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1、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
2、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
3、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、
4、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
5、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
6、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
7、 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:
8、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,
9、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
10、 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
11、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Honeywell 28.3%、Emerson 21.2%、Yokogawa 17.7%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；,
12、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
13、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
14、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
15、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Web
16、fild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
