工业生产过程系统概述

过程控制系统
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一、工业生产过程系统的分类(1)
◇按生产过程操作性质的分类（美国ISA） 连续操作生产过程
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生产工艺流程固定 原材料、中间产物和最终产品皆为流体 生产过程长期连续不断运行
连续操作：原料不断地从设备一端送入，产品不断从另一端送出。
例：能源工业（发电过程）、石油化工（炼油过程） 、化工（化肥生产）、污水处理等
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1.2节 流程工业生产过程自动化的发展概况和趋势
从自动化孤岛模式到CIPS的发展历程
简单和复杂控制系统阶段 50年代及以前 现代和先进控制系统阶段 60至80年代 智能控制和 CIPS阶段 90年代以来 结论 CIPS的体系结构
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从自动化孤岛模式到CIPS的发展历程(8)
1. 简单和复杂控制系统阶段 50年代及以前 2. 现代和先进控制系统阶段 60至80年代 3. 智能控制和 CIPS阶段 90年代以来 * 4.结论
生产过程本身的变革及其性能要求的提高促进了生产过程自 动化的发展；控制理论和技术工具的新成就为实现生产过程的控 制和管理目标提供了可靠保证。 生产过程自动化已进入CIPS时代或综合自动化时代，生产过 程自动化的范围大大扩展，已经突破单机自动化孤岛模式，转向 CIPS模式。
者约瑟夫· 哈林顿博士在《Computer Integrated Manufacturing》 一书中首先提出 。它包括两个基本观点 ： * 企业生产的各个环节(即从市场分析、合同、生产计划管理、产品 开发、生产指挥、产品设计、加工制造、质量控制、经营管理直到 售后服务的全部市场活动）形成了一个不可分割的整体，它们彼此 紧密相连，单一的市场活动都应在企业整个框架下作统一的考虑； * 整个生产过程实质上是一个数据的采集、传递和加工处理的过程， 最终的产品可以看成是物化的数据。（可通过IT技术实现企业全部 活动的信息集成，并强化利用使企业获得最大的效益） 。
CIPS是流程工业自动化发展的必然趋势。 CIPS在国内外研究、开发和应用的概况 *体系结构模型的研究 ，例如Purdue CIM参考模型；
*国外计算机软硬件公司的构成CIM的计算机网络系统和数据库系
统、开发平台等系统和产品的开发；
*国外企业实施CIPS工程的情况：见书P11 *国内企业实施CIPS工程的情况： 1986年863/CIMS主题提出，首先在离散工业实施CIMS工程，取得了国 际同行的认同； 接着在此基础上开始在流程工业典型企业开展CIPS试点工作，也获得了 初步的效果。
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两个重要的进展


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从自动化孤岛模式到CIPS的发展历程(3) 智能控制和 CIPS阶段
90年代以来
*第三代控制理论—智能控制理论产生的客观原因
复杂工业过程难以建立精确数学模型，满足控制要求；
现有的控制策略的性能甚至比不上好的操作工控制的性能； 生产过程的控制目标要求显著提高；
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二、流程工业(生产过程系统)及其特点(2)
3.流程工业生产过程系统
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研究内容：过程的描述、模拟、仿真、设计、 控制与管理； 研究目的：改进生产工艺操作 提高自动化水平 优化生产过程 管理与决策科学化 实现的目标：生产过程的低消耗、高质量、高效益 和高柔性。
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例：制药工业和食品工业
离散操作生产过程
固体状态的原材料不同加工步骤完成产品组件组装生产线 最终单件产品 – 例：机械制造工业、汽车工业、仪器仪表工业、家电工业
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一、工业生产过程系统的分类(3)
◇从控制的角度的分类 连续型 被控量 基本控制原理
（T P F L 过程的 成分 物性）六大参数 （过程控制系统） PID定值控制
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三、流程工业在国民经济中的地位
流程工业的广泛范围和举足轻重地位
全球500强企业中，流程工业企业有70余家， 占15%，其营业收入占总收入的16.5%； 1991年以来，我国公布的产品销售额排名前 十名中，约80%90%属于流程工业企业；按 利润排名的前二十名中，流程工业企业约占 70%； 我国流程工业企业年产值占全国企业年总 产值的66%。
促使生产过程自动化水平发生巨大变革 CIPS诞生
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从自动化孤岛模式到CIPS的发展历程(5)
智能控制和 CIPS（流程工业CIMS）阶段(续2) 90年代以来


CIPS是CIM在流程工业中的应用系统
CIM是一种组织、管理、与运行企业生产的新哲理 ，于1973年由美国学
《过程控制系统》第一章（1）
1.1 工业生产过程系统概述
1.2 流程工业生产过程自动化的 发展概况和趋势
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1.1节内容要点
工业生产过程系统的分类
◇按生产过程操作性质的分类（美国ISA）
◇从控制的角度的分类
流程工业生产过程系统及其特点 流程工业在国民经济中的地位
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控制系统组成
一次仪表：商品化传感器 二次仪表：变送器、显示仪 （数字）调节器、执行器、DCS
离散型（运动控制系统、顺序控制系统） 加工过程的位移、速 随动反馈控制 商品化传感器、检测元件 度、加速度等参数 电力电子元件、数控装置、PLC
◆混合型
上述两种类型皆有的生产过程，因此含有两种控制系统。 例：啤酒生产过程—发酵过程（连续型）+ 罐装成瓶（离散型）
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从自动化孤岛模式到CIPS的发展历程(6)

智能控制和 CIPS（流程工业CIMS）阶段(续3) 90年代以来 ① 技术基础：基于现代化管理技术、生产技术、信息技 术、自动化技术和系统工程技术 等； ②支撑环境：计算机网络系统和数据库系统； ③多种功能：经营决策、管理、生产调度、过程监控和 设备控制；
*智能控制理论的发展与应用 专家控制
模糊控制
神经元网络控制
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从自动化孤岛模式到CIPS的发展历程(4)
智能控制和 CIPS阶段(续1)

90年代以来
Fra Baidu bibliotek
（流程工业）计算机集成过程系统CIPS诞生的前提条件：
*控制科学与技术与其他学科交叉渗透形成了智能控制理论； *控制工具取得重大变革，特别是90年代末第四代DCS推出，其技术特点 包括全数字化、信息化和集成化。FCS技术成为研发热点（见书P9） ①世界范围内的能源危机、市场剧烈竞争； ②工业生产规模更趋庞大、设备更新换代； ③提高生产产量、质量，降低(原料、能源)消耗，降低成本高效益 的要求。 *现代控制理论和实践（非线性、分布参数、随机控制、容错控制 等）的新进展，以及系统工程、大系统理论等的发展。
CIPS 的定义：是一个具有下列属性：
能迅速适应生产环境不确定性和市场需求多变性，实 现生产过程全局优化，达到生产低消耗、高质量、高效益和 高柔性目标要求的智能生产复杂大系统。
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从自动化孤岛模式到CIPS的发展历程(7)
智能控制和 CIPS（流程工业CIMS）阶段(续4) 90年代以来




按功能划分的三层体系结构模型
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从自动化孤岛模式到CIPS的发展历程(2)
现代和先进控制系统阶段 60至80年代
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现代控制理论的产生背景和内容 应用现代控制理论取得的成就 现代控制理论的发展和控制策略的探索 电子数字计算机及其集中控制系统的试验应用 现代控制理论应用于过程控制遇到的挑战和问题 70年代中期开始出现了适合于工业自动化的控制计算机商品 化系列—DCS诞生并迅速发展，为实现高水平自动化提供了技 术工具； 先进控制系统出现，70年代后期最有影响的一类先进控制— MPC克服现代控制理论与工业应用之间的不协调，获得较广泛 应用和发展，成为过程控制领域最有前途的先进控制策略。
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二、流程工业(生产过程系统)及其特点(1)
1.流程工业的生产特征
* 连续流动的物质流（以及相应的能量流和信息流） * 具有传热、传质、生物、化学或物理反应的加工过程 * 产品失去了原材料的原有性质（发生相变或分子结构等变化）
2.流程工业控制方面的特点

生产过程的复杂性决定了对其控制的困难性挑战与潜力 过程的苛刻的生产环境要求控制绝对保证生产的安全性 故障预报与诊断、安全监控系统以及联锁保护系统 生产过程的长期连续运行要求生产控制与管理实时性和整体性或 综合性协调控制达到全局优化 必须采用集成和智能的控制理论与技术
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从自动化孤岛模式到CIPS的发展历程(1)
简单和复杂控制系统阶段 50年代及以前
控制理论 经典 控制水平 、系统设计方法 复杂过程人为分解为若干SISO简单过程
依靠手工和经验实现单回路分散控制； 后期出现了串级、前馈、Smith预估等复杂 控制系统；
控制目标 安全、平稳（少出事故） 控制工具 常规仪表 气动电动，基地式单元组合式
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1.2.2 CIPS的体系结构


按功能划分的五层体系结构模型
经营决策层：依据企业内部和外部信息对企业产品策略、中长远 目标、发展规划和企业经营等提供决策支持； 生产管理层：细分为经营、生产和人文管理。对厂级、车间、各 科室的生产和业务信息实现集成管理，并依据经营决策指令制定 和落实年、季、月综合计划。 生产调度层：依据下达的综合计划完成生产计划分解，同时根据 生产的实际情况形成调度指令，及时地指挥生产，组织日常均衡 生产和处理异常事件。 过程监控层：根据调度指令实现生产过程操作优化、先进控制、 故障诊断、过程仿真等功能，根据生产工况信息和调度指令形成 优化设定值下达给过程控制层； 过程控制层：采用DCS或PLC等实时系统完成生产过程的监测和 常规控制。
半连续和间歇（批量）操作生产过程 离散操作生产过程
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一、工业生产过程系统的分类(2)
按生产过程操作性质（美国ISA）
半连续和间歇（批量）操作生产过程
频繁开车、停车，切换操作条件 – 原材料固定的生产装置不同品种产品 例：造纸、特殊化工和轧钢工业 – 原材料（配方）变化固定或变化的生产装置不同种类产品 间歇操作：每次操作之初向设备内投入一批物料，经过一番处理后， 排除全部产物，再重新投料。