工业过程控制系统讲座

方法 : 智能方法
② 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。
维纳时代及前期的自动控制理论（经典控制理论） 维纳时代及前期的自动控制理论（经典控制理论）
Nyquist Bode Evans Wiener （1932年） 稳定性分析 （1940年） Bode 图 （1948年） 根轨迹法 （1948年） 《控制论》一书标志 着一门独“控制理 论”的诞生.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
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） 50年代到60年代的自动控制理论（现代控制理论） 年代到60年代的自动控制理论
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。
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 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
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、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、 Internet\Intranet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；
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
20实际40年代是自动化技术和理论形成的关 20实际40年代是自动化技术和理论形成的关 实际40 键时期。 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
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.
* 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.
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
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
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。
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“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
Bellman（ 50年代 ） 最优性原理——— 《动态规则》（1954年） Poutrygin 等人（ 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 .
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、多变量鲁棒控制、自适应解耦控制等）
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
美国科学院曾对位于前列的五家实施综合自动 化的企业进行全面的调查，结果表明：产品质量提 高2—5倍，生产效率提高40—70%；设备利用率提高 2—3倍，生产周期缩短30—60%，库存减少30%到60%， 人工费减少5—20%。 * 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。
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（ERP—Enterpri 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
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 软件、RealtimeInfo 公司的InfoLink 软 件等。
2 . 1 . 2 先进控制软件
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。