流程工业先进控制技术的现状与发展概要

流程工业先进控制技术的现状与发展ApplicationofAdvancedControlTechnologyinProcessIndustry上海交通大学自动化系邵惠鹤教授2005年10月14日一、以企业盈利优化为目标的流程工业综合自动化1.1流程工业在国民经济中的支柱地位流程工业包括了石化、炼油、化工、制药、造纸、冶金、采矿、电力、食品加工等是在知识经济时代的21世纪的国民经济中占主导地位的行业全球500强行业中，流程工业企业有70余家，占15%，其营业收入占总收入的16.5%我国流程企业年产值占全国企业年总产值的66%，流程工业的发展状况直接影响国家的经济基础，因此，流程工业是国家的重要基础支柱产业流程工业是国民经济重要基础支柱产业21%12%10%23%34%石油和化学工业冶金工业电力工业其他流程工业其他工业全球500强企业中，流程工业企业占了70家中国流程工业总产值占工业总产值66%1.2流程工业综合自动化是将先进的工艺制造技术、现代管理技术和以先进控制技术为代表的信息技术相结合将企业的经营管理，生产过程的控制、运行与管理作为一个整体进行控制与管理实现企业的优化运行、优化控制与优化管理，成为提高企业竞争力的重要高技术1.3意义21世纪信息产业的发展，使企业的经营活动正在由封闭性、地区性向开放性和全球化转变我国工业企业要在剧烈的市场竞争中处于不败之地，必须以信息化带动工业化，使企业具有对市场动态环境快速适应能力和业务重组能力流程工业综合自动化的重大发展，对于推进企业现代化管理和可持续发展，追求最佳经济效益，缩短生产周期，加快资金周转，降低产品成本，提高企业竞争力等方面具有特别重要的意义1.4流程综合自动化受到高度重视列入发达国家的重点高技术发展计划国际上著名的钢铁企业日本新日铁石化企业美国埃克森公司已经实现了全厂CIPS获得了显著的经济效益我国的流程工业CIPS在国家863高技术计划的支持下取得了较大的发展具有竞争优势的高技术流程工业企业正在大幅度提高其在信息技术方面的投资英国当年信息技术产品和服务在工业界的市场份额为31亿英镑，而流程企业在信息技术上的花费就达到15亿英镑二十世纪80年代后期，使过程控制开始突破自动化孤岛模式，出现了集控制、优化、调度、管理、经营于一体的综合自动化新模式自动化领域的高技术中的前沿课题1995年美国、日本、西欧等国已有100多家炼油、化工企业都相继建立了流程CIMS系统。通过计算机网络向上下游、产供销一体化或集成化方向发展意大利AGIP石油公司提出了以数据模型为核心的工厂信息集成系统的方案，对生产过程进行监视、控制和诊断，单元整合和优化在管理决策层进行物料平衡、生产计划、调度、企业资源计划、模拟与优化等。目前国外实施CIMS的大型流程工业企业已占很大比例1.5目前存在的问题流程工业中运行的控制系统均以控制性能为指标，没有对产品质量和工艺指标进行控制，因而产品质量差，产品收率低，生产成本高生产过程中的物耗、能耗、设备运行都没有实现在线控制与管理生产过程没有实现优化运行、优化控制和优化管理企业资源未能实现优化配置，企业的经营管理、生产过程指挥与管理和过程控制的信息没有实现有效集成1.6基于ERP/MES/PCS的三级结构ERP/MES/PCS三级结构ERP(EnterpriseResourcePlanning)PCS(ProcessControlSystem)MES(ManufacturingExecutionSystem)基于ERP/MES/PCS三级结构的特点三层结构符合现代企业生产管理结构“扁平化”的思想，较之五层结构更易于集成和实现系统结构的扁平化，促使管理以职能为中心向以过程为中心转变三级结构实现了一体化过程控制（IPC）的要求三级结构中，MES是集成的关键以企业盈利优化为目标的过程综合自动化的内容ERP（企业资源计划）&SCM(供应鏈)MES（制造执行系统）－－通过对生产系统的跟踪和监督，以有效实现生产计划和调度的优化Monitoring&SPC（StatisticalProcessControl）(过程监控与统计过程分析)ROP（Real-TimeOptimization实时优化）APC&R2R（AdvancedProcessControl&RuntoRunControl先进控制与）以盈利为目标的信息化企业ERPSCMMESMonitoring&SPCAPCREOPT公司各部门在递阶级构中的地位工厂级优化装置级MPCDCS过程监控生产过程企业或企业集团经营优化信息化企业的示意结构需求预测战略计划订单管理客户管理客户订单ATP/CTP生产计划和调度采购计划MESAPC仑库管理生产装置ERP监控先进控制、实时优化和过程监督控制传统控制:反馈、串级、前馈等。MPC:带约束的多变量模型预测控制实时优化控制:装置和全厂的实时优化以提供局部控制器的设定值过程监督控制:基於历史数据和统计方法实现系统(过程)性能和产品质量的监督控,例如PCA,PLS和NN等。R2RMES层ERP层PCS层传感器、执行机构、在线分析仪资产管理资产动态管理实时调度生产管理中间库存管理ERP（EnterpriseResourcePlanning)企业资源管理生产过程管理物流计划生产成本计划生产计划物流控制与管理生产成本控制与管理数据统计/生产调度中间产品管理e安全控制与管理质量控制生产过程模型化过程模拟基于工艺目标与技术经济指标的过程优化控制接口与信息界面DCS系统FCS系统生产过程支持系统高级控制传统APCe设备维护管理知识信息e运行操作支持ERP/MES/PCS三级结构四大创新技术1、以产品质量和工艺要求为指标的先进控制技术(APC)2、以经济指标为目标的生产过程优化运行、优化控制、优化管理技(MES)3、以财务分析与决策为核心的整体资源优化技术(ERP)4、以企业目标为主导，以知识链为依托的ERP/MES/PCS三级结构集成技术二、以产品质量和工艺要求为指标的先进控制技术(APC)2.1先进控制的提出与特点2,2先进控制的发展现状2.3基于模型预测的多变量约束控制MCC（MultivariableConstrainedController）2.4MCC在工业过程控制中的应用在FCCU反应再生系统的应用(仿真)MCC在大型催化裂化中的应用2.1先进控制的提出与特点大型石化工业过程的特点：规模庞大，结构复杂，不确定性，非线性，强耦合性实现安全、平稳、高效生产的需要；提高企业经济效益和增强竞争力的重要对策；先进控制与在线优化在工厂综合优化控制中起着承上启下的重要作用先进控制的提出的背景美国的化学工业每年的产值四千亿美元，提供一百多万个就业岗位，2000年出口总值达725亿美元，占美国出口的10%。要保持化工工业在全球的销售实力，就要保持更低的价格和更可靠的服务，必须不断将先进的信息技术和过程控制技术融合到生产过程中。生产过程中使用反馈控制能提高产品的质量、降低材料和能源的消耗、减少对环境的影响、提高安全性、降低成本，从而，在全球经济中更具竞争力。先进过程控制的发展历史20世纪60年代后期，过程控制已被广泛应用于石化和材料的加工过程，主要是单回路局部反馈控制形式，各控制器之间几乎没有联系。在80年代和90年代，多变量控制特别是基于模型预测控制的多变量优化控制得到迅速的发展。先进过程控制的发展历史－续基于模型预测控制近几年已用于处理大规模的过程控制问题。基于模型预测控制的多变量优化控制，在具有控制约束和状态约束的工业过程中，已成为一种标准的控制技术。在2000年据控制厂商报道，模型预测控制已有5000多例，包括炼油、石化、纸浆和造纸、空气分离、食品加工、炼钢、航空和汽车。2.2先进控制的发展现状基于模型控制的理论体系已基本形成，出现了许多基于模型预测的多变量约束模型控制，如AspenTech的DMCplus、MCC等工程化软件包，是应用广泛和最有前途的先进控制策略专家控制系统：过程故障诊断，监督控制，检测仪表和控制回路有效性神经网络：非线性过程的建模，软测量，控制系统的设计2.2先进控制的发展现状－续模糊系统：模糊控制理论基础，表达不确定性知识；非线性控制：开发中，应用不多；鲁棒控制：研究热点，理论性太强，实际应用需做大量的改进和简化；使先进控制具备鲁棒性是重要的发展方向。其他先进控制还包括：内模控制，自适应控制，增益调整，解耦控制，时滞补偿等；2.3基于模型预测的多变量约束控制（MultivariableConstrainedController)MCC是具有约束的多变量、多目标、多控制模式和基于模型预测的动态最优控制器是应用广泛和最有前途的先进控制策略基于模型预测的多变量约束控制MCC的提出1六十年代--七十年代计算机硬件的提高和现代控制理论的发展但先进控制在过程产业中没有达到期望的高度原因：现代控制理论以高精度模型为前提，过程建模难，过程时变，设计和运行不同现代控制理论不灵活：被控制变量（CV）和操纵变量（MV）的选择；难与PID配合硬件上尚不具备条件：计算机虽能装入高级控制算法，但价格贵，代价高——应用不普及；下一级控制以常规控制仪表为主提出2八十年代开始高级控制迅猛发展的原因：能源危机，环保对控制提出更高要求；节省能源，合理利用资源，综合利用，使操作复杂化；排出无污染物要求达到最低限度；PID不能完全胜任，要求高级控制引入，使产业界对过程控制的看法开始改变计算机迅猛发展，高性能，低成本；DCS出现及普及；计算机通讯变得十分方便,众多信息平台出现；递阶结构硬件基础奠定八十年代模型预测控制（MPC）诞生；控制技术有很大推进；广泛应用于石化、煤油、电力、化工、冶金、食品加工、航空、汽车制造、造纸等模型预测控制基本原理综合利用过去、现代和将来的信息—决定控制策略模型预测将来输出（PID只利用过去和现在的信息）对模型要求低：反馈校正(现代控制理论要求模型精度高)滚动优化：每控制周期不断进行优化计算（现代控制一次优化）稳态优化与动态优化相结合多变量系统（PID是一对一控制）CV和MV可受约束第三代MCC产品及其公司公司产品缩写产品名DMCDynamicMatrixControlAspenDMCCorp.DMIDynamicMatrixIdentificationSMCASetPointMultivariableControlArchitectureSMC-IdcomMultivariableControlpackageSMC-TestPlatetestpackage（美国）SetPointInc.SMC-ModelIdentificationpackageRMPCTRobustModelPredictiveControlTechnologyHoneywellprofimatics（美国）PCTPredictiveControlTechnologyTreiberControls（加拿大）OPCOptimumPredictiveControlHIECONHierarchicalConstraintControlPFCPredictiveFunctionalControlAdersa（法国）GLIDEIdentificationPackage上海交大工业自动化工程研究中心浙大国家工业自动化工程研究中心MCCMultivariablesConstrainedControl工业MCC产品技术特性比较工业商品化MPC软件技术比较功能DMCCorp.SetpointCorpHoneywellTreiberControlsAdersa算法DMCSMC-IdcomRMPCTOPCHieconPFC模型形式SRL,S,IIR,TFL,S,ISR,TF,ARXL,S,IIRL,S,IIRL,S,ISS,TF,ARXL,N,S,I,U反馈方式CD,IDCD,IDCD