工业过程自动化技术的发展

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,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。,工业生产过程指的是发电、冶金、炼油、石化、化工、化肥、生化、建材、造纸、制药、橡胶、环保、选矿、采矿等领域的生产加工过程，它是工业过程自动化的服务对象，可以是一个设备、一个装置、一个工段、一个生产线，也可以是一个工厂，一个联合企业。,工业过程自动化技术是一门服务性技术是一门服务性技术，它的服务对象是工业过程。工业过,程自动化中的变送器和执行器相当于人的“眼睛”和“手脚”，工业过程自动化中的主控系统相当于人的“大脑”。离开了眼睛、手脚和大脑，一个人无法行动和思考；离开了变送器、执行器和主控系统，一个生产过程无法正常运行。,因此，工业生产离不开工业过程自动化技术,。,2. 工业过程自动化与传统产业的关系, 自动化技术的发展都离不开社会环境和历史背景.科学,特别是技术科学的发展,常常是以技,术的发展为先导.自动控制理论属于技术科学的范畴，它的发展主要受社会需求的的推动和技术进步的刺激，当然也受物理学、生物学等和作为工具的计算机的促进。,维纳时代及前期的自动控制理论（经典控制理论）,Nyquist （1932,年） 稳定性分析,Bode （1940,年）,Bode,图,Evans,（1948,年） 根轨迹法,Wiener,（1948,年） 控制论一书标志,着一门独“控制理,论”的诞生.,经典控制理论的形成,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）,Bellman（ 50,年代 ） 最优性原理,动态,规则,（1954年）,P,outrygin,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 .,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,提出了新的,课,课题,.,* 含有,各,各种不确定,性,性系统的建,模,模、分析综,和,和、控制和,优,优化设计.,* 具,有,有层次性特,征,征系统的建,模,模、分析综,合,合、控制和,优,优化设计.,* 难,于,于用传统方,法,法建模系统,的,的分析和控,制,制问题,.,方法 :,智,智能方法, 工业过,程,程自动化与,传,传统产业的,关,关系,利用电子技,术,术改造传统,产,产业是近二,十,十年来中国,经,经济发展的,重,重要成果，,大,大大促进了,企,企业竞争实,力,力和综合国,力,力的增强。,而,而在电子技,术,术改造传统,行,行业中，工,业,业自动化技,术,术又是其中,的,的重要组成,部,部分。对传,统,统的过程工,业,业而言，利,用,用先进的自,动,动化硬件及,软,软件,组成工业过,程,程自动化系,统,统，大大提,高,高了生产过,程,程的安全性,、,、可靠性、,稳,稳定性。提,高,高了产品产,量,量和质量、,提,提高了劳动,生,生产率，企,业,业的综合经,济,济效益。,美国科学院,曾,曾对位于前,列,列的五家实,施,施综合自动,化,化的企业进,行,行全面的调,查,查，结果表,明,明：产品质,量,量提高25倍，生产,效,效率提高4070%,；,；设备利用,率,率提高23倍，生产,周,周期缩短3060%,，,，库存减少30%到60%，人工,费,费减少520%。,*,工业过程自,动,动化技术是,从,从传统产业,中,中产生出来,的,的技术，是,传,传统产业发,展,展的需求所,在,在。,20实际40年代是自,动,动化技术和,理,理论形成的,关,关键时期。,工业过程自,动,动化首先来,自,自于传统机,械,械制造业生,产,产方式的变,更,更，即从汽,车,车流水线开,始,始的。,1946年,美,美国福特汽,车,车公司副经,理,理,D.S,哈特首先提,出,出用“自动,化,化”一词来,描,描述这种流,水,水线。,1947年4月，福特,汽,汽车公司建,立,立了自动化,研,研究部,门 ，称作,自,自动化工程,司,司的专家到,这,这个部门工,作,作1948,年,年，美国,机,机械师杂,志,志，把自动,化,化技术义为,“,“用机械装,置,置去操纵工,件,件的进出，,在,在各项操作,之,之间转送零,件,件，消除废,料,料，使生产,设,设备按照一,定,定的时序去,完,完成这些任,务,务，使流水,线,线能部分或,全,全部地处在,集,集中控制站,的,的按键控制,之,之下的一种,技,技术 。,自动化一出,现,现就显示出,强,强大的生命,力,力。应用这,种,种,流水线，建,立,立起单一品,种,种大规模生,产,产方式，大,大,大,提高了劳动,生,生产率。不,到,到3年的时,间,间，使汽车,成,成本下降了,近,近3倍，只,用,用了8年的,时,时间就使汽,车,车销售价格,下,下跌到原来,的,的9%使汽,车,车走进了普,通,通家庭。,汽车工业的,发,发展，带动,了,了冶金、化,工,工、石油等,工,工业，促进,了,了连续生产,过,过程自动化,的,的发展,。,传统产业的,发,发展推动了,工,工业过程自,动,动化技术的,进,进步,70年代以,来,来，由于世,界,界范围内出,现,现的能源危,机,机和市场剧,烈,烈竞争，工,业,业生产规模,更,更趋庞大。,如,如：每个电,站,站的装机容,量,量已经从20万、60,、,、100万,KW,石化工业中,年,年产30万,吨,吨以上的乙,烯,烯、合成氨,等,等工厂大批,建,建成。设备,的,的更新换代,，,，市场竞争,，,，要进一步,提,提高产,量，降低成,本,本，节约原,材,材料和减少,能,能源。要求,自,自动化技术,能,能充分发挥,设,设备的生产,能,能力，最终,达,达到优质高,产,产低耗的控,制,制目标。,另一方面，,面,面对的工业,过,过程越来越,复,复杂，如反,应,应过程、生,化,化过程等等,，,，本身机理,就,就十分复杂,，,，一些还没,有,有完全被人,们,们充分认识,。,。而这类过,程,程往往还受,到,到众多随机,因,因素的干扰,和,和影响，具,有,有高度的不,稳,稳定性、高,度,度的非线形,、,、高度的关,联,联性、特大,的,的滞后性,和状态不完,全,全性，难以,建,建立精确的,数,数学模型。,出,出现了克服,和,和解决这些,问,问题的先进,控,控制方法和,先,先进控制策,略,略。人工智,能,能、控制理,论,论、运筹学,等,等智能控制,应,应用于化工,、,、炼油、造,纸、发电、,冶,冶金等各种,工,工业过程之,中,中，极大的,推,推动了自动,化,化技术的发,展,展。,目前，生产,过,过程自动化,的,的程度已成,为,为衡量工业,企,企业现代化,水,水平的重要,标,标志。,二 工业,过,过程自动化,技,技术国内外,现,现状分析、,及,及发展趋势,工业过程自,动,动化技术及,产,产品主要包,括,括各种工业,控,控制软件、,硬,硬件及系统,，,，其中主要,包,包括各种工,业,业控制软件,、,、硬件及系,统,统，其中主,要,要关键技术,有,有,：,*,新,新一代主,控,控系统（包,括,括集散控制,系,系统、可编,程,程控制器、,仪,仪表、器件,、,、网络、传,感,感器等）,*,现,现场总线技,术,术（包括,HART,总线、,FF、Canbus、Lonworks、Profibus,等）,*,实,实时监控软,件,件平台（信,息,息集成软件,平,平台）,*,先,先进控制技,术,术（多变量,约,约束控制、,广,广义预测控,制,制、多变量,鲁,鲁棒控制、,自,自适应解耦,控,控制等,）,*,过,过程优化技,术,术（冶金、,炼,炼油、化工,、,、化肥造纸,等,等领域的一,批,批在线优化,技,技术）,*,变,变送器及执,行,行器技术（,以,以现场总线,技,技术为基础,的,的智能变送,器,器及执行器,*,特,特种检测技,术,术（钢铁、,炼,炼化、轻化,、,、冶金等领,域,域的各种特,种,种变量的检,测,测技术）,*,专,专用优化软,件,件及专用控,制,制装置（包,括,括冶金、炼,油,油、石化、,化,化工、化肥,、,、生化、制,药,药、建材、,造,造纸、环保,等,等工业领域,关,关键设备的,专,专用优化软,件,件和专用控,制,制装置）,涉及上述领,域,域和控制系,统,统产品国内,需,需要达500亿元以上,。,。主要是欧,美,美日等国的,大,大企业在国,内,内市场瓜分,市,市场份额。,如,如：,Honeywell，ABB、,西门子、横,河,河电机、西,屋,屋电气、富,士,士电机、贝,利,利等。,以下从工业,控,控制软件、,工,工业控制硬,件,件和控制系,统,统三个方面,分,分析国内外,现,现况和发展,趋,趋势。,2 . 1,工,工业过,程,程自动化软,件,件,2 . 1. 1,实,实时监,控,控软件平台,近年来，随,着,着电子技术,、,、计算机技,术,术、网络通,讯,讯技术和自,动,动化技术的,迅,迅猛发展，,传,传统的过程,控,控制系统已,经,经逐渐演变,为,为数字化、,智,智能化、开,放,放化和新型,控,控制系统，,并,并且越来越,多,多的应用于,工,工业企业。,使,使得从单个,设,设备、单个,车,车间的自动,化,化发展为整,个,个工厂、整,个,个企业的自,动,动化已成为,可,可能。已信,息,息集成为基,础,础，,的工厂综合,自,自动化、智,能,能工厂等大,型,型企业应用,软,软件等大型,企,企业应用软,件,件，对提高,企,企业的生产,效,效益，产品,质,质量和竞争,力,力有着重要,作,作用。,在这些以企,业,业经营管理,和,和企业生产,管,管理的紧密,集,集成为目标,的,的大型企业,应,应用软件中,，,，对生产过,程,程的集成、,监,监控、管理,是,是整个应用,软,软件体系的,基,基础和平台,。,。因此，一,种,种能够网络,化,化集成监控,所,所有自动化,设,设备的新型,实,实时监控软,件,件平台是开,发,发的方向。,这,这种新型的,实,实时监控软,件,件平台能够,实,实现工业企,业,业的以下需,求,求。,* 集,成,成监控管理,现,现存的和即,将,将应用的自,动,动化控制设,备,备，逐步消,除,除工厂内各,不,不相同的专,用,用技术、网,络,络、协议所,产,产生的不良,效,效果；,* 降,低,低自动化系,统,统的总体投,资,资成本，并,最,最大程度上,保,保护在现在,动,动化系统上,的,的投资；,* 满,足,足工厂实时,生,生产过程信,息,息进入企业,内,内所有的计,算,算机平台，,满,满足企业对,生,生产更深入,、,、更及时地,管,管理；,* 提,供,供开放、标,准,准的方式或,方,方法，使得,先,先进控制软,件,件（,APC）、,生产调度软,件,件能够方便,的,的开发；,* 统,一,一自动化控,制,制系统的基,础,础设施网络,，,，为将自动,化,化系统最终,融,融入信息管,理,理系统提供,条,条件和可能,；,；,* 充,分,分利用网络,通,通讯技术、,InternetIntranet,技术，使得,生,生产管理人,员,员和现场操,作,作人员能够,在,在任何地方,对,对机器、生,产,产过程乃至,工,工厂生产管,理,理进行远程,监,监控,；,现在，国外,商,商品化的实,时,时监控软件,正,正在朝这个,方向发展，,典,典型的产品,有,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,利,亚,Citect,公司,Citect,软件、法国,ARC,公司,PCVUE32,软件等，这,些,些软件大都,已,已经或多或,少,少地进入中,国,国,市场,。,另一方面，,面,面临即将到,来,来的21世,纪,纪，我国企,业,业的经营管,理,理人员在面,临,临市场全球,化,化机遇的同,时,时正面临着,更,更大的挑战,，,，高效率、,高,高质量、低,消,消耗、弹性,生,生产的全球,市,市场需求正,在,在给我国企,业,业生产经营,管,管理人员带,来,来巨大的压,力,力。随着企,业,业规模的扩,大,大和管理水,平,平的提高，,企,企业越来越,迫,迫切需要具,有,有大型分布,式,式数据库的,综,综合集成软,件,件平台。,企业经营管,理,理人员和技,术,术研究人员,一,一般都认为,保证全厂生,产,产过程的平,稳,稳控制、协,调,调生产是是,提,提高企业竞,争,争力的主要,途,途径。因此,，,，企业经营,管,管理人员习,惯,惯采用企业,资,资源计划管,理,理系统（,ERPEnterpri seRe sourcePlanning）,或企业供应,链,链管理系统,（,Supply ChainManagement）,来管理生产,过,过程原料及,其,其他资源的,供,供给计划。,但,但是，这些,计,计划管理系,统,统仍然缺少,对,对全厂生产,过,过程的控制,、,、调度和集,成,成能力。,而在过程控,制,制中，由于,各,各种数字化,自,自动控制系,统的广泛应,用,用，我们已,经,经可以获得,大,大量有关生,产,产过程运行,的,的“海量数,据,据”。但是,，,，这些数据,只,只是各个生,产,产过程的一,些,些细节，片,面,面的信息，,并,并不能从全,厂,厂的角度反,映,映产品质量,、,、生产计划,执,执行情况、,能,能源消耗情,况,况。这种存,在,在于企业经,营,营管理系统,和,和自动控制,系,系统之间的,信,信息鸿沟上,所,所有企业在,实,实施企业资,源,源计划管理,系,系统（,ERP）,或企业供应,链,链管理系统,时,时所遇到的,实,实际问题。,针对这种实,际,际情况，国,外,外软件开发,商,商已经成功,开,开发 成功,商,商品化的软,件,件平台，专,门,门用于经营,决,决策管理和,实,实时过程控,制,制的信息交,换,换和紧密集,成,成。典型产,品,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,先进,控,控制软件,现代工业的,一,一个重要特,征,征是向大型,化,化和自动化,发,发展。在现,在,在的大工业,生,生产过程中,，,，人们对生,产,产过程的安,全,全、高效、,优,优质、低耗,的,的要求不断,提,提高，追求,更,更大的经济,效,效益，因而,对,对控制的要,求,求也越来越,高,高。但是在,复,复杂的工业,过,过程中经常,遇,遇到的诸如,多,多种约束条,件,件、多变量,和,和强耦合问,题,题、非线性,、,、大时滞、,难,难建立精确,的,的模型、不,确,确定性严重,、,、多控制目,标,标等问,题给控制带,来,来了很大的,困,困难、以上,这,这些问题使,用,用常规的控,制,制技术已不,能,能满足其要,求,求，而必须,采,采用先进的,控,控制技术来,解,解决。采用,先,先进的控制,，,，可以处理,各,各种约束,，可以把各,种,种要求以性,能,能指标的形,式,式结合到控,制,制中加以考,虑,虑，以提高,控,控制的动态,质,质量。动态,控,控制的质量,高,高，上层优,化,化级就可以,将,将工作点设,置,置到临界约,束,束边界，从,而,而进行卡边,生,生产，在保,证,证安全性的,同,同时使经济,效,效益大大提,高,高。理论和,实,实践都证明,，,，只,只要设计合,理,理，先进控,制,制完全可以,取,取得优于常,规,规控制的实,际,际效果。从,目,目前先进控,制,制技术应用,的,的情况来看,，,，在今后的,几,几年内，预,测,测控制、模,糊,糊控制、鲁,棒,棒控制、智,能,能控制、自,适,适应控制、,软,软测量等将,会,会成为先进,控,控制技术软,件,件发展的主,流,流，将对我,国,国冶金、炼,油,油、化工、,造,造纸、制药,、,、石油等行,业,业的技术改,造,造、技术进,步,步起到积极,的,的推动作用,。,。国外从70年代末80年代初就,开,开始先进的,控,控制技术的,商,商品化产品,开,开发及,国外从70,年,年代末80,年,年代初就开,始,始先进的控,制,制技术的商,品,品化软件开,发,发及应用，,在,在,DCS,的基础上实,现,现优化控制,和,和先进的过,程,程控制。在,控,控制算法上,，,，将控制理,论,论研究的新,成,成果，如多,变,变量约束控,制,制、各种预,测,测控制、推,断,断控制和估,计,计、人工神,经,经元网络控,制,制和软测量,技,技术等应用,于,于工业生产,过,过程并取得,明,明显的经济,效,效益和社会,效,效益。,目前国外，,特,特别是美国,、,、加拿大、,欧,欧洲等国已,有,有,Setpoint，DMC，HoneywellProfimatics、Adersa,，,，ASPEN Tech，TreiberControls,等多家从事,先,先进控制和,优,优化的软件,公,公司开发出,适,适合于实时,控,控制与优化,的,的多变量先,进,进控制和实,时,时在线优化,的,的商品化的,工,工程软件产,品,品，大量推,向,向市场，在,上,上千家大型,石,石化、化工,、,、炼油、冶,金,金等企业获,得,得成功应用,，,，取得巨额,利,利润。,据有关资料,统,统计，国外,比,比较著名的,先,先进控制软,件,件包已有2233套获,得,得应用，目,前,前正在抢占,我,我们的 国,内,内市场，,详细的情况,如,如表2。1,所,所示,。,2. 1.3 过,程,程优化软件,过程优化是,工,工业过程自,动,动化的核心,技,技术之一，,它,它通过生产,装,装置的安全,平,平稳运行和,优,优化操作使,生,生产计划高,效,效地实施。,为,为了这一目,标,标，首先需,获,获取正确反,映,映生产装置,状,状态的原始,生,生产数据，,利,利用数据校,正,正技术，分,析,析、综合出,产,产品质量、,装,装配能力及,状,状况、能源,消,消耗、故障,报,报警信息，,实,实现质量监,控,控、故障诊,断,断，,和安全管理,，,，同时，利,用,用流程模拟,模,模型和装置,状,状况，进行,生,生产作业计,划,划和优化调,度,度，以最少,的,的能耗、最,高,高的安全性,或,或最大的产,品,品效益，确,定,定各个生产,装,装置的负荷,并,并通过静态,实,实时优化向,先,先进控制层,提,提供最优操,作,作条件。过,程,程优化层主,要,要由七大软,件,件产品组成,：,数据校正,质量监控故,障,障诊断,安全管理,生产调度优,化,化,流程模拟,静态实时优,化,化,生产信息综,合,合集中平台,过程优化软,件,件是实现工,业,业企业节能,、,、降耗、安,全,全生产、环,境,境保护和增,加,加效益的重,要,要工具。国,内,内外产业界,对,对此非常重,视,视，国外80年代起已,逐,逐步出现流,程,程模拟、生,产,产计划调度,优,优化、数据,校,校正、统计,质,质量控制和,静,静态优化商,品,品化软件，90年代以,来,来，各类商,品,品化软件的,功,功能日趋完,善,善，在不同,计,计算机硬件,、,、网络及数,据,据库平台上,的,的通用性进,一,一步加强，,针,针对特定工,业,业,过程优化软,件,件的工程服,务,务受到广泛,的,的重视，工,程,程服务水平,和,和用户的参,与,与程度已成,为,为软件应用,成,成败的重要,因,因素。90,年,年代后期，,国,国外的软件,厂,厂商除了不,断,断扩展各应,用,用软件的功,能,能，还十分,重,重视各应用,软,软件的综合,集,集成和相互,组,组合，既有,大,大公司（如,Aspentech）,力图提供过,程,程优化层全,面,面软件产品,，,，也有多家,软,软件企业提,供,供富有特色,的,的专业优化,软,软件。今后,的,的发展趋,势是进一步,提,提供优化软,件,件的工程适,用,用性，提供,Internet,远程维护，,为,为综合集成,商,商提供即插,即,即用式 应,用,用软件和面,向,向目标的图,形,形化软件组,态,态界面。但,是,是各种优化,软,软件在功能,上,上都因若干,技,技术上的难,点,点而不够完,善,善，市场需,要,要功能更优,的,的优化软件,出,出现。,2. 2,工业过程自,动,动化硬件,2 .2.1,发展趋势,工业过程自,动,动化硬件即,工,工业自动化,仪,仪表与装置,是,是一个对高,技,技术特别敏,感,感的行业，,近,近十年来，,计,计算机技术,、,、微电子技,术,术、通讯技,术,术与自动化,控,控制技术相,结,结合，使得,在,在技术上达,到,到新的高度,。,。其主要特,征,征是，产品,实,实现数字化,、,、智能化、,网,网络化，并,在,在性能上向,高,高精度、高,可,可靠性、高,环,环境适应性,方,方向发展。,由,由于,上述的发展,趋,趋势，产生,了,了四个方面,的,的明显变化,。,以现场总线,为,为基础的智,能,能化现场仪,表,表将不断涌,现,现，并逐渐,成,成为主流产,品,品，这类仪,表,表以具有多,功,功能、智能,化,化、可组态,、,、自诊断、,可,可互操作、,可,可双向通信,为,为特点。目,前,前影响比较,大,大的现场总,线,线通信规约,有,有：,FF（Foundation Fieldbus，,基金会现场,总,总线）、,Profibus、Lonworks,以及基于,CAN,的现场总线,系,系列。,启用新型智,能,能模块，如,专,专家系统、,模,模糊控制、,预,预测控制、,神,神经元控制,，,，从而使控,制,制系统得以,充,充分地发挥,其,其能力和潜,质,质。,自动化仪表,与,与装置在其,自,自身智能化,的,的基础上，,通,通过现场总,线,线、,Internet,或,Intranet,等通信网络,与,与计算机管,理,理系统相沟,通,通，构成控,制,制与管理一,体,体化的,IPS （,计算机集成,过,过程系统，,Computer IntegratedProcess System）,系统。,因此,今后,为,为形成该类,系,系统的各种,网,网关、网桥,，,，以及各种,大,大型商品化,的,的监视、优,化,化调度、管,理,理软件亦将,不,不断涌现。,在发展通用,、,、普及、标,准,准产品的同,时,时，将十分,注,注意“专用,控,控制装置”,（,（如：工业,锅,锅炉、药业,反,反应器等）,和,和“特种检,测,测仪表”（,如,如黏度、浊,度,度等）的开,发,发和应用。,软,软测量技术,在,在需要特殊,检,检测的场,合，也是常,被,被采用的技,术,术之一。代,表,表技术发展,趋,趋势的典,型,型产品是基,于,于现场总线,的,的,FCS（,现场总线控,制,制系统，,FieldbusControlSystem),和智能现场,仪,仪表。,见表2。2,。,。,2 . 2. 2,国,国内外,现,现状,国内的工业,自,自动化仪表,及,及装置虽然,得,得到了较大,的,的发展，但,是,是形势不容,乐,乐观。各方,面,面都面临强,大,大的压力，,产,产品的技术,水,水平亟待加,快,快。,对于主控系,统,统,我国自行开,发,发的分散型,控,控制控制系,统,统（,DCS）,具有八十年,代,代末的水平,，,，浙大中控,的,的,SUPCON Jx，,和利时的,HS2000,，,上海自动化,仪,仪表研究所,的,的叮,K-2900,等均已能供,应,应市场。据1995年,底,底资料统计,，,，国内各工,业,业部门应用,DCS,共计1387套，其中,进,进口1336套，占96,%,，近两年，,国,国内供应的,套,套数明显增,加,加，但比,例变动不大,。,。我国生产,的,的以,PC,为基础的开,放,放型控制装,置,置和,PLC,在中、小型,系,系统中已广,泛,泛应用，并,呈,呈上升趋势,。,。引进的,DCS,具有八十年,代,代中后期水,平,平，国产化,率,率达35%,以,以上，但批,量,量不大，没,有,有规范经济,效,效应,。,对于变送器,变送器类产,品,品通过引进,，,，提高了灵,敏,敏度和可靠,性,性具有八十,年,年代中期水,平,平的智能式,变,变送器和具,有,有九十年代,中,中期水平的,带,带,HART,通信接口的,智,智能式变送,器,器已开始试,产,产、试用。,但,但是，对于,冶,冶金、炼油,、,、化工、石,化,化、生化、,造,造纸和环保,等,等工业领域,急,急需的特种,变,变送器十分,缺,缺乏。,对于执行器,执,执行器类产,品,品发展较快,，,，一般产品,达,达到八十年,代,代中期水平,。,。但是，对,于,于大流量、,强,强腐蚀、高,粘,粘度、高压,差,差、超低温,、,、多相流等,的,的特种执行,器,器，目前的,品,品种太少，,不,不能满足生,产,产需求。,对于其他仪,表,表国内生产,的,的常规仪表50%还是,七,七十年代至,八,八十年代水,平,平的以模拟,技,技术为基础,的,的仪表,如电动单元,组,组合仪表。,此,此外。自动,系,系统的仪表,品,品种满足率,太,太底，一般,工,工程项目为80%，大,型,型工程项目,为,为60%特,殊,殊工程项目,不,不到40%,。,。,对于现场总,线,线在国内现,场,场总线技术,引,引起了自动,化,化行业的普,遍,遍重视，在,国,国家计委的,支,支持下，已,开,开始现场总,线,线技术的科,技,技攻关，并,已,已开发出大,批,批研究成果,。,。,但到目前为,止,止，尚无一,家,家企业批量,投,投产现场总,线,线仪表，国,内,内的自动化,仪,仪表市场正,在,在被国外的,现,现场总线仪,表,表所主导，,FF,总线仪表在,国,国内工程应,用,用中尚不多,见,见，但,HART,总线仪表的,应,应用已越来,越,越多。国内,进,进 行现场,总,总线仪表的,开,开发与生产,，,，还受到“,一,一致性”和,“,“互操作性,”,”的检验和,认,认证等关键,性,性问题，尚,受,受制于国外,，,，目前并找,到,到满意的解,决,决办法。,国外的工业,自,自动化仪表,及,及装置，分,析,析一下现场,总,总线仪表就,可,可见一般。,国,国际上，现,场,场总线技术,的,的研究和开,发,发已取得重,大,大进展，出,现,现了各种基,于,于现场总线,技,技术的智能,仪,仪表和系统,，,，在实际工,程,程上得到越,来,来越多的应,用,用，现在国,际,际上有10,多,多种较有影,响,响的国家或,企,企业的现场,总,总线标准，,在,在断续过程,控,控制领域的,推,推广应用发,展,展迅速，但,在,在连续过程,控,控制领域中,的,的应用,因为标准不,统,统一而受到,阻,阻力，因此,，,，国际标准,化,化组织（,IEC）,正在加大制,订,订国际标准,的,的力度，可,望,望在 近期,完,完成,FF,标准的全部,制,制定工作，,FF,标准在国际,上,上已被近200家自动,化,化仪表企业,接,接受，并积,极,极推出符,合,合,FF,标准的产品,。,。,HART,标准作为一,种,种模拟量转,换,换 到数字,量,量的过度标,准,准，事实上,得,得到了世界,各,各国的认可,，,，因此符合,HART,标准的产品,在,在今后十年,内,内将是一个,发,发展时期,。,2 . 3,工,工业过,程,程自动化系,统,统,由工业过程,自,自动化软件,和,和硬件组成,工,工业控制系,统,统，应用于,钢,钢铁、炼油,、,、化工、石,化,化、化肥、,造,造纸、生化,和,和环保等工,业,业领域，形,成,成了各具特,色,色的系统结,构,构、控制策,略,略和设计方,法,法，特别是,专,专用控制装,置,置和专用优,化,化软件。下,面,面分钢铁、,炼,炼化、和轻,化,化等三个领,域,域进行分析,。,。,2. 3.1,钢,钢铁工,业,业,钢铁工业自,动,动化的发展,趋,趋势大多数,发,发达国家的,钢,钢铁工业自,动,动化，基本,上,上达到了局,部,部综合自动,化,化的要求，,其,其功能包括,控,控制、优化,、,、调度、管,理,理和决策等,。,。,范围广、功,能,能强的管理,系,系统实用化,以,以及时、高,效,效、服务周,到,到为目的的,广,广域化管理,系,系统逐渐实,用,用化，在不,少,少钢铁公司,得,得到应用。,生产操作和,运,运行指挥系,统,统智能化以,继,继承专家操,作,作诀窍及,有,有效操作为,目,目的的人工,智,智能、模糊,控,控制、专家,系,系统和神经,网,网络技术在,各,各工序得到,应,应用。,现,代,代,控,控,制,制,理,理,论,论,提,提,供,供,高,高,质,质,量,量,在,在,连,连,铸,铸,结,结,晶,晶,器,器,、,、,带,带,钢,钢,连,连,扎,扎,机,机,等,等,关,关,键,键,设,设,备,备,采,采,用,用,预,预,测,测,控,控,制,制,、,、,多,多,变,变,量,量,最,最,优,优,控,控,制,制,、,、,自,自,适,适,应,应,解,解,耦,耦,取,取,得,得,重,重,大,大,效,效,益,益,。,。,监,控,控,过,过,程,程,应,应,用,用,多,多,媒,媒,体,体,实,实,现,现,可,可,视,视,化,化,操,操,作,作,运,运,用,用,传,传,感,感,器,器,群,群,的,的,信,信,息,息,，,，,利,利,用,用,多,多,信,信,息,息,融,融,合,合,技,技,术,术,、,、,多,多,媒,媒,体,体,技,技,术,术,和,和,图,图,象,象,处,处,理,理,技,技,术,术,，,，,使,使,铸,铸,胚,胚,内,内,部,部,凝,凝,固,固,过,过,程,程,达,达,到,到,可,可,视,视,化,化,的,的,要,要,求,求,。,。,普,遍,遍,建,建,立,立,故,故,障,障,诊,诊,断,断,设,设,备,备,维,维,护,护,专,专,家,家,系,系,统,统,以,以,提,提,高,高,作,作,业,业,率,率,和,和,维,维,护,护,费,费,用,用,，,，,发,发,展,展,大,大,规,规,模,模,设,设,备,备,诊,诊,断,断,、,、,过,过,程,程,诊,诊,断,断,、,、,远,远,程,程,诊,诊,断,断,、,、,状,状,态,态,诊,诊,断,断,、,、,优,优,化,化,维,维,护,护,等,等,技,技,术,术,，,，,在,在,钢,钢,铁,铁,企,企,业,业,已,已,取,取,得,得,重,重,大,大,经,经,济,济,效,效,益,益,。,。,生,产,产,系,系,统,统,和,和,管,管,理,理,系,系,统,统,实,实,现,现,网,网,络,络,化,化,从,从,现,现,场,场,总,总,线,线,到,到,车,车,间,间,网,网,、,、,工,工,厂,厂,网,网,、,、,企,企,业,业,网,网,，,，,在,在,钢,钢,铁,铁,企,企,业,业,系,系,统,统,网,网,络,络,化,化,已,已,成,成,为,为,不,不,可,可,逆,逆,转,转,的,的,趋,趋,势,势,，,，,为,为,建,建,立,立,综,综,合,合,自,自,动,动,化,化,提,提,供,供,了,了,灵,灵,活,活,性,性,。,特,种,种,检,检,测,测,技,技,术,术,和,和,执,执,行,行,器,器,得,得,到,到,快,快,速,速,发,发,展,展,采,采,用,用,新,新,技,技,术,术,（,（,如,如,激,激,光,光,、,、,超,超,声,声,等,等,）,）,、,、,新,新,理,理,论,论,（,（,如,如,神,神,经,经,网,网,络,络,、,、,模,模,式,式,识,识,别,别,等,等,）,）,、,、,新,新,器,器,件,件,（,（,如,如,CCD,）,）,，,，,使,得,得,过,过,去,去,无,无,法,法,直,直,接,接,检,检,测,测,关,关,键,键,参,参,数,数,成,成,为,为,可,可,能,能,。,。,钢,铁,铁,工,工,业,业,自,自,动,动,化,化,的,的,国,国,内,内,现,现,状,状,一,批,批,引,引,进,进,工,工,程,程,和,和,自,自,建,建,项,项,目,目,奠,奠,定,定,了,了,我,我,国,国,钢,钢,铁,铁,工,工,业,业,自,自,动,动,化,化,的,的,基,基,础,础,一,一,批,批,引,引,进,进,工,工,程,程,提,提,高,高,了,了,我,我,国,国,钢,钢,铁,铁,工,工,业,业,水,水,平,平,，,，,并,并,丰,丰,富,富,了,了,自,自,动,动,化,化,技,技,术,术,来,来,源,源,和,和,获,获,得,得,移,移,植,植,消,消,化,化,的,的,榜,榜,样,样,：,：,多,多,车,车,间,间,成,成,套,套,自,自,动,动,化,化,工,工,程,程,（,（,如,如,宝,宝,钢,钢,一,一,、,、,二,二,期,期,工,工,程,程,、,、,天,天,津,津,钢,钢,管,管,公,公,司,司,工,工,程,程,等,等,）,）,，,，,这,这,些,些,当,当,代,代,国,国,际,际,先,先,进,进,水,水,平,平,的,的,成,成,套,套,自,自,动,动,化,化,系,系,统,统,大,大,大,大,提,提,高,高,我,我,国,国,工,工,业,业,自,自,动,动,化,化,水,水,平,平,。,。,我,国,国,自,自,行,行,建,建,设,设,的,的,基,基,础,础,或,或,技,技,术,术,改,改,造,造,项,项,目,目,均,均,把,把,自,自,动,动,化,化,作,作,为,为,重,重,要,要,环,环,节,节,。,。,如,如,高,高,炉,炉,占,占,总,总,容,容,的,的25%,的,的,大,大,型,型,高,高,炉,炉,都,都,采,采,用,用,了,了,较,较,为,为,完,完,善,善,的,的,自,自,动,动,化,化,系,系,统,统,，,，,中,中,小,小,型,型,高,高,炉,炉43,%,不同程,度,度的实,现,现了自,动,动化。,这,这些工,程,程的投,产,产使我,国,国钢铁,工,工业自,动,动化按,钢,钢铁生,产,产设备,能,能力计,算,算，“,七,七五”,末,末实现,了,了设备,控,控制级,自,自动化,约,约占16.4%。,全国装,有,有过程,计,计算机,的,的机组,，,，大型,高,高炉的,生,生产能,力,力占炼,铁,铁总能,力,力比重,，,，由“,七,七五”,末,末的6.9,%,提高到,“,“八五,”,”末的19,%,，炼钢,则,则由16.35,%,提高到37,%,，轧钢,则,则由17,%,提高到20,%,。,自行开,发,发的检,测,测仪表,、,、控制,系,系统和,数,数学模,型,型发展,了,了我国,钢,钢铁工,业,业自动,化,化在检,测,测仪表,方,方面有,高,高炉单,支,支管煤,粉,粉两相,流,流量计,、,、铁水,温,温度和,硅,硅含量,连,连续检,测,测仪、,炉,炉内料,面,面温度,热,热成象,仪,仪、微,波,波料面,形,形状计,、,、炼钢,连,连铸的,新,新渣仪,、,、装炉,的,的声学,化,化渣测,量,量仪、,结,结晶器,开,开口度,及,及倒锥,度,度测量,仪,仪、钢,水,水测温,钨,钨株热,电,电偶、,连铸辊,间,间距测,量,量仪、,板,板带扎,机,机的激,光,光测量,仪,仪和板,型,型仪等,均,均已投,产,产使用,。,。据统,计,计自70年代,以,以来，,我,我国通,过,过自行,开,开发、,研,研制，,总,总计开,发,发生产,了,了百余,种,种冶金,专,专用仪,表,表，约,占,占国外,已,已实用,化,化仪表,的,的50%。在,控,控制系,统,统方面,有,有焦炉,加,加热自,控,控系统,、,、高炉,信,信息调,度,度系统,、,、炼钢,直,直流电,弧,弧炉控,制,制系统,，,，铁合,金,金炉电,极,极压放,和,和上,料系统,，,，全连,铸,铸生产,调,调度系,统,统，板,坯,坯方坯,连,连铸自,控,控系统,，,，电炉,全,连,连铸,热送,热,扎,扎生产,线,线过程,自,自控系,统,统，水,平,平连铸,的,的自控,系,系统，,中,中板和,冷,冷热板,带,带轧机,的,的液压,AGC,系统等,均,均已投,产,产，使,自,自动化,水,水平得,到,到提高,。,。,人工智,能,能技术,的,的普遍,应,应用促,进,进了我,国,国钢铁,工,工业自,动,动化的,发,发展我,国,国人工,智,智能技,术,术虽然,起,起步与,西,西方国,家,家大致,相,相同，,但,但速度,不,不快，,在,在高炉,先,先后投,入,入的人,工,工智能,技,技术有,宣,宣钢300立,方,方米高,炉,炉、首,钢,钢和宝,钢,钢大型,高,高炉、,石,石家庄,钢,钢铁厂300,立,立方米,高,高炉、,安,安阳300立,方,方米高,炉,炉、,马,马钢250立,方,方米高,炉,炉，大,都,都已验,收,收或投,产,产运行,，,，且取,得,得明显,的,的经济,效,效益。,如石家,庄,庄300立方,米,米的高,炉,炉使用,了,了人工,智,智能炉,况,况预报,系,系统以,后,后年新,增,增利税151.6万,元,元，创,利,利润57.78万元,；,；首钢,二,二高炉,采,采用,了,了冶炼,专,专家系,统,统以后,，,，为稳,定,定高炉,操,操作，,避,避免和,减,减少高,炉,炉严重,失,失常确,保,保高炉,强,强化，,创,创直接,经,经济效,益,益750万元,；,；成功,地,地在宝,钢,钢实现,了,了大板,坯,坯连铸,漏,漏钢神,经,经元预,报,报系统,，,，它解,决,决了从,日,日本引,进,进的原,来,来以模,型,型为基,础,础的漏,钢,钢预报,系,系统运,行,行不好,的,的,的问题,能较,准,准确预,报,报漏钢,，,，在原,材,材料方,面,面也成,功,功地投,入,入了宝,钢,钢原料,场,场混匀,推,推积管,理,理智能,化,化系统,，,，效果,显,显著，,匀,匀矿质,量,量大大,提,提高，,作,作业干,扰,扰引起,的,的,BS,堆积断,料,料停机,降,降低了70%,左,左右等,；,；,AI,技术在,重,重钢更,获,获得了,大,大规模,的,的成功,，,，且长,期,期运行,至,至今，,包,包括：4#高,炉,炉出铁,场,场除尘,风,风。模,糊,糊控制,，,，投运,后,后节电73.79%,；,； 4#水泵,站,站模糊,控,控制，,投,投运后,节,节电57%。,数字模,型,型方面,有,有高炉,炉,炉况预,报,报,GOSTOP,模型、,软,软熔带,推,推断模,型,型 、,炉,炉热推,断,断模型,、,、炉料,下,下降仿,真,真模型,、,、连铸,二,二次冷,却,却水控,制,制模型,、,、质量,判,判别模,型,型、最,优,优切割,模,模型，,炼,炼钢,连铸,调,调度模,型,型、焦,炉,炉加热,模,模型、,均,均热炉,烧,烧钢模,型,型、冷,轧,轧设定,模,模型等,等,等均已,投,投入运,行,行，并,取,取得一,定,定的效,果,果。,管理信,息,息系统,的,的普遍,采,采用推,动,动了我,国,国钢铁,工,工业自,动,动化的,发,发展我,国,国重点,钢,钢铁企,业,业，特,钢,钢以及,地,地方骨,干,干企业,等,等大都,开,开发了,不,不同层,次,次的,MIS,，,，,由于各,企,企业,规,规模和,管,管理方,式,式不尽,相,相同，,取,取得效,果,果也不,相,相同。,MIS,加快信,息,息传递,，,，提高,功,功效，,实,实现经,营,营预测,，,，发,挥,挥了辅,助,助决策,功,功能，,合,合理安,排,排资金,，,，减少,了,了流动,资,资金占,用,用，促,进,进了业,务,务改革,，,，提高,了,了管理,售,售货员,素质和,管,管理水,平,平，产,生,生了明,显,显的经,济,济效益,。,。工厂,综,综合自,动,动化系,统,统通过,网,网络将,各,各个自,动,动化孤,岛,岛（过,程,程计算,机,机、管,理,理计算,机,机等）,有,有机地,集,集成起,来,来，收,集,集利用,各,各种信,息,息资源,，,，以适,应,应复杂,多,多变的,市,市场竞,争,争需求,，,，进行,高,高效率,、,、高效,益,益、高,质,质量的,生,生产和,经,经营。,国,国内大,多,多数冶,金,金企业,仍,仍处于,发,发展过,程,程自动,化,化和建,设,设信息,管理系,统,统阶段,，,，尚未,具,具备建,成,成综合,自,自动化,系,系统的,基,基础条,件,件，故,我,我国目,前,前只能,在,在全厂,自,自动化,水,水平较,高,高，全,面,面装备,完,完善的,基,基础自,动,动化、,过,过程自,动,动化，,且,且管理,水,水平较,高,高、管,理,理人员,和,和自动,化,化人员,具,具有较,高,高的企,业,业进行,实,实施。,三,有,有色冶,金,金工业,过,过程自,动,动化的,几,几个问,题,题,3 .1,有色金,属,属工业,的,的特点,及,及存在,的,的主要,问,问题,有色金,属,属工业,是,是集地,质,质、采,矿,矿、选,矿,矿、冶,炼,炼、加,工,工为一,体,体的基,础,础原材,料,料产业,。,。改革,开,开放以,来,来，我,国,国有色,金,金属的,产,产量取,得,得了持,续,续、快,速,速的发,展,展。,我国十,种,种常用,有,有色金,属,属已连,续,续四年,处,处于世,界,界第二,位,位，成,为,为世界,有,有色金,属,属生产,大,大国。,目,目前，,有,有色金,属,属作为,国,国民经,济,济和国,防,防建设,的,的重要,材,材料和,战,战略物,质,质，已,广,广泛地,应,应用于,机,机械、,电,电子、,化,化工、,建,建筑、,交,交通、,航,航空、,航,航天、,军,军工等,各,各个行,业,业，在,国,国家建,设,设和发,展,展中具,有,有十分,重,重要的,地,地位,。,有色金,属,属冶炼,过,过程是,有,有色金,属,属生产,的,的主要,过,过程。,生,生产品,种,种多、,流,流程长,、,、工艺,杂,杂、环,境,境恶劣,（,（高温,、,、高尘,、,、高腐,蚀,蚀性）,。,。近几,年,年来，,通,通过引,进,进、消,化,化和吸,收,收国外,先,先进技,术,术，进,行,行自主,研,研究与,开,开发，,我,我国有,色,色金属,冶,冶炼的,技,技术和,装,装备水,平,平得到,了,了较大,的,的提高,，,，,主要技,术,术经济,指,指标有,了,了较好,的,的改善,。,。然而,，,，总体,水,水平与,国,国外相,比,比还有,较,较大的,差,差距，,还,还远不,属,属于有,色,色金属,生,生产的,强,强国。,主,主要表,现,现在劳,动,动生产,率,率、生,产,产成本,和,和能耗,高,高、环,境,境污染,严,严重及,矿,矿物回,收,收率低,等,等方面,：,：,（,1）,矿产资,源,源有用,矿,矿物回,收,收率低,。,。,据全国3498个矿,山,山企业,统,统计，,我,我国有,色,色金属,矿,矿 采,选,选回收,率,率为50%60%,，,，采、,选,选、冶,总,总回收,率,率比国,际,际水平,低,低10%20%；,从,从采矿,到,到冶炼,的,的资源,综,综合利,用,用率为30%,35%，仅,为,为工业,发,发达国,家,家的二,分,分之一,左,左右。,（,2,） 环,境,境污染,严,严重,。,我国重,点,点有色,冶,冶炼厂,硫,硫的利,用,用率，,仅,仅有极,少,少数几,个,个大型,冶,冶炼厂,接,接近或,达,达到国,外,外先进,水,水平，,绝,绝大多,数,数硫的,利,利用率,却,却只有4060%,。,。而国,外,外冶炼,厂,厂硫的,利,利用率,普,普遍达,到,到95%以上,，,，美国,肯,肯尼科,特,特公司,犹,犹他冶,炼,炼厂的,硫,硫利用,率,率达99%以,上,上。,（3）,劳动生,产,产率低,。,以株冶,、,、韶冶,葫,葫芦岛,锌,锌厂等,技,技术经,济,济指标,较,较好的,铅,铅锌冶,炼,炼厂为,代,代表统,计,计，按90年,不,不变的,价,价格计,算,算，折,合,合实物,量,量：铅,约,约40,45,吨,吨/人,年,年，锌3035吨/人年,，,，劳动,生,生产率,仅,仅及世,界,界水平,的,的1/10。,（4）,成本和,能,能耗高,。,我国每,吨,吨火法,铜,铜的成,本,本在1600,美,美元左,右,右，镍6000美元,左,左右，,而,而国外,先,先进工,厂,厂铜的,生,生产成,本,本已降,到,到12001300美元,左,左右，,镍,镍4500美,元,元以下,。,。再如,能,能耗，,按,按单位,铅,铅锌产,品,品能耗,折,折合标,准,准煤计,算,算，近,年,年来铅,从,从采矿,到,到电铅,为,为1.686,吨,吨，锌,从,从采矿,到,到电锌,为,为3.568,吨,吨，而,世,世界1990,年,年炼锌,能,能耗平,均,均仅为1.9,吨,吨标煤,。,。,另外，,在,在高纯,度,度有色,金,金属的,生,生产方,面,面，产,品,品质量,也,也不够,稳,稳定，,稳,稳定率,远,远低于,世,世界先,进,进水平,。,。,这些差,距,距对我,国,国有色,金,金属工,业,业产生,了,了严重,的,的制约,作,作用，,特,特别是,在,在我国,加,加入国,际,际关贸,总,总协定,后,后，将,严,严重威,胁,胁到我,国,国有色,金,金属工,业,业的生,存,存与发,展,展，大,大,大,削弱其,参,参与国,际,际市场,竞,竞争的,能,能力。,造,造成这,些,些差距,的,的原因,是,是多方,面,面的，,但,但是我,国,国有色,金,金属冶,炼,炼过程,控,控制技,术,术落后,、,、自动,化,化、信,息,息化水,平,平低是,主,主要原,因,因之一,。,。,3.2,我国有,色,色金属,冶,冶炼过,程,程自动,化,化存在,的,的问题,有色金,属,属冶炼,过,过程是,一,一个复,杂,杂的工,业,业过程,，,，具有,工,工艺流,程,程长、,大,大滞后,、,、物理,和,和化学,反,反应机,理,理复杂,、,、时变,、,、非线,性,性、强,耦,耦合、,许,许多工,艺,艺参数,难,难于实,时,时准确,测,测量等,特,特点。,由,由于过,程,程的异,常,常复杂,性,性，目,前,前主要,是采用,集,集散控,制,制系统,，,，把复,杂,杂过程,作,作为多,个,个单回,路,路，对,过,过程参,数,数进行,单,单回路,跟,跟踪控,制,制。虽,然,然我国,有,有色金,属,属大中,型,型骨干,企,企业的,生,生产工,艺,艺技术,已,已达到,或,