企业综合自动化第一章

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1、企业综合自动化1. 绪论v 企业综合自动化的结构框架及其分析本课程开设的意义本课程的安排v 先进控制预测控制v 操作优化v 调度与决策v 混杂系统v 流程模拟Date1人组织器官循 环 系 统消 化 系 统呼 吸 系 统神 经 系 统运 动 系 统生 殖 系 统企业机构设备人 力 资 源市 场 销 售技 术 开 发设 备 维 修财 务 部 门生 产 车 间企业综合自动化1.1 人与企业Date2当某些组织和器官发生病变时，相应部位的动作将受到影响大脑获取信息发出指令感官加工处理神经网络系统的相关 组织和器官信息在人体的正常传递中起到至关重要的作用 人的运作流程企业综合自动化1.1 人与企业当大

2、脑和神经系统生病发生故障，导致信息传递中断时，整个身体将 会瘫痪。Date3当企业健康时，各部分的信息传递和工作是协调、高效和能控的高层 领导 获取信息 和数据发出指令感官终 端设备评估 决策神经网络系统的相关 机构和设备信息在企业的正常经营中同样起着至关重要的作用 信息系统企业综合自动化1.1 人与企业当某些机构和设备失职低效时，相关部分的运作将受到影响 当大脑和神经系统生病发生故障，导致信息传递中断时，整个身体将 会瘫痪。当高层领导决策失误和信息系统发生故障导致信息传递 中断时，将使整个企业瘫痪甚至破产和倒闭Date4企业综合自动化1.1 人与企业企业的信息流人体的神经系统企业的物资流人体

3、的消化系统企业的资金流人体的血液循环系统企业的研发中心（RDate27企业的发展与进化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化Date28生产过程工艺流程基本不变；物料流是连续的；在装置内存在着物 理的和化学的变化，并伴随着物质的和能量的转换与传递复杂性。 原料性质变化需要生产同样的产品需要通过监控系统的操作优 化来确定，由先进控制来保证的。生产过程的一定限度内的柔性是靠改变各装置间物流的分 配和装置运行的工作点即工艺操作参数的改变来实现的.企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化连续性生产过程的特点： 同样的原料又需要生产不同的产品靠基于全流程模拟的计算机 辅助生产计划调度系统来确定Date

4、29生产调度和过程优化操作结合起来是实现流程工业生产在设备 允许条件下一定程度的柔性的关键，是沟通生产过程控制和管理的纽带 ，是企业获取经济效益的所在。 美国Setpoint公司和UOP公司对炼油厂实现CIM的潜在效益的进行测算，以全厂实现CIM的总效益为l00的话，计划与调度系统的效益占 25，而各装置的先进控制与过程优化操作的效益为31.5。 生产调度系统是较宏观的，从生产全局出发，根据生产流程的实 际情况，及时调整各装置间物料流的分配，协调各装置的生产，形成优 化调度指令。企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化监控系统是调度指令能否执行的关键，它对生产过程的安全、经济 运行起着极其重要

5、的作用 Date30各层次的经济效益分析(1994 年美国DMC 公司提供 ) 企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化Date31最优控制（先进控制）、操作优化、最优调度、最优计划决策所有 这些层次上都存在优化问题，都可以获得不同的经济效益： 企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化先进控制：提高被控变量的动态控制精度，采用卡边生产的方法获 得经济效益。 在线操作优化：在线寻求过程的操作条件最优，使生产处于最优工 况附近，从而获得经济效益 最优调度：通过合理调度一个大型企业的原料、中间产品、能源以 及事故处理过程中的均衡生产，来获取经济效益 长期计划决策：则根据市场情况、订货合同来最佳地组织

6、生产、减 少库存等获取经济效益 Date32实现综合自动化的基础网络、数据库技术及一些通用的监控平台企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化实现综合自动化的本质信息的集成因此，企业综合自动化实施中的关键步骤是全厂信息化 控制所需的信息 操作条件信息 产品、能源等的价格信息 市场信息等。Date33信息化中需要注意以下几点：企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化1）全面性。2）积累性3）非人性4）统一性Date34企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化信息集成的核心技术网络通讯技术在先进控制和优化层一般采用一个通用的监控平台。它以实时数据库为核心，利用组态方式实现实时数据显示、历史趋势显示、

7、棒图显示以及与各种DCS的数据通信等功能，操作简便。比较著名的有，DMCPlus,等分布式数据库技术Date35根据连续生产过程控制与工程总体优化、信息集成的需求，可以考虑在实施综合自动化系统时，由企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化1) 生产过程控制系统2) 企业综合管理系统3) 集成支持系统4) 人与组织系统4个分系统及相应的下层子系统组成工程结构（如图所示）Date36大型流程工业过程CIPS系统工程结构企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化数据管理计算机网络通用数据库系统专用数据库系统决策支持企业管理生产调度生产优化 、先进控 制 基础控制集成支持分系统企业综合管理分系统生产过程

8、控制分系统人 与 组 织 分 系 统企业现场生产过程能量、物料产品Date37企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程控制分系统 1) 组成：基础控制模块、先进控制与生产优化模块、生产调度模块2) 作用： 是CIPS中信息流、物料流及能量流的交汇点； 是保证生产过程运行在“安全、稳定、长周期、优质、满负荷” 状况的关键；因此生产过程控制分系统组成是CIPS系统的核心组成部分Date38企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化企业综合管理分系统 1) 组成：企业综合管理系统把生产经营与决策、销售管理、成本核算、物资与设备综合管理、主要生产设备的预知检修计划、企业事务管理集成在一起，形成一

9、完整的整个企业的综合管理系统。2) 作用：通过信息共享，采用一些人工智能技术等先进手段建立一个逐级优化生产计划序列模型，通过多层次、多阶段生产计划制订体系，形成各项合理计划，实现全厂全面综合管理 Date39企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化集成支持分系统 1) 组成：集成支持分系统包括计算机网络、数据管理子系统。 2) 作用：解决异种设备及异构网络的互联问题，建立起一个开放统一的 、性能优良的、安全可靠的CIPS系统计算机网络针对不同信息层次的处理与集成要求，构筑专用数据库、通用 数据库两类系统，为进行集成提供必要支持。 Date40企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化人员与组织分

10、系统 1) 组成：人员和组织。2) 作用：充分研究人一机混合理论，建立良好的人机交互系统，充分协 调企业整体关系；将企业从传统的注重部门分工与专业化的组织形式向以作业流程为中心，重新组合部门功能，工作组协调、高效运行的方向转变，避免陷入纯技术的僵局。 Date41DCS概念：企业综合自动化1.3 DCS的应用现状及发展趋势 DCS（集散控制系统）是七十年代中期研制出来以微处理器为基础的分散型新型计算机控制系统，它是4C技术相结合的产物。控制技术（Control）计算机技术（Computer）通讯技术（Communication） 阴极射线管（CRT）图形显示技术Date42常规的模拟仪表来控制

11、一个大型工厂有以下缺点：企业综合自动化1.3 DCS的应用现状及发展趋势 在人机联系方面 操作与监视都很困难。 在控制功能方面一台常规模拟调节器仅能执行一种控制规律。美国Honeywell公司，并在1975年12月正式推出了世界上第一个集散 系统TDC-2000系统。DCS主要特点是 ： 分散控制集中监视 Date43DCS的优越性DCS的应用效率：企业综合自动化1.3 DCS的应用现状及发展趋势 1）控制功能的完善 2）完善的人机界面和集中监控功能3）系统扩展灵活 4）安全可靠性高 1）可靠性高降低了系统运行的故障率减少了因装置故障事 故造成的损失和运行维护量提高了系统正常运行的周期。 2）

12、提高了控制系统的控制精度 3）集中监视操作更加方便，减轻了劳动强度 Date44DCS的局限性：企业综合自动化1.3 DCS的应用现状及发展趋势 1）检测信号的精度低：基于模拟仪表的（420mA模拟信号） 2）布线的费用高 3）不同DCS无法兼容：各自的专用平台，互操作性差 4）控制品质低：对于一些多变量、强耦合、时变、大纯滞后以及存在未建模动态和干扰不确定的系统。 5）许多先进控制无法实施：提供的编程计算工具简单 6）DCS与上位机的接口 Date45DCS的发展趋势：企业综合自动化1.3 DCS的应用现状及发展趋势 DCS各生产厂家应打破封闭性，增强开放型。随着八十年代中期现场总线技术的产

13、生，现场总线采用数字式双 向通讯，提高了DCS系统的开放性，降低了布线的费用，使系统结构 更加分散，可靠性更强，更容易扩展总的趋势可能是两者的相互融合Date46企业综合自动化1.4 先进控制产生的背景 ：企业的需要、控制理论和计算机技术的发展是先进控 制(APC)发展强有力的推动力。 重要对策积极开发和应用先进控制和实时优化以提高企业经济效 益，进而增强自身的竞争力。先进控制应用理论基础现代控制理论和人工智能几十年来的发展 。 先进控制的应用的硬件和软件平台控制计算机尤其是集散控制系 统(DCS)的普及与提高。Date47企业综合自动化1.4 先进控制PID控制的发展从40年代开始，采用PI

14、D控制规律的单输入单输出简单反馈控制回路已成为过程控制的核心系统。其理论基础是经典控制理论，主要采用频域分析方法进行控制系统的分析设计和综合。PID控制算法是对人的简单而有效操作方式的总结与模仿，足以维护一般工业过程的平稳操作与运行，PID算法简单且应用历史悠久，工业界比较熟悉且容易接受。 80%90%采用PID控制，原因：Date48从50年代开始，逐渐发展了串级、比值、前馈、均匀和Smith预估控制等复杂控制系统，即当时的先进控制系统，在很大程度上满足了单变量控制系统的一些特殊的控制要求。企业综合自动化1.4 先进控制在工业生产过程中，仍有1020的控制问题采用上述控制策略无法奏效。强耦合

15、性、不确定性、非线性、信息不完全性和大纯滞后等特征，并存在着苛刻的约束条件，更重要的是它们大多数是生产过程的核心部分，直接关系到产品的质量、产率和消耗等有关指标。Date49迫切需要一类合适的先进控制策略。过程工业大型化、集成化、连续化、复杂化 对过程控制的品质提出了更高的要求控制的目标已不再局限于对某一个变量，或几个变 量的平稳操作，而是越来越多地加入了以经济效益 为代表的其他控制要求。然而传统的以单变量技术 为基础的控制技术已无法满足这些需求。企业综合自动化1.4 先进控制Date50企业综合自动化1.4 先进控制先进控制的概念先进控制是对那些不同于常规单回路控制，并具有比常规控制效果更好

16、的控制策略的统称，而非专指某种计算机控制算法。先进控制的任务用来处理那些常规控制效果不好，甚至无法控制的复杂工业过程控制的问题。Date51企业综合自动化1.4 先进控制先进控制的特点1）控制性能先进控制技术能够提供远比传统PID控制好得多的控制性能 它能够处理多输入、多输出的控制问题。 传统PID控制对于“快动作”的控制回路，但是它却难以处理“慢动作”的工艺过程。而先进控制由于其预测的特性，可以有效的控制具有较大的纯滞后或时间常数的回路。 先进控制从整体上提高了装置的控制水平，使控制变量的波动更小，操作更加平稳（即卡边生产）。因而也就带来了可观的经济效益Date52企业综合自动化1.4 先进控制2）先进控制的核心是多变量预测控制 先进控制软件根据装置的实时数据，采用多变量模型预测计算，计算出最优的设定值，送往控制器执行。目前，基于知识的控制，如智能控制和模糊控制正成为先进控制