP）或企業(yè)供應鏈管理系統(tǒng)時所遇到的實際問題。

統(tǒng)的廣泛應用，我們已經可以獲得大量有關生產過程運行的“海量133

針對這種實際情況，國外軟件開發(fā)商已經成功開發(fā)成功商品化的軟件平臺，專門用于經營決策管理和實時過程控制的信息交換和緊密集成。典型產品有美國OSI公司的PI軟件、CAMSTARSYSTEM公司InSite軟件、RealtimeInfo公司的InfoLink軟件等。

針對這種實際情況，國外軟件開發(fā)商已經成功開發(fā)成功商品化134

2.1.2先進控制軟件現(xiàn)代工業(yè)的一個重要特征是向大型化和自動化發(fā)展。在現(xiàn)在的大工業(yè)生產過程中，人們對生產過程的安全、高效、優(yōu)質、低耗的要求不斷提高，追求更大的經濟效益，因而對控制的要求也越來越高。但是在復雜的工業(yè)過程中經常遇到的諸如多種約束條件、多變量和強耦合問題、非線性、大時滯、難建立精確的模型、不確定性嚴重、多控制目標等問

2.1.2先進控制軟件135題給控制帶來了很大的困難、以上這些問題使用常規(guī)的控制技術已不能滿足其要求，而必須采用先進的控制技術來解決。采用先進的控制，可以處理各種約束，可以把各種要求以性能指標的形式結合到控制中加以考慮，以提高控制的動態(tài)質量。動態(tài)控制的質量高，上層優(yōu)化級就可以將工作點設置到臨界約束邊界，從而進行卡邊生產，在保證安全性的同時使經濟效益大大提高。理論和實踐都證明，只題給控制帶來了很大的困難、以上這些問題使用常規(guī)的控制技術已不136

只要設計合理，先進控制完全可以取得優(yōu)于常規(guī)控制的實際效果。從目前先進控制技術應用的情況來看，在今后的幾年內，預測控制、模糊控制、魯棒控制、智能控制、自適應控制、軟測量等將會成為先進控制技術軟件發(fā)展的主流，將對我國冶金、煉油、化工、造紙、制藥、石油等行業(yè)的技術改造、技術進步起到積極的推動作用。國外從70年代末80年代初就開始先進的控制技術的商品化產品開發(fā)及

只要設計合理，先進控制完全可以取得優(yōu)于常規(guī)控制的實際效果。137

國外從70年代末80年代初就開始先進的控制技術的商品化軟件開發(fā)及應用，在DCS的基礎上實現(xiàn)優(yōu)化控制和先進的過程控制。在控制算法上，將控制理論研究的新成果，如多變量約束控制、各種預測控制、推斷控制和估計、人工神經元網絡控制和軟測量技術等應用于工業(yè)生產過程并取得明顯的經濟效益和社會效益。

國外從70年代末80年代初就開始先進的控制技術的商品化軟件138

目前國外，特別是美國、加拿大、歐洲等國已有Setpoint，DMC，HoneywellProfimatics、Adersa，ASPENTech，TreiberControls等多家從事先進控制和優(yōu)化的軟件公司開發(fā)出適合于實時控制與優(yōu)化的多變量先進控制和實時在線優(yōu)化的商品化的工程軟件產品，大量推向市場，在上千家大型石化、化工、煉油、冶金等企業(yè)獲得成功應用，取得巨額利潤。

目前國外，特別是美國、加拿大、歐洲等國已有139

據有關資料統(tǒng)計，國外比較著名的先進控制軟件包已有2233套獲得應用，目前正在搶占我們的國內市場，詳細的情況如表2。1所示。

140工業(yè)過程自動化技術的發(fā)展課件141

2.1.3過程優(yōu)化軟件

過程優(yōu)化是工業(yè)過程自動化的核心技術之一，它通過生產裝置的安全平穩(wěn)運行和優(yōu)化操作使生產計劃高效地實施。為了這一目標，首先需獲取正確反映生產裝置狀態(tài)的原始生產數據，利用數據校正技術，分析、綜合出產品質量、裝配能力及狀況、能源消耗、故障報警信息，實現(xiàn)質量監(jiān)控、故障診斷，

2.1.3過程優(yōu)化軟件142

和安全管理，同時，利用流程模擬模型和裝置狀況，進行生產作業(yè)計劃和優(yōu)化調度，以最少的能耗、最高的安全性或最大的產品效益，確定各個生產裝置的負荷并通過靜態(tài)實時優(yōu)化向先進控制層提供最優(yōu)操作條件。過程優(yōu)化層主要由七大軟件產品組成：

143

數據校正質量監(jiān)控故障診斷安全管理生產調度優(yōu)化流程模擬靜態(tài)實時優(yōu)化生產信息綜合集中平臺

數據校正144

過程優(yōu)化軟件是實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)節(jié)能、降耗、安全生產、環(huán)境保護和增加效益的重要工具。國內外產業(yè)界對此非常重視，國外80年代起已逐步出現(xiàn)流程模擬、生產計劃調度優(yōu)化、數據校正、統(tǒng)計質量控制和靜態(tài)優(yōu)化商品化軟件，90年代以來，各類商品化軟件的功能日趨完善，在不同計算機硬件、網絡及數據庫平臺上的通用性進一步加強，針對特定工業(yè)

過程優(yōu)化軟件是實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)節(jié)能、降耗、安全生產、環(huán)境保護和145

過程優(yōu)化軟件的工程服務受到廣泛的重視，工程服務水平和用戶的參與程度已成為軟件應用成敗的重要因素。90年代后期，國外的軟件廠商除了不斷擴展各應用軟件的功能，還十分重視各應用軟件的綜合集成和相互組合，既有大公司（如Aspentech）力圖提供過程優(yōu)化層全面軟件產品，也有多家軟件企業(yè)提供富有特色的專業(yè)優(yōu)化軟件。今后的發(fā)展趨

過程優(yōu)化軟件的工程服務受到廣泛的重視，工程服務水平和用戶的146

勢是進一步提供優(yōu)化軟件的工程適用性，提供Internet遠程維護，為綜合集成商提供即插即用式應用軟件和面向目標的圖形化軟件組態(tài)界面。但是各種優(yōu)化軟件在功能上都因若干技術上的難點而不夠完善，市場需要功能更優(yōu)的優(yōu)化軟件出現(xiàn)。

勢是進一步提供優(yōu)化軟件的工程適用性，提供Inter147

2.2工業(yè)過程自動化硬件2.2.1發(fā)展趨勢工業(yè)過程自動化硬件即工業(yè)自動化儀表與裝置是一個對高技術特別敏感的行業(yè)，近十年來，計算機技術、微電子技術、通訊技術與自動化控制技術相結合，使得在技術上達到新的高度。其主要特征是，產品實現(xiàn)數字化、智能化、網絡化，并在性能上向高精度、高可靠性、高環(huán)境適應性方向發(fā)展。由于

2.2工業(yè)過程自動化硬件148

上述的發(fā)展趨勢，產生了四個方面的明顯變化。以現(xiàn)場總線為基礎的智能化現(xiàn)場儀表將不斷涌現(xiàn)，并逐漸成為主流產品，這類儀表以具有多功能、智能化、可組態(tài)、自診斷、可互操作、可雙向通信為特點。目前影響比較大的現(xiàn)場總線通信規(guī)約有：FF（FoundationFieldbus，基金會現(xiàn)場總線）、Profibus、Lonworks以及基于CAN的現(xiàn)場總線系列。

上述的發(fā)展趨勢，產生了四個方面的明顯變化。149

啟用新型智能模塊，如專家系統(tǒng)、模糊控制、預測控制、神經元控制，從而使控制系統(tǒng)得以充分地發(fā)揮其能力和潛質。自動化儀表與裝置在其自身智能化的基礎上，通過現(xiàn)場總線、Internet或Intranet等通信網絡與計算機管理系統(tǒng)相溝通，構成控制與管理一體化的IPS（計算機集成過程系統(tǒng)，ComputerIntegratedProcessSystem）系統(tǒng)。

啟用新型智能模塊，如專家系統(tǒng)、模糊控制、預測控150

因此,今后為形成該類系統(tǒng)的各種網關、網橋，以及各種大型商品化的監(jiān)視、優(yōu)化調度、管理軟件亦將不斷涌現(xiàn)。在發(fā)展通用、普及、標準產品的同時，將十分注意“專用控制裝置”（如：工業(yè)鍋爐、藥業(yè)反應器等）和“特種檢測儀表”（如黏度、濁度等）的開發(fā)和應用。軟測量技術在需要特殊檢測的場

因此,今后為形成該類系統(tǒng)的各種網關、網橋，以及各種151合，也是常被采用的技術之一。