企业综合自动化第一章.ppt

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1、企业综合自动化企业综合自动化1.绪论绪论v 企业综合自动化的结构框架及其分析本课程开设的意义本课程开设的意义本课程的安排本课程的安排v 先进控制预测控制v 操作优化v 调度与决策v 混杂系统v 流程模拟4/1/20231人人组织组织器官器官循循环环系系统统消消化化系系统统呼呼吸吸系系统统神神经经系系统统运运动动系系统统生生殖殖系系统统企业企业机构机构设备设备人人力力资资源源市市场场销销售售技技术术开开发发设设备备维维修修财财务务部部门门生生产产车车间间企业综合自动化企业综合自动化1.1 人与企业人与企业4/1/20232当某些组织和器官发生病变时当某些组织和器官发生病变时，相应部位的动作将受到

2、影响大脑大脑获取信息获取信息发出指令发出指令感官感官加工处理加工处理神经网络神经网络系统的相关系统的相关组织和器官组织和器官信息在人体的正常传递中起到至关重要的作用信息在人体的正常传递中起到至关重要的作用 人的运作流程人的运作流程企业综合自动化企业综合自动化1.1 人与企业人与企业当大脑和神经系统生病发生故障当大脑和神经系统生病发生故障，导致信息传递中断时，整个身体将会瘫痪。4/1/20233当企业健康时当企业健康时，各部分的信息传递和工作是协调、高效和能控的高层高层领导领导 获取信息获取信息和数据和数据发出指令发出指令感官终感官终端设备端设备评估评估决策决策神经网络神经网络系统的相关系统的相

3、关机构和设备机构和设备信息在企业的正常经营中同样起着至关重要的作用信息在企业的正常经营中同样起着至关重要的作用 信息系统信息系统企业综合自动化企业综合自动化1.1 人与企业人与企业当某些机构和设备失职低效时当某些机构和设备失职低效时，相关部分的运作将受到影响 当大脑和神经系统生病发生故障当大脑和神经系统生病发生故障，导致信息传递中断时，整个身体将会瘫痪。当高层领导决策失误和信息系统发生故障导致信息传递中断时，将使整个企业瘫痪甚至破产和倒闭4/1/20234企业综合自动化企业综合自动化1.1 人与企业人与企业企业的信息流企业的信息流人体的神经系统人体的神经系统企业的物资流企业的物资流人体的消化系

4、统人体的消化系统企业的资金流企业的资金流人体的血液循环系统人体的血液循环系统企业的研发中心企业的研发中心（R&D）人体的生殖系统人体的生殖系统一个经营好的企业一个经营好的企业 一个健康的人一个健康的人 一个亏损的企业一个亏损的企业 一个生病的人一个生病的人 一个破产和倒闭的企业一个破产和倒闭的企业 一个植物人甚至死人一个植物人甚至死人 4/1/202351.当今工业自动化的发展趋势当今工业自动化的发展趋势 1 1）现代工业的重要特点）现代工业的重要特点工业现代化工业现代化程度越高程度越高 成套技术设备对自动成套技术设备对自动控制的依赖性越大控制的依赖性越大 对自动化系统和仪表对自动化系统和仪表

5、装置的要求也就越高装置的要求也就越高工业过程自动化就工业过程自动化就控制方案控制方案而言，在五、六十年代仅仅是一些以而言，在五、六十年代仅仅是一些以单回单回路为主路为主的简单控制系统，其的简单控制系统，其目的目的以定值控制生产过程中的一些工艺变以定值控制生产过程中的一些工艺变量，从而达到量，从而达到稳定生产操作稳定生产操作的目的。的目的。企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化大型化大型化：大规模工业生产必须保证安全安全、平稳平稳、优质优质、高效高效自动化自动化：是实现安全、平稳、优质、高效的：是实现安全、平稳、优质、高效的基本条件基本条件和和重要保证重要保证4

6、/1/20236自动化工具的发展自动化工具的发展（检测仪表）就地调节仪表就地调节仪表 气动单元组合仪表气动单元组合仪表 电动单元组合仪表电动单元组合仪表 单参数简单调节系统 解决小型化、单元化、统一信号等问题企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化 现场安装的大型指示、记录调节仪表 它们各组成部分一般都用机械杠杆联系，因此必须装在一个仪表壳体中，称之为基地式仪表 基地式仪表一般以指示、记录仪表为主，附加调节机构而组成 单元组合式仪表是根据自动检测和调节系统中各个环节的不同功能和使用要求，将整套仪表划分成若干个具有独立作用的单元，各单元之间用统一的标准信号来联系。

7、单元的品种不多，但可按照生产工艺的需要加以组合，构成多种多样、复杂程度各异的自动检测和调节系统4/1/20237安全生产方法的发展安全生产方法的发展 越限报警越限报警连锁连锁超驰控制超驰控制 故障诊断故障诊断专家系统专家系统 容错控制容错控制 企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化 如裂解气分离塔压力控制就采用塔顶压力和塔顶冷凝器液位超驰控超驰控制制方案。PCLCLY4/1/20238控制理论及应用的发展控制理论及应用的发展 常规控制常规控制先进控制先进控制 智能控制智能控制 经典控制理论经典控制理论 现代控制理论现代控制理论 无模型的第三代无模型的第三代控制

8、理论控制理论 传递函数为主状态方程为主智能控制，专家控制，模糊控制，神经网络 企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化工业自动化发展的方向工业自动化发展的方向综合自动化综合自动化定义：定义：根据市场信息来最优地管理控制企业生产的计算机集成自动化系统根据市场信息来最优地管理控制企业生产的计算机集成自动化系统4/1/20239安全、平稳安全、平稳（由第一代控制理论经典控制理论来解决）DCS实现的常规控制以及其连锁保护装置保证了生产过程的安全、平稳企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化2 2）工业自动化的目标）工业自动化的目标：优质、

9、高效优质、高效（由第二代控制系统来解决）即通过先进控制和优化连同综合自动化中的最优调度与计划决策来实现。4/1/2023103 3）工业自动化发展过程）工业自动化发展过程 稳定单个稳定单个工艺变量工艺变量单元过程单元过程的控制的控制 整个生产整个生产装置（整装置（整个车间）个车间）企业综合企业综合自动化自动化经济效益也随着经济效益也随着“自动化自动化”规模的扩大而显著增长规模的扩大而显著增长 4 4）工业自动化发展的动力）工业自动化发展的动力 效益效益经济效益经济效益社会效益社会效益企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化4/1/202311企企业业的的发发展展

10、流程工业企业正从从单单个个装装置置的先进控制与优化发展到多多个个装装置置甚至全全厂厂的区域的整体优化，从向向生生产产过过程程要要效效益益发展到向全厂资源整体优化全厂资源整体优化要效益。企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化市市场场的的需需求求另一方面，高高效效率率、高高质质量量、低低消消耗耗、弹弹性性生生产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。问问题题如何把企业的管管理理信信息息(包括市场信息)与生产装装置置实实时时操操作作信信息息集集成成起来，充分发发挥挥人、计算机与网络系统及自动化装备的作作用用，使企业不断增增强强对市场的应应变变能

11、能力力，根据市场需求及时组织和调整生产，充分挖掘生产潜力，降低消耗，提高质量，确保安全，压缩库存，加速资金周转，实现生产过程、经营管理过程和决策过程的整体优化，最大限度地提高经济效益最大限度地提高经济效益，已成为企业迫切需要解决的问题。4/1/2023122.2.如何实施企业综合自动化如何实施企业综合自动化？建立单一数学模型建立单一数学模型?企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化这种想法是不可能实现不可能实现的,原因如下：过程整体数学模型很难获得过程整体数学模型很难获得：控制规模不断扩大，动态数学模型一般都是非线性 没有一种求解方法没有一种求解方法：工业过程的

12、非线性、不确定性以及变量很多。比如：年产30万吨的乙烯生产装置，检测点就有1000多个，被控变量有200300个控制回路。解决的方法解决的方法 分解分解协调协调4/1/202313根据 根据市场情况（原料价格波动、产品定货合同等）、企业长期需求及安排大修计划等最优地安排整个企业的生产计计划划决决策策生生产产调调度度 企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化集中模型集中模型分散模型分散模型企业生产管理及装置运行企业生产管理及装置运行操作的实际情况操作的实际情况决策的频繁程度决策的频繁程度在纵向从功能上分解为工厂（企业）工厂（企业）车间（装置）车间（装置）车间级：车

13、间级：主要功能是生产过程的控制及操作优化主要功能是生产过程的控制及操作优化 工厂级工厂级：主要功能是企业生产管理与对生产车间之间的调度主要功能是企业生产管理与对生产车间之间的调度。对于原料在各生产装置之间的最优分配及生产产品的计划调度 处理在事故状态下，工厂的均衡生产4/1/202314生产车间的先进控制与优化生产车间的先进控制与优化 整体最优化计算模式整体最优化计算模式生产过程先进控制生产过程先进控制/约束控制约束控制基本控制基本控制生产过程生产过程集中优化的操作频率低单元过程（局部）最优化单元过程（局部）最优化/总体协调模式总体协调模式局部最优化局部最优化反应器反应器局部最优化局部最优化压

14、缩机压缩机局部最优化局部最优化精馏塔精馏塔生产过程先进控制生产过程先进控制/约束控制约束控制基本控制基本控制生产过程生产过程分散优化图分散优化图 企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化集中优化图集中优化图 鲁棒性差、维护性能差不适合操作人员的习惯4/1/202315车间级分为两个基本功能层车间级分为两个基本功能层：企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化基于动态模型的控制基于动态模型的控制 动态最优控制系统的目标函数中仅出现状态变量和控制变量，难以引入与经济效益有关的变量与参数。连续生产的主要干扰是原料的变化，原料罐的切换是以小

15、时为单位进行的。局部优化（如裂解炉、精馏塔等）产生的效益总和小于全装置优化（整体优化）的效益，因此在车间级还要进行局部优化的总和、协调以达到整个装置的整体最优的目的。基于稳态模型的操作优化基于稳态模型的操作优化4/1/202316计算机综合自动化系统的结构示意图计算机综合自动化系统的结构示意图企业长期计划决策企业长期需求市场信息企业生产最优调度库存量订货单原料/能源性质约束生产装置实时全局最优产品价格装置约束生产过程先进控制DCS局部优化局部优化原料/能源价格控制控制操作优化操作优化最优调度最优调度最优计划决策最优计划决策技术上划分技术上划分企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动

16、化生产过程综合自动化4/1/202317直接控制层监督与控制层 计划调度层 决策管理层 另外一种划分另外一种划分主要完成单元控制保证生产装置的正常运行 重点是对生产过程进行优化控制保证装置安、稳、长、满、优运行，获取最大的经济效益重点是制定合理的工作计划和作业计划，并保证计划按预期目标进行 重点是企业的经营管理和运作决策，保证企业健康发展企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化4/1/202318 经营决策系统经营决策系统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提出决策支持决策支持，对厂级、车间、各科室的生产和业务信息实现集成管理集成

17、管理，并依据经营决策指令制定和落实年、季、月综合计划综合计划。企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化 管理信息系统管理信息系统将月计划指令下达给生产调度系统生产调度系统。生产调度系统完成生产计划分解，同时根据生产的实际情况形成调度指令，即时地指挥生产，组织日常均衡生产和处理异常事件。过程监控系统过程监控系统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。DCSDCS系统系统实现对生产过程运行状态的检测、监视、常规控制和传统的先进控制。4/1/202319企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化多级递阶控制思

18、想多级递阶控制思想多层跨平台的概念多层跨平台的概念4/1/202320 决策信息决策信息管理信息管理信息调度信息调度信息工况、核算信息工况、核算信息测量信息测量信息生产与经营过程生产与经营过程辅助决策辅助决策控制算法控制算法生产经营管理生产经营管理调度优化调度优化过程优化与监控过程优化与监控投入产出模型投入产出模型资金流模型资金流模型物料、能量平衡物料、能量平衡动态特性动态特性静态数学模型静态数学模型信息信息控制控制对象对象企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化4/1/202321企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化4/1/

19、202322企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化以优化管理、优化运行为核心的制造执行系统(MES)以设备综合控制为核心的过程控制系统(PCS)以财物分析决策为核心的经营计划系统(BPS)采用采用BPS/MES/PCS三层结构三层结构（来源于制造行业的（来源于制造行业的BPS/MES/PCS结构结构)4/1/202323企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化设备综合控制为核心的过程控制系统设备综合控制为核心的过程控制系统(PCS)PCS级聚焦于生产过程的设备生产过程的设备，监控监控生产设备的运行状况，控制控制整个生产过程。一般

20、包括基础自动化系统和过程自动化系统。v 采用先进的控制技术采用先进的控制技术，如：鲁棒约束多变量预测控制技术、多变量APC技术、智能解耦控制技术等对生产过程实现以稳定生产为目标的生产过程控制；v 利用基础自动化装置与系统利用基础自动化装置与系统，如：PLC、DCS或现场总线控制系统，对生产设备实现自动控制，对生产过程进行实时监控；v基于过程模型与优化基于过程模型与优化，对过程控制系统进行优化设定，实现生产过程的优化控制。4/1/202324企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化优化管理、优化运行为核心的生产执行系统优化管理、优化运行为核心的生产执行系统(MES

21、)MES级别作为CIPS的中心环节中心环节，在整个CIPS中起到承上启下承上启下的作用。作用作用MES将生产过程控制、生产过程管理和经营管理活动中产生的诸多信息进行转换、加工、传递信息进行转换、加工、传递，是生产过程控制与管理信息集成信息集成的重要桥梁和纽带。功能功能MESMES要完成要完成生产计划的调度与统计、生产过程成本控制、产品质量控制与管理、物流控制与管理、设备安全控制与管理、生产数据采集与处理等功能功能。4/1/202325财物分析决策为核心的经营计划系统财物分析决策为核心的经营计划系统(BPS)BPS级以产品的生产和销售产品的生产和销售为处理对象，聚焦于定货、交货期、成本、和顾客的

22、关系等，是企业资源计划ERP的延伸。作用：企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化 对内是以财务为核心的ERP 对外连接供应链管理(SCM)和销售客户服务管理最终通过电子商务与原料供应商和用户连接起来。4/1/202326两种形式的集成两种形式的集成系统集成和应用集成系统集成和应用集成 系统集成系统集成包括网络架构、网络管理平台、硬件平台、生产过程模拟与优化平台、先进控制器开发平台、DCS、管控一体化平台等诸多技术的集成；真正实现真正实现CIPS的并不多的并不多 企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化应用集成应用集成是指过程控制

23、系统、管理信息系统与决策支持系统的无缝集成;4/1/202327企业的发展与进化企业的发展与进化企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化4/1/202328 生产过程工工艺艺流流程程基本不变；物物料料流流是连续的；在装置内存在着物物理的和化学的变化理的和化学的变化，并伴随着物质的和能量的转换与传递物质的和能量的转换与传递复杂性。原原料料性性质质变变化化需需要要生生产产同同样样的的产产品品需要通过监控系统的操作优化来确定，由先进控制来保证的。生生产产过过程程的的一一定定限限度度内内的的柔柔性性是是靠靠改改变变各各装装置置间间物物流流的的分分配配和和装置运行的工作点

24、装置运行的工作点即工艺操作参数的改变来实现的即工艺操作参数的改变来实现的.企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化连续性生产过程的特点：连续性生产过程的特点：同同样样的的原原料料又又需需要要生生产产不不同同的的产产品品靠基于全流程模拟的计算机辅助生产计划调度系统来确定4/1/202329 生产调度和过程优化操作结合起来是实现流程工业生产在设备允许条件下一定程度的柔性的关键一定程度的柔性的关键，是沟通生产过程控制和管理的纽带沟通生产过程控制和管理的纽带，是企业获取经济效益的所在企业获取经济效益的所在。美国Setpoint公司和UOP公司对炼油厂实现CIM的潜在效益

25、的进行测算，以全厂实现CIM的总效益为总效益为l00l00的话，计划与调度计划与调度系统的效益占2525，而各装置的先进控制与过程优化先进控制与过程优化操作的效益为31.531.5。生产调度系统是较宏观的生产调度系统是较宏观的，从生产全局出发，根据生产流程的实际情况，及时调整各装置间物料流的分配，协调各装置的生产，形成优化调度指令。企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化 监控系统是调度指令能否执行的关键监控系统是调度指令能否执行的关键，它对生产过程的安全、经济运行起着极其重要的作用 4/1/202330各层次的经济效益分析各层次的经济效益分析(1994 年美国

26、DMC 公司提供)企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化4/1/202331 最优控制（先进控制）、操作优化、最优调度、最优计划决策所有这些层次上都存在优化问题，都可以获得不同的经济效益：企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化 先进控制先进控制：提高被控变量的动态控制精度动态控制精度，采用卡边生产卡边生产的方法获得经济效益。在线操作优化在线操作优化：在线寻求过程的操作条件最优操作条件最优，使生产处于最优工最优工况况附近，从而获得经济效益 最优调度最优调度：通过合理调度一个大型企业的原料、中间产品、能源以及事故处理过程中的均衡生

27、产均衡生产，来获取经济效益 长期计划决策长期计划决策：则根据市场情况、订货合同来最佳地最佳地组织生产、减减少库存少库存等获取经济效益 4/1/202332实现实现综合自动化的基础基础网络网络、数据库技术数据库技术及一些通用的及一些通用的监控平台监控平台企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化实现实现综合自动化的本质本质信息的集成集成因此，企业综合自动化实施中的关键步骤是全厂信息化因此，企业综合自动化实施中的关键步骤是全厂信息化 控制所需的信息 操作条件信息 产品、能源等的价格信息 市场信息等。4/1/202333信息化中需要注意以下几点信息化中需要注意以下几点：

28、企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化1 1）全面性）全面性。2 2）积累性）积累性3 3）非人性）非人性4 4）统一性）统一性4/1/202334企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化信息集成的核心技术信息集成的核心技术网络通讯技术网络通讯技术在先进控制和优化层在先进控制和优化层一般采用一个一般采用一个通用的监控平台通用的监控平台。它以实时数据库实时数据库为核心，利用组态方式组态方式实现实时数据显示、历史趋势显示、棒图显示以及与各种DCS的数据通信等功能，操作简便。比较著名的有，DMCPlus,等分布式数据库技术分布式数据库

29、技术4/1/202335 根据连续生产过程控制与工程总体优化、信息集成的需求，可以考虑在实施综合自动化系统时，由企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化1)1)生产过程控制系统生产过程控制系统2)2)企业综合管理系统企业综合管理系统3)3)集成支持系统集成支持系统4)4)人与组织系统人与组织系统 4个分系统及相应的下层子系统组成工程结构（如图所示）4/1/202336大型流程工业过程大型流程工业过程CIPS系统工程结构系统工程结构企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化数据管理数据管理计算机网络计算机网络通用数据库系统通用数据库系

30、统专用数据库系统专用数据库系统决策支持决策支持企业管理企业管理生产调度生产调度生产优化、生产优化、先进控制先进控制基础控制基础控制集成支持分系统集成支持分系统企业综合管理分系统企业综合管理分系统生产过程控制分系统生产过程控制分系统人人 与与 组组 织织 分分 系系 统统企业现场生产过程企业现场生产过程能量、物料能量、物料产品产品4/1/202337企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化生产过程控制分系统生产过程控制分系统 1)1)组成：组成：基础控制模块、先进控制与生产优化模块、生产调度模块2)2)作用：作用：是CIPS中信息流、物料流及能量流的交汇点；是保证

31、生产过程运行在“安全、稳定、长周期、优质、满负荷”状况的关键；因此生产过程控制分系统组成生产过程控制分系统组成是CIPS系统的核心组成部分4/1/202338企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化企业综合管理分系统企业综合管理分系统 1)1)组成：组成：企业综合管理系统把生产经营与决策生产经营与决策、销售管理销售管理、成本核算成本核算、物资与设备综合管理物资与设备综合管理、主要生产设备的预知检修计划主要生产设备的预知检修计划、企业事务管企业事务管理理集成在一起，形成一完整的整个企业的综合管理系统。2)2)作用：作用：通过通过信息共享，采用采用一些人工智能技术等

32、先进手段建立建立一个逐级优化生产计划序列模型，通过通过多层次、多阶段生产计划制订体系生产计划制订体系，形成各项合理计划合理计划，实现全厂全面综合管理 4/1/202339企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化集成支持分系统集成支持分系统 1)1)组成：组成：集成支持分系统包括计算机网络、数据管理子系统。2)2)作用：作用：解决解决异种设备及异构网络的互联问题互联问题，建立起一个开放统一的、性能优良的、安全可靠的CIPS系统计算机网络 针对不同信息层次的处理与集成要求，构筑专用数据库构筑专用数据库、通用通用数据库数据库两类系统，为进行集成提供必要支持。4/1/2

33、02340企业综合自动化企业综合自动化1.2 生产过程综合自动化生产过程综合自动化人员与组织分系统人员与组织分系统 1)1)组成：组成：人员和组织。2)2)作用：作用：充分研究人一机混合理论，建立良好的人机交互系统，充分协调企业整体关系；将企业从传统的注重部门分工与专业化的组织形式向以作业流程为中心，重新组合部门功能，工作组协调、高效运行的方向转变，避免陷入纯技术的僵局。4/1/202341DCSDCS概念：概念：企业综合自动化企业综合自动化1.3 DCS的应用现状及发展趋势的应用现状及发展趋势 DCS（集散控制系统）集散控制系统）是七十年代中期研制出来以微处理器为基础的分散型新型计算机控制系

34、统，它是4C技术相结合的产物。控制技术（Control）计算机技术（Computer）通讯技术（Communication）阴极射线管（CRT）图形显示技术4/1/202342常规的模拟仪表来控制一个大型工厂有以下缺点：常规的模拟仪表来控制一个大型工厂有以下缺点：企业综合自动化企业综合自动化1.3 DCS的应用现状及发展趋势的应用现状及发展趋势 在人机联系方面在人机联系方面 操作与监视都很困难。在控制功能方面在控制功能方面一台常规模拟调节器仅能执行一种控制规律。美国Honeywell公司，并在1975年12月正式推出了世界上第一个集散系统TDC-2000系统。DCSDCS主要特点是主要特点是：

35、分散控制分散控制集中监视集中监视4/1/202343DCS的优越性的优越性DCSDCS的应用效率：的应用效率：企业综合自动化企业综合自动化1.3 DCS的应用现状及发展趋势的应用现状及发展趋势 1）控制功能的完善控制功能的完善 2 2）完善的人机界面和集中监控功能）完善的人机界面和集中监控功能3 3）系统扩展灵活）系统扩展灵活 4）安全可靠性高安全可靠性高 1）可靠性高降低了系统运行的故障率减少了因装置故障事故造成的损失和运行维护量提高了系统正常运行的周期。2）提高了控制系统的控制精度 3）集中监视操作更加方便，减轻了劳动强度4/1/202344 DCSDCS的局限性：的局限性：企业综合自动化

36、企业综合自动化1.3 DCS的应用现状及发展趋势的应用现状及发展趋势 1 1）检测信号的精度低）检测信号的精度低：基于模拟仪表的（420mA模拟信号）2 2）布线的费用高）布线的费用高 3 3）不同）不同DCSDCS无法兼容无法兼容：各自的专用平台，互操作性差 4 4）控制品质低）控制品质低：对于一些多变量、强耦合、时变、大纯滞后以及存在未建模动态和干扰不确定的系统。5 5）许多先进控制无法实施）许多先进控制无法实施：提供的编程计算工具简单 6 6）DCSDCS与上位机的接口与上位机的接口4/1/202345DCS的发展趋势：的发展趋势：企业综合自动化企业综合自动化1.3 DCS的应用现状及发

37、展趋势的应用现状及发展趋势 DCS各生产厂家应打破封闭性打破封闭性，增强开放型增强开放型。随着八十年代中期现场总线技术的产生，现场总线现场总线采用数字式双向通讯，提高提高了DCS系统的开放性，降低降低了布线的费用，使系统结构更加分散分散，可靠性可靠性更强，更容易扩展容易扩展总的趋势可能是两者的相互融合总的趋势可能是两者的相互融合4/1/202346企业综合自动化企业综合自动化1.4 先进控制先进控制产生的背景：产生的背景：企业的需要企业的需要、控制理论控制理论和计算机技术计算机技术的发展是先进控制(APC)发展强有力的推动力。重要对策重要对策积极开发和应用先进控制和实时优化以提高企业经济效益，

38、进而增强自身的竞争力。先进控制应用理论基础先进控制应用理论基础现代控制理论和人工智能几十年来的发展。先进控制的应用的硬件和软件平台先进控制的应用的硬件和软件平台控制计算机尤其是集散控制系统(DCS)的普及与提高。4/1/202347企业综合自动化企业综合自动化1.4 先进控制先进控制PIDPID控制的发展控制的发展 从40年代开始，采用PID控制规律的单输入单输出简单反馈控制回路已成为过程控制的核心系统。其理论基础理论基础是经典控制理论，主要采用频域分析方法频域分析方法进行控制系统的分析设计和综合。PID控制算法是对人的简单而有效操作方式的总结与模仿控制算法是对人的简单而有效操作方式的总结与模

39、仿，足以维护一般工业过程的平稳操作与运行，PID算法简单且应用历史悠久，工业界比较熟悉且容易接受工业界比较熟悉且容易接受。80%80%90%90%采用PID控制，原因：原因：4/1/202348 从50年代开始年代开始，逐渐发展了串级、比值、前馈、均匀和Smith预估控制等复杂控制系统，即当时的先进控制系统当时的先进控制系统，在很大程度上满足了单变量控制系统的一些特殊的控制要求。企业综合自动化企业综合自动化1.4 先进控制先进控制 在工业生产过程中，仍有1020的控制问题采用上述控制策略无法奏效。强耦合性强耦合性、不确定性不确定性、非线性非线性、信息不完全性信息不完全性和大纯滞后大纯滞后等特征

40、，并存在着苛刻的约束条件苛刻的约束条件，更重要更重要的是它们大多数是生产过程的核心部分生产过程的核心部分，直接关系到产品的质量、产率和消耗等有关指标。4/1/202349迫切需要一类合适的先进控制策略。迫切需要一类合适的先进控制策略。过程工业大型化、集成化、连续化、复杂化过程工业大型化、集成化、连续化、复杂化 对过程控制的品质提出了更高的要求对过程控制的品质提出了更高的要求控制的目标已不再局限于对某一个变量，或几个变量的平稳操作，而是越来越多地加入了以经济效益经济效益为代表的其他控制要求。然而传统的以单变量技术为基础的控制技术已无法满足这些需求。企业综合自动化企业综合自动化1.4 先进控制先进

41、控制4/1/202350企业综合自动化企业综合自动化1.4 先进控制先进控制先进控制的概念先进控制的概念 先进控制是对那些不同于不同于常规单回路控制，并具有比常规控制效果更好的控制策略的统称统称，而非专指某种计算机控制算法。先进控制的任务先进控制的任务 用来处理处理那些常规控制效果不好，甚至无法控制的复杂工业过程控制的问题。4/1/202351企业综合自动化企业综合自动化1.4 先进控制先进控制先进控制的特点先进控制的特点1 1）控制性能）控制性能 先进控制技术能够提供远比传统PID控制好得多的控制性能 它能够处理多输入多输入、多输出多输出的控制问题。传统PID控制对于“快动作”的控制回路，但

42、是它却难以处理“慢动作”的工艺过程。而先进控制由于其预测的特性预测的特性，可以有效的控制控制具有较大大的纯滞后或时间常数纯滞后或时间常数的回路。先进控制从整体上提高提高了装置的控制水平控制水平，使控制变量的波动更小，操作更加平稳（即卡边生产）。因而也就带来了可观的经济效益可观的经济效益4/1/202352企业综合自动化企业综合自动化1.4 先进控制先进控制2 2）先进控制的核心是多变量预测控制）先进控制的核心是多变量预测控制 先进控制软件根据装置的实时数据，采用多变量模型预测模型预测计算，计算出最优的设定值最优的设定值，送往控制器送往控制器执行。目前，基于知识的控制，如智能控制和模糊控制正成为

43、先进控制的一个重要发展方向。3）控制范围控制范围 先进控制通常用于处理复杂的多变量过程控制复杂的多变量过程控制问题，如大时滞、多变量耦合、被控变量与控制变量存在着各种约束等。控制范围控制范围不再只是针对某个具体的工艺测量值或与之有关的变量，而是一组这样的测量值或者整个装置的所有变量整个装置的所有变量。4/1/202353企业综合自动化企业综合自动化1.4 先进控制先进控制4 4）显著的经济效益）显著的经济效益 实施先进控制可以使装置在最大经济效益的条件下操作，获得最大最大的产量的产量、最大的转化率最大的转化率和最低的装置操作费用。最低的装置操作费用。5）维护工作量较小维护工作量较小 先进控制的

44、实现需要较高性能的计算机较高性能的计算机作为支持平台。复杂系统的先进控制算法通常是在上位机上实施的。先进控制与传统的PID控制相比，具有很高的鲁棒性高的鲁棒性。因而其维护维护工作量也大大的降低降低。6 6）投资回收期短）投资回收期短 对于大多数先进控制，投资回收期都在半年到一年之间半年到一年之间。一般来说，装置的规模愈大，效益愈明显。4/1/202354企业综合自动化企业综合自动化1.4 先进控制先进控制先进控制技术的主要内容先进控制技术的主要内容 1 1）过程变量的采集与处理。）过程变量的采集与处理。2 2）多变量动态过程模型辨识技术）多变量动态过程模型辨识技术：先进控制一般都是基于模型的控

45、制策略 3）软测量技术，计算工艺模型软测量技术，计算工艺模型：关键变量是实时不可测的4）先进控制策略：先进控制策略：预测控制、推断控制、统计过程控制、模糊控制、神经控制、非线性控制以及鲁棒控制等 5 5）故障检测、预报、诊断和处理：）故障检测、预报、诊断和处理：这是先进控制应用中确保系统可靠性的主要技术6 6）工程化软件及项目开发服务）工程化软件及项目开发服务 4/1/202355企业综合自动化企业综合自动化1.4 先进控制先进控制多变量预测控制多变量预测控制 直接将过程的关联性关联性纳入控制算法中 能处理操纵变量与被控变量不相等的非方系统非方系统 处理对象检测仪表和执行器局部失效等的系统结构

46、变化系统结构变化 参数整定简单参数整定简单、综合控制质量高综合控制质量高，特别适用于处理有约束、纯滞后、反向特性和变目标函数等工业对象。其主要特点是：其主要特点是：4/1/202356企业综合自动化企业综合自动化1.4 先进控制先进控制先进控制的经济效益分析：先进控制的经济效益分析：作用作用从全厂综合自动化的角度看，先进控制恰好处在承上启下承上启下的重要地位。性能良好的先进控制是在线优化在线优化得以有效实施的前提前提，进而可将企业领导者的经营决策、生产管理和调度的有关信息及时落实信息及时落实到全厂生产装置的实际运行中，并可真正实现全厂综合优化控制。经济效益经济效益“卡边生产卡边生产”先进控制给

47、基本调节系统提供一组协调的最佳设定值，克服了常规单变量控制顾此失彼的本质缺陷。在约束控制下，过程在安全可靠的条件下和各种操作及设备的约束内，自动实现“卡边控制卡边控制”，使目标产品产量最大，操作费用最小，最大限度地提高装置的经济效益。4/1/202357企业综合自动化企业综合自动化1.4 先进控制先进控制“卡边生产卡边生产”举例举例191设定值188 波动3 191设定值190 波动1 轻组分的回收率提高（从效益的角度考虑，轻组份油的价格高于重组份油）控制系统控制精度的提高也就意味着获得经济效益 常压塔某侧线采出温度的分割点是191，我们希望控制该侧线的采出温度尽可能接近191，4/1/202

48、358企业综合自动化企业综合自动化1.4 先进控制先进控制4/1/202359企业综合自动化企业综合自动化1.4 先进控制先进控制先进控制和先进控制和DCS控制的区别：控制的区别：任何一个调节变量的变化，都会影响到所有的控制变量。只是影响有强有弱，有大有小而已。4/1/202360企业综合自动化企业综合自动化1.4 先进控制先进控制第一是通过调节回流量(FC)来控制塔顶产品质量。第二通过调节塔内压差(PC)控制塔顶压力(PC)。第三则通过调节再沸器加热介质的流量来控制塔釜产品的质量 4/1/202361企业综合自动化企业综合自动化1.4 先进控制先进控制所有控制变量的变化，所有控制变量的变化，

49、如塔顶、塔釜产品质量的波动，塔内压差的变化均送往先进控制包中均送往先进控制包中。考虑到操作变量对不同控制变量影响的大小，通过模型的预测计算，分别得到对塔顶回流量，塔顶压力及再沸器加热介质流量的调节值，由先进控制包发出信号，同时进行调节。4/1/202362操作条件的优化：操作条件的优化：企业综合自动化企业综合自动化1.5 操作优化操作优化 由于实际操作的条件实际操作的条件不可能完全符合设计条件设计条件，如原料成分变化，负荷低于或高于设计负荷，季节对环境温度的影响等，必须根据环境和条件的变化来控制各个变量，以使整个过程的目标函数达到最优整个过程的目标函数达到最优。例如例如：对精馏塔对精馏塔，如何

50、找到最优的回流比和压力；对反应器对反应器，如何找到最优的反应器问题及再循环比等。可以通过过程数学模型数学模型和经济模型经济模型联合计算出来，可以离线离线进行（定期进行，结果指导生产），也可以在线在线进行（随时根据现场仪表的信息进行计算）4/1/202363w过程操作优化的含义过程操作优化的含义n不修改工艺流程、不增加生产设备n通过寻优计算出使目标函数达到最优，同时又满足各项生产规定要求的决策变量n使整个生产过程处于最佳运行状态w最优操作参数最优操作参数n指关键控制系统的设定值：如精馏塔最优回流比、最大产品收率、反应器的最佳反应温度等企业综合自动化企业综合自动化1.5 操作优化操作优化4/1/2