工业过程控制系统讲座教材

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1、工业过程自动化技术的发展 桂 卫华 中南大学信息科学与工程学院,一.概述,1. 什么叫工业过程自动化技术 综合运用控制理论、电子装备、仪器仪表、计算机和其他信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量，提高质量、降低消耗、确保安全等目的，这样的一种综合性技术称之为工业工程自动化技术。它包括：工业过程自动化软件、硬件及系统三大部分。,工业生产过程指的是发电、冶金、炼油、石化、化工、化肥、生化、建材、造纸、制药、橡胶、环保、选矿、采矿等领域的生产加工过程，它是工业过程自动化的服务对象，可以是一个设备、一个装置、一个工段、一个生产线，也可以是一个工厂，一个联合企业。

2、工业过程自动化技术是一门服务性技术是一门服务性技术，它的服务对象是工业过程。工业过,程自动化中的变送器和执行器相当于人的“眼睛”和“手脚”，工业过程自动化中的主控系统相当于人的“大脑”。离开了眼睛、手脚和大脑，一个人无法行动和思考；离开了变送器、执行器和主控系统，一个生产过程无法正常运行。 因此，工业生产离不开工业过程自动化技术。,2. 工业过程自动化与传统产业的关系 自动化技术的发展都离不开社会环境和历史背景.科学,特别是技术科学的发展,常常是以技术的发展为先导.自动控制理论属于技术科学的范畴，它的发展主要受社会需求的的推动和技术进步的刺激，当然也受物理学、生物学等和作为工具的计算机的促进。

3、,维纳时代及前期的自动控制理论（经典控制理论） Nyquist （1932年） 稳定性分析 Bode （1940年） Bode 图 Evans （1948年） 根轨迹法 Wiener （1948年） 控制论一书标志 着一门独“控制理 论”的诞生.,经典控制理论的形成 推动: 受当时重大技术（通讯技术和火炮技术等）的深刻影响。 物理学：牛顿力学中的“质点和姿态动力学” 数学 ： 线形常系数微分方程、单复变函数、 概率、统计. 工具： 模拟电路和模拟计算机.,50年代到60年代的自动控制理论（现代控制理论） Bellman（ 50年代 ） 最优性原理 动态规则（1954年） Poutrygin 等

4、人（ 50年代末 ） 提出“最 大值原理”（最优控制问题的基本原理） Kalman （ 60年代 ） 状态空间方法： 能控性，能观测性。,现代控制理论的形成 推动 ：远程火箭技术与航天技术、现代航海 技术的直接影响. 物理学（化学）：力学、电动力学、化学反应 机理. 数学 : 线性代数（几何方法）和矩阵论；线性 常微分方程组理论；实、复变函数论 变分法；泛函分析；概率、统计. 工具 ： 电子计算机技术促进 .,60年代以来.特别是80年代以来，自动控制理论有了新的发展 推动 ： 微电子技术、计算机技术、通讯和网络技术、机器人技术. 经济、技术全球化进程的加快.,向控制理论提出了新的课题. *

5、含有各种不确定性系统的建模、分析综和、控制和优化设计. * 具有层次性特征系统的建模、分析综合、控制和优化设计. * 难于用传统方法建模系统的分析和控制问题. 方法 : 智能方法, 工业过程自动化与传统产业的关系 利用电子技术改造传统产业是近二十年来中国经济发展的重要成果，大大促进了企业竞争实力和综合国力的增强。而在电子技术改造传统行业中，工业自动化技术又是其中的重要组成部分。对传统的过程工业而言，利用先进的自动化硬件及软件组成工业过程自动化系统，大大提高了生产过程的安全性、可靠性、稳定性。提高了产品产量和质量、提高了劳动生产率，企业的综合经济效益。,美国科学院曾对位于前列的五家实施综合自动化

6、的企业进行全面的调查，结果表明：产品质量提高25倍，生产效率提高4070%；设备利用率提高23倍，生产周期缩短3060%，库存减少30%到60%，人工费减少520%。 * 工业过程自动化技术是从传统产业中产生出来的技术，是传统产业发展的需求所在。,20实际40年代是自动化技术和理论形成的关键时期。 工业过程自动化首先来自于传统机械制造业生产方式的变更，即从汽车流水线开始的。 1946年美国福特汽车公司副经理D.S哈特首先提出用“自动化”一词来描述这种流水线。 1947年4月，福特汽车公司建立了自动化研究部,门 ，称作自动化工程司的专家到这个部门工作1948年，美国机械师杂志，把自动化技术义为“

7、用机械装置去操纵工件的进出，在各项操作之间转送零件，消除废料，使生产设备按照一定的时序去完成这些任务，使流水线能部分或全部地处在集中控制站的按键控制之下的一种技术 。 自动化一出现就显示出强大的生命力。应用这种 流水线，建立起单一品种大规模生产方式，大大,提高了劳动生产率。不到3年的时间，使汽车成本下降了近3倍，只用了8年的时间就使汽车销售价格下跌到原来的9%使汽车走进了普通家庭。 汽车工业的发展，带动了冶金、化工、石油等工业，促进了连续生产过程自动化的发展。,传统产业的发展推动了工业过程自动化技术的进步 70年代以来，由于世界范围内出现的能源危机和市场剧烈竞争，工业生产规模更趋庞大。如：每个

8、电站的装机容量已经从20万、60、100万KW石化工业中年产30万吨以上的乙烯、合成氨等工厂大批建成。设备的更新换代，市场竞争，要进一步提高产,量，降低成本，节约原材料和减少能源。要求自动化技术能充分发挥设备的生产能力，最终达到优质高产低耗的控制目标。 另一方面，面对的工业过程越来越复杂，如反应过程、生化过程等等，本身机理就十分复杂，一些还没有完全被人们充分认识。而这类过程往往还受到众多随机因素的干扰和影响，具有高度的不稳定性、高度的非线形、高度的关联性、特大的滞后性,和状态不完全性，难以建立精确的数学模型。出现了克服和解决这些问题的先进控制方法和先进控制策略。人工智能、控制理论、运筹学等智能

9、控制应用于化工、炼油、造纸、发电、冶金等各种工业过程之中，极大的推动了自动化技术的发展。 目前，生产过程自动化的程度已成为衡量工业企业现代化水平的重要标志。,二 工业过程自动化技术国内外现状分析、及发展趋势 工业过程自动化技术及产品主要包括各种工业控制软件、硬件及系统，其中主要包括各种工业控制软件、硬件及系统，其中主要关键技术有：,* 新一代主控系统（包括集散控制系统、可编程控制器、仪表、器件、网络、传感器等） * 现场总线技术（包括HART总线、FF、Canbus、Lonworks、Profibus等） * 实时监控软件平台（信息集成软件平台） * 先进控制技术（多变量约束控制、广义预测控制

10、、多变量鲁棒控制、自适应解耦控制等）,* 过程优化技术（冶金、炼油、化工、化肥造纸等领域的一批在线优化技术） * 变送器及执行器技术（以现场总线技术为基础的智能变送器及执行器 * 特种检测技术（钢铁、炼化、轻化、冶金等领域的各种特种变量的检测技术） * 专用优化软件及专用控制装置（包括冶金、炼油、石化、化工、化肥、生化、制药、建材、造纸、环保等工业领域关键设备的专用优化软件和专用控制装置）,涉及上述领域和控制系统产品国内需要达500亿元以上。主要是欧美日等国的大企业在国内市场瓜分市场份额。如：Honeywell，ABB、西门子、横河电机、西屋电气、富士电机、贝利等。 以下从工业控制软件、工业控

11、制硬件和控制系统三个方面分析国内外现况和发展趋势。,2 . 1 工业过程自动化软件 2 . 1 . 1 实时监控软件平台 近年来，随着电子技术、计算机技术、网络通讯技术和自动化技术的迅猛发展，传统的过程控制系统已经逐渐演变为数字化、智能化、开放化和新型控制系统，并且越来越多的应用于工业企业。使得从单个设备、单个车间的自动化发展为整个工厂、整个企业的自动化已成为可能。已信息集成为基础，,的工厂综合自动化、智能工厂等大型企业应用软件等大型企业应用软件，对提高企业的生产效益，产品质量和竞争力有着重要作用。 在这些以企业经营管理和企业生产管理的紧密集成为目标的大型企业应用软件中，对生产过程的集成、监控

12、、管理是整个应用软件体系的基础和平台。因此，一种能够网络化集成监控所有自动化设备的新型实时监控软件平台是开发的方向。这种新型的实时监控软件平台能够实现工业企业的以下需求。,* 集成监控管理现存的和即将应用的自动化控制设备，逐步消除工厂内各不相同的专用技术、网络、协议所产生的不良效果； * 降低自动化系统的总体投资成本，并最大程度上保护在现在动化系统上的投资； * 满足工厂实时生产过程信息进入企业内所有的计算机平台，满足企业对生产更深入、更及时地管理；,* 提供开放、标准的方式或方法，使得先进控制软件（APC）、生产调度软件能够方便的开发； * 统一自动化控制系统的基础设施网络，为将自动化系统最

13、终融入信息管理系统提供条件和可能； * 充分利用网络通讯技术、InternetIntranet技术，使得生产管理人员和现场操作人员能够在任何地方对机器、生产过程乃至工厂生产管理进行远程监控；,现在，国外商品化的实时监控软件正在朝这个 方向发展，典型的产品有美国Intellution公司 Dynamics 软件、Wonderware公司的InTouch软件、 以色列 PCSoft 国际公司的Wizcon软件、澳大利 亚Citect公司Citect软件、法国ARC公司PCVUE32 软件等，这些软件大都已经或多或少地进入中国 市场。,另一方面，面临即将到来的21世纪，我国企业的经营管理人员在面临市

14、场全球化机遇的同时正面临着更大的挑战，高效率、高质量、低消耗、弹性生产的全球市场需求正在给我国企业生产经营管理人员带来巨大的压力。随着企业规模的扩大和管理水平的提高，企业越来越迫切需要具有大型分布式数据库的综合集成软件平台。 企业经营管理人员和技术研究人员一般都认为,保证全厂生产过程的平稳控制、协调生产是是提高企业竞争力的主要途径。因此，企业经营管理人员习惯采用企业资源计划管理系统（ERPEnterpri seRe source Planning）或企业供应链管理系统（Supply ChainManagement）来管理生产过程原料及其他资源的供给计划。但是，这些计划管理系统仍然缺少对全厂生产

15、过程的控制、调度和集成能力。 而在过程控制中，由于各种数字化自动控制系,统的广泛应用，我们已经可以获得大量有关生产过程运行的“海量数据”。但是，这些数据只是各个生产过程的一些细节，片面的信息，并不能从全厂的角度反映产品质量、生产计划执行情况、能源消耗情况。这种存在于企业经营管理系统和自动控制系统之间的信息鸿沟上所有企业在实施企业资源计划管理系统（ERP）或企业供应链管理系统时所遇到的实际问题。,针对这种实际情况，国外软件开发商已经成功开发 成功商品化的软件平台，专门用于经营决策管理和实时过程控制的信息交换和紧密集成。典型产品有美国OSI公司的PI软件、CAMSTARSYSTEM公司InSite

16、 软件、RealtimeInfo 公司的InfoLink 软件等。,2 . 1 . 2 先进控制软件 现代工业的一个重要特征是向大型化和自动化发展。在现在的大工业生产过程中，人们对生产过程的安全、高效、优质、低耗的要求不断提高，追求更大的经济效益，因而对控制的要求也越来越高。但是在复杂的工业过程中经常遇到的诸如多种约束条件、多变量和强耦合问题、非线性、大时滞、难建立精确的模型、不确定性严重、多控制目标等问,题给控制带来了很大的困难、以上这些问题使用常规的控制技术已不能满足其要求，而必须采用先进的控制技术来解决。采用先进的控制，可以处理各种约束，可以把各种要求以性能指标的形式结合到控制中加以考虑，以提高控制的动态质量。动态控制的质量高，上层优化级就可以将工作点设置到临界约束边界，从而进行卡边生产，在保证安全性的同时使经济效益大大提高。理论和实践都证明，只,