流程工业综合自动化技术发展(高强)

2012年自动化专题天津理工大学自动化学院主讲人：高强时间：2012年11月13日联系方式：[e-mail]:89263772912012年自动化专题主要内容一、概述二、系统集成技术三、先进控制技术四、故障诊断技术五、总结22012年自动化专题一、概述3»什么是流程工业？流程工业(ProcessIndustry)也称过程工业，通常是指通过物理变化和化学变化进行的生产过程，其原料和产品多为均一相（固、液或气体）的物料，而非由零部件组装成的物品。其产品质量多由纯度和各种物理、化学性质表征。化工、炼油、冶金、轻工、建材等行业均属过程工业。过程系统(ProcessSystem)4流程工业的特点现代流程工业愈来愈注重于物料、能量的综合利用。多次循环复杂网络系统。过程工业向高效、节能、洁净型发展。流程工业系统模型为具有高度非线性的代数、微分(偏、常微分)方程混合组成的数学模型，模型中包含大量的过程参数和高维状态变量，且高度交联、耦合。现代流程工业操作可调、工艺灵活、产品多样、控制系统化的特点。55工业过程的类型»流程工业（ProcessIndustry）˃连续生产过程˃产品论“斤”卖˃如：化肥»制造业（ManufacturingIndustry）˃离散制造过程˃产品论“个数”卖˃如：螺丝钉工业过程的类型6»过程控制（ProcessControl）˃控制流程工业的生产过程˃一条生产线只生产一种产品˃主要控制手段是PID˃现在流行叫ProcessAutomation（过程自动化）»离散控制（DiscreteControl）˃控制制造业的加工过程˃主要手段是顺序与逻辑控制˃现在流行叫FactoryAutomation（工厂自动化）»批量控制（BatchControl）˃同一生产线上的间歇性、多品种生产过程，半连续过程。˃既有顺序与逻辑控制，也有连续过程控制˃每种产品有自己的“配方”˃主要是食品和制药行业工业控制的分类7连续控制：流程工业8离散控制：制造业离散控制：制造业9批量过程：制药行业批量过程：制药行业10工业控制的分类outputcontroller+-plantstatedisplaycontrolvariable(analog)set-pointplantmeasurementplantstatesequenceron/offplantdisplay过程控制：闭环的特征closed-loopcontrol/regulationkeywords:feedback,analogvariables,continuousprocesses,processcontrol离散控制：开环的特征open-loopcontrol/commandkeywords:sequential/combinatorial,binaryvariables,discreteprocesses,batchcontrol,manufacturingoutputerror(deviation)binary%processvaluemeasurementclock大部分工厂都是混合过程工厂11特点：兼有连续和离散生产特性，能源和资源消耗大，高温运作，单体设备大连铸炼钢热轧精炼板坯库加热炉高炉炼铁炼钢精整线冷轧12流程工业包括了石化、炼油、化工、制药、造纸、冶金、采矿、电力、食品加工等在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，流程工业是国家的重要基础支柱产业流程工业在国民经济中的支柱地位1321%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%流程工业在国民经济中的支柱地位14《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将“流程工业的绿色化、自动化及装备”列为优先发展主题，重点研究开发“基于生态工业概念的系统集成和自动化技术，流程工业需要的传感器、智能化检测控制技术、装备和调控系统。”《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》指出，在“发展重大工程自动化控制系统和关键精密测试仪器，满足重点建设工程及其他重大（成套）技术装备高度自动化和智能化的需要”实现重点突破。用先进控制技术提高流程工业自主创新能力国家发展战略要求15综合自动化系统流程工业系统由企业资源计划系统（ERP）、生产执行系统（MES）、生产过程控制系统（PCS）、综合生产指标优化系统和集成支撑系统组成集成支撑系统数据库计算机网络企业资源计划系统（ERP）生产执行系统（MES）生产过程控制系统（PCS）综合生产指标优化系统智能综合自动化系统结构图16ERP、MES和PCS的主要功能:将综合生产指标转化为生产计划、作业计划、作业计划转化为作业标准，作业标准转化为生产指令，由操作者去操作和控制生产过程调度部过程控制系统设备起停顺序工业生产过程生产计划部产量、能源、成本、设备检修及运行、原料、质量作业计划：原料、能源、设备（运行、检修）、产量作业班资源供应系统水、煤、电、气、原料操作员生产过程数据资源调配生产过程管理部质量、能源、成本、设备（运行、检修）MESPCS产量质量成本利润经营决策部综合生产指标生产计划作业计划作业标准生产指令17系统硬件平台结构智能综合自动化系统硬件平台结构图18系统硬件平台结构19流程工业综合自动化面临的重大任务流程工业综合自动化系统和自动化装备的研究与开发，是国家的重大战略需求，是信息化带动工业化的战略重点，是全国自动化工作者面临的重大任务，它是：1.加快信息化带动工业化步伐的迫切需要；2.加快振兴我国装备制造业的迫切需要；3.确保我国国民经济绝对安全的迫切需要；4.实现节能减排总体目标的迫切需要；5.推动控制学科快速发展的迫切需要。20技术的现状分析1、技术发展现状（1）在国家发改委两个工业过程自动化和工业自动化重大专项支持下，我国流程工业综合自动化技术和控制装备取得了长足进步，中小工程、中低端自动化控制系统与装备全部实现了国产化，在重大工程和高端技术市场也形势喜人：在石化行业石化工程主体装置的自动化控制系统虽然被Honeywell28.3%、Emerson21.2%、Yokogawa17.7%所垄断，但中控集团已进入500万吨炼油、30万吨合成氨、52万吨尿素等主体工程；在火电行业1000MW超超临界火电机组的综合自动化控制系统全部被进口产品所垄断，但是，国产自动化控制系统在600MW亚临界、超超临界火电机组获得成功应用，上自仪、和利时、国电智深有一批系统投入运行；21技术的现状分析1、技术发展现状（2）在国家发改委两个工业过程自动化和工业自动化重大专项支持下，我国流程工业综合自动化技术和控制装备取得了长足进步，中小工程、中低端自动化控制系统与装备全部实现了国产化，在重大工程和高端技术市场也形势喜人：在核电行业我国百千万瓦核电工程的自动化控制系统已发展到第三代（全数字化仪控），全部被法国的AREVA、日本的三菱、美国的西屋、ABB等所垄断，但和利时、中自仪等不仅承担外核全部自动化控制系统任务，而且开始进入核岛。在轻纺行业我国1800米/分车速、10.8米门幅的特大型造纸机和大型、高效纺织的自动化控制系统及控制装备，全部都由国外产品垄断，但是国产系统已全面进入车速在500米/分以下的大型纸机，双园系统已淘汰进口系统56套。22技术的现状分析1、技术发展现状（3）从总体上看，目前国内石化、电力、冶金、高铁、造纸等重大工程的自动化控制系统的控制装备，高端技术市场基本上为进口产品所垄断，主要问题是：自主创新能力低下：开发设计能力薄弱，自主知识产权匮乏；自动化孤岛现象严重：应用系统相互独立，技术集成程度偏低；产品竞争实力不强：低端技术产品泛滥，高端技术产品奇缺；全面树立国产系统形象不力：参于重大工程建设的能力薄弱，国家重大工程的应用业绩缺乏。23技术的现状分析2、技术发展趋势（1）（1）大规模化在大型石化、电力、冶金等行业中，要求综合自动化控制系统（装备）具有较大的规模，通过多域网络和多控制器协同技术，使系统规模超过10000点，并且能够长期稳定运行，以满足石化、电力、冶金等重大装备长期稳定可靠运行的需要。（2）高安全性由于石油、化工、电力、冶金等行业的生产流程具有高温、高压、易燃、易爆等特点，通常要求综合自动化控制系统具备高安全性、高可靠性、高稳定性、高环境适应性来保障重大装备长期正常的运转。此外，为了应对特殊情况，还要求自动化控制系统提供紧急停车系统和安全仪表系统来保障生产过程的安全。24技术的现状分析2、技术发展趋势（2）（3）高开放性为了提高生产效率、管理效率，石油、化工、电力、冶金等行业对于综合自动化控制系统的管控一体化和信息化要求越来越高，这就要求控制系统具备高开放性来支持厂级的综合自动化系统。目前进口系统大多具备多种现场总线接入的能力，实现异构系统互联，具有很高的系统开放性。（4）高适用性在石油、化工、电力、冶金等行业处于垄断地位的进口控制系统供应商都有数十年的行业应用背景，在石油、化工、火电、核电等行业上积累了丰富的应用经验，这些企业所提供的综合自动化控制系统具有很好的针对性和适用性，能够满足这些行业重大工程的各种特殊要求。25技术的现状分析3、国内技术优势（1）（1）初步形成重大工程完整的自动化控制装备体系1.国内研究制造了SUPCON集散控制系统、现场总线控制系统和Webfild网络化控制系统等一系列自动化装备，广泛应用于炼油、化工、发电、冶金等行业的重大工程，特别是在炼油化工行业，占有57%的市场份额，并已成功进入500万吨煤油、30万吨合成氨、52万吨尿素等重大工程。目前已销售6000余套，迫使国外产品降价1/3。2.国内研究制造的Suny全集成新一代主控系统，已广泛应用生物化工、制浆造纸和机械电子等行业的重大装备，目前已销售1800余套。3.以上控制系统是重大装备的重要组成部分，是重大工程的“神经”和“心脏”。这些控制系统的研制成功和大面积推广应用，以及形成的控制装备主控系统体系（DCS、FCS、PLC、PCC），有力地武装了我国的装备制造业。为产业结构调整、带动国家、地方经济发展作出了重要贡献。26技术的现状分析3、国内技术优势（2）（2）初步形成重大工程自动化控制应用技术体系1.在控制工程领域，全世界普通存在着一种十分严重的问题，那就是基础研究与工程应用之间存在着一条鸿沟。2.实际工程应用急需突破传统控制理论与控制方法的局限性和数学化，研究以综合优化为目标的、应用于重大工程或重大装备这一复杂对象的新型控制方法。3.国内一直以来致力于应用理论和关键技术研究，经过多年工程化、实用化研究，取得了一大批应用理论和关键技术的研究成果，形成了自动化控制应用技术体系，并大面积应用于重大工程或重大装备，为填平基础研究与工程应用之间的鸿沟作出了重要贡献。27技术的现状分析3、国内技术优势（3）（3）初步形成重大工程节能减排先进控制与优化算法库一直以来致力于研究重大工程和重大装备节能减排的自动化装备和控制系统：在钢铁工业方面，研究开发了大型高炉、大型加热炉和大型冷热连轧机等重大装备节能降耗一系列先进控制与装备优化系统，一个大型高炉炉气的能量优化系统，年节电就达到1亿度；在炼化工业方面，研究开发出大型常减压、大型催裂化、大型铂重整等重大工程节能降耗的自动化装备和优化控制系统，一个炼化厂的能量优化系统就使该厂的能量消耗因素降低11.94％；在轻纺工业方面，研发的大型造纸机、大型蒸发器和大型纺织机等装备的节能减排自动化控制系统，取得了重大的节能减排效果，一个年产10万吨纸和浆的造纸厂，节能达到35％，减排15％。国内针对重大工程和重大装备研发的节能减排先进控制和优化技术，已形成了一个较为完整的算法库，为节能减排总体目标的实现作出了重要贡献。28今后的推进任务1、全集成新一代工业自动化系统(1