工业信息化中的测控技术发展与展望清华大学自动化系金以慧

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1、工业信息化中的测控技术发展与展望清华大学自动化系 金以慧一、问题的提出二、工业企业的信息化三、测控技术的发展四、测控技术对计算机的要求五、结束语1一、问题的提出 1、信息时代对国民经济的激励 信息时代所具有的巨大能力，使国民经济中生产生产 与贸易与贸易的方式发生了根本性的变化根本性的变化，信息科技信息科技与 提高附加值的其他技术产生了密切的交互作用， 这正是当前我们所生存的时代特征时代特征 -来自美国资料-2一、问题的提出 2 2、中共十六大的号召、中共十六大的号召 继续完成工业化工业化是我国现代化进程中的艰巨的历史性任务，大力推进国民经济和社会信息化信息化，是覆盖现代化建设全局的战略举措战略

2、举措。以信息化带动工业化、信息化带动工业化、工业化促进信息化，工业化促进信息化，发挥后发优势，实现社会生产力的跨越式发展紧迫性紧迫性艰巨性艰巨性3一、问题的提出3 3、面对进入、面对进入WTOWTO的挑战与机遇的挑战与机遇 本质问题是： 市场竞争能力的挑战市场竞争能力的挑战政策政策信息化信息化新技术新技术体制体制4迎接全球市场竞争挑战的途径迎接全球市场竞争挑战的途径 1、工业化道路、工业化道路u 工艺的创新工艺路线的革命u 设备的更新换代扩容和技术更新u 产品的开发新产品的设计2、信息化建设道路、信息化建设道路u 采用信息化挖掘设备潜力，达到设备运行最优化u 观念的改变通过实现信息化，促进管理

3、科学化5二、工业信息化1 1、什么是信息化、什么是信息化2 2、自动化与信息化的关系、自动化与信息化的关系3 3、国内外信息化发展比较、国内外信息化发展比较61、什么是工业信息化、什么是工业信息化1工业信息化：工业信息化：在工业的生产、管理、经营过程中，通过信息基础在工业的生产、管理、经营过程中，通过信息基础设施，在集成平台上，实现信息的设施，在集成平台上，实现信息的采集采集（传感器及（传感器及仪器仪表）、仪器仪表）、信息的传输信息的传输（通信）、（通信）、信息的处理信息的处理（计算机）（计算机）以及信息的综合应用以及信息的综合应用（自动化、管理、（自动化、管理、经营等功能）等都是信息化的内容

4、。经营等功能）等都是信息化的内容。将信息技术用于企业产品设计、制造、管理将信息技术用于企业产品设计、制造、管理和销售的全过程，以提高企业的市场应变能力和竞和销售的全过程，以提高企业的市场应变能力和竞争能力，这是企业信息化的主要内容和目标争能力，这是企业信息化的主要内容和目标71、什么是工业信息化、什么是工业信息化信息化的内容归纳为：信息化的内容归纳为： 数据采集数据采集 数据加工数据加工 信息传输信息传输 信息信息处理处理 信息信息综合综合应用应用 结论：信息化需要信息学、测量学、控制理论、系统学、计算机科学、管理科学以及各种专业的学科交叉与融合才能实现82 2、信息化与自动化的关系、信息化与

5、自动化的关系 广义自动化广义自动化广义自动化是指实现经营管理、计是指实现经营管理、计划调度、成本核算、生产监控、故划调度、成本核算、生产监控、故障诊断、自动控制等更大范围内的障诊断、自动控制等更大范围内的自动化，又称之为自动化，又称之为“综合自动化综合自动化”或或称称“流程工业流程工业CIMS”CIMS”自动化自动化往往是指包括检测、控制和往往是指包括检测、控制和继电保护等常规自动化的概念继电保护等常规自动化的概念92 2、信息化与自动化的关系、信息化与自动化的关系 工业化工业化信息化信息化自动化自动化 （广义）（广义）基基础础促促进进带带动动保保证证依赖依赖提升提升10国外企业信息化发展的三

6、个阶段：国外企业信息化发展的三个阶段：70年代以前年代以前 基础信息化基础信息化80年代中期开始年代中期开始 信息集成（企业内部）信息集成（企业内部）90年代后期开始年代后期开始 全球信息化（电子商务）全球信息化（电子商务）国内企业信息化的现状：国内企业信息化的现状：基础信息化尚未完成基础信息化尚未完成少数企业实现了信息集成少数企业实现了信息集成极少数企业策划进入全球信息化极少数企业策划进入全球信息化3 3、国内外信息化发展比较、国内外信息化发展比较11三、测控技术的发展 1、测量系统的现状与发展、测量系统的现状与发展 测量系统的组成：测量系统的组成：敏敏感件敏敏感感元元件件调调理理元元件件信

7、信号号处处理理元元件件显显示示元元件件多多路路切切换换元元件件12传传统统敏敏感件敏敏感感元元件件调调理理元元件件信信号号处处理理元元件件显显示示元元件件多多路路切切换换元元件件不平衡不平衡电桥电桥 放大器放大器交流载交流载波波器器等等等等测量值测量值计算计算 非线性非线性校正校正 热电偶热电偶补偿补偿等等等等 指示指示仪表仪表记记录录仪表仪表等等等等多多路路切切换换器器热电偶热电偶电阻电阻 电容电容 电感电感 电磁电磁 压电压电 节流元节流元件件 等等13敏敏感件敏敏感感元元件件调调理理元元件件信信号号处处理理元元件件显显示示元元件件多多路路切切换换元元件件发发展展趋趋势势1、采用新技术：微

8、波技术 激光与红外技术 纳米技术 超导技术 仿生技术 等等14发发展展趋趋势势敏敏感件敏敏感感元元件件调调理理元元件件信信号号处处理理元元件件显显示示元元件件多多路路切切换换元元件件2、向微型化集成化发展 MEMS 多功能传感器 敏感、信号处理、 显示等元件集成化 等等 15发发展展趋趋势势信信号号处处理理元元件件多多路路切切换换元元件件基于微处理器的智能仪表 具有自校正、自诊断、故障自定位、自修复、自适应跟踪环境等能力敏敏感件敏敏感感元元件件调调理理元元件件显显示示元元件件多多路路切切换换元元件件信信号号处处理理元元件件16发发展展趋趋势势敏敏感件敏敏感感元元件件调调理理元元件件信信号号处处

9、理理元元件件显显示示元元件件多多路路切切换换元元件件基于PC的计算机测量仪表又称 虚拟仪表集计算机技术、信号处理技术、图 象处理技术等于一体，例如汽车发 动机检测系统、自动计量系统等17发发展展趋趋势势敏敏感件敏敏感感元元件件调调理理元元件件信信号号处处理理元元件件显显示示元元件件多多路路切切换换元元件件 网络化仪表系统 在局域网或互联网环境下将分布于网络各端口的数据或信息在任何时间任何地点均能加以采集的测量系统例如：网络化流量测量系统，网络化水文监测系统，网络化 环境监测系统，智能交通系统、网络化控制系统等等18三、测控技术的发展2 2、控制技术的发展、控制技术的发展 从一般控制技术向 综合

10、自动化技术发展 （广义自动化）19经营决策经营决策企业管理企业管理生产调度生产调度过程优化过程优化过程控制过程控制Purdue 模型模型BPS（包括（包括ERP）(Business Planning System)PCS(Process Control System)MES (Manufacturing Execution System)BPS/MES/PCS三层三层结构结构20数据库计算机网络21PCS基础自动化过程自动化自动控制物料平衡分析自动整定自动整定先进控制先进控制实时监控实时监控采集数据22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

11、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：先进控制系统的本质：23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、含氧量等控制、燃烧系统燃料、送风、负压、含氧量等控制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24 燃料 送风机 引风机 喷水 压力 风燃比 负压

12、 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、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 25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度还原糖浓度氨氮浓度氨氮浓度青霉素效价青霉素效价 营养液营养液氨水氨水硫氨（氮）硫氨（氮）苯乙酸苯乙酸26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

13、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27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轻柴95%航煤冰点28销售服务管理供应链管理作业调度资源分配企业资源计划车间管理系统生产过程管理物料跟踪生产计划优化设备维修管理生产运行优化生产状况分析动态成本控制质量管理过程控制层产品与工艺设计MESMES层层2930 PCS级级 以产品质量和工艺要求为的先进控以产品质量和工艺要求为的先进控制技术（多变量预测控制制技术（多变量预测控制） MES

14、级级 以生产综合指标为目标的生产过程以生产综合指标为目标的生产过程 优化控制、优化操作与优化管理技术优化控制、优化操作与优化管理技术 BPS级级 以财务分析决策为核心的整体资源以财务分析决策为核心的整体资源 优化技术优化技术 基于知识链知识链的的BPS/MES/PCS三级结构流程工业三级结构流程工业 现代集成制造系统现代集成制造系统集成技术集成技术3132国外信息化建设的经济效益分析 一般生产规模下可达一般生产规模下可达1000万万3000万美元的效益万美元的效益33四、测控技术对计算机的要求1、硬件 高速率、高精度、多功能、大容量数采系统 抗干扰性强、高稳定性的控制系统 高可靠性、高可用性、

15、高可维护性、高可扩 展性的测控系统平台 例如，国产的 新型数采系统，国产的DCS、 PLC、FCS 等34四、测控技术对计算机的要求2、软件 各类系统的组态软件及其开发工具 针对不同行业需求的应用软件 （例如，软测量软件、先进控制软件、操作 优化软件、计划调度软件、动态成本分析 软件、ERPERP 软件等等） 基于互联网、局域网和现场总线上控制软 件、相应的通讯协议、负荷分配等网络控 制软件 其他软件 35四、测控技术对计算机的要求3、集成系统、集成系统 基于现场总线、局域网和互联网的综合自 动化系统 例如：大型油田的自动开采系统、远程诊断 治疗系统等 36五、结束语 测控技术在当前信息技术突飞猛进的时测控技术在当前信息技术突飞猛进的时代已成为主攻的关键技术之一代已成为主攻的关键技术之一目前，已经出现了微小化、集成化、智能目前，已经出现了微小化、集成化、智能化、网络化的基于计算机的测控新系统化、网络化的基于计算机的测控新系统 随着光、机、电、算、生、化、医、材随着光、机、电、算、生、化、医、材料等新技术的不断涌现和融合，测控技术将料等新技术的不断涌现和融合，测控技术将迎来创新发展的新机遇迎来创新发展的新机遇37