工業(yè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)概述.ppt

2019/6/24,1,1.1 工業(yè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)概述,過程控制系統(tǒng)第一章（1）,過程控制系統(tǒng),1.2 流程工業(yè)生產(chǎn)過程自動化的 發(fā)展概況和趨勢,2019/6/24,2,1.1節(jié)內(nèi)容要點,工業(yè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)的分類 按生產(chǎn)過程操作性質(zhì)的分類（美國ISA） 從控制的角度的分類 流程工業(yè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)及其特點 流程工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位,過程控制系統(tǒng),2019/6/24,3,一、工業(yè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)的分類(1),生產(chǎn)工藝流程固定 原材料、中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)品皆為流體 生產(chǎn)過程長期連續(xù)不斷運行 連續(xù)操作：原料不斷地從設(shè)備一端送入，產(chǎn)品不斷從另一端送出。,過程控制系統(tǒng),按生產(chǎn)過程操作性質(zhì)的分類（美國ISA） 連續(xù)操作生產(chǎn)過程,半連續(xù)和間歇（批量）操作生產(chǎn)過程,離散操作生產(chǎn)過程,例：能源工業(yè)（發(fā)電過程）、石油化工（煉油過程）、化工（化肥生產(chǎn)）、污水處理等,2019/6/24,4,一、工業(yè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)的分類(2),2019/6/24,5,一、工業(yè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)的分類(3),從控制的角度的分類 連續(xù)型 被控量 基本控制原理 控制系統(tǒng)組成 （T P F L 過程的 PID定值控制 一次儀表：商品化傳感器 成分 物性）六大參數(shù) 二次儀表：變送器、顯示儀 （過程控制系統(tǒng)） （數(shù)字）調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、DCS 離散型（運動控制系統(tǒng)、順序控制系統(tǒng)） 加工過程的位移、速 隨動反饋控制 商品化傳感器、檢測元件 度、加速度等參數(shù) 電力電子元件、數(shù)控裝置、PLC 混合型 上述兩種類型皆有的生產(chǎn)過程，因此含有兩種控制系統(tǒng)。 例：啤酒生產(chǎn)過程發(fā)酵過程（連續(xù)型）+ 罐裝成瓶（離散型）,2019/6/24,6,二、流程工業(yè)(生產(chǎn)過程系統(tǒng))及其特點(1),1.流程工業(yè)的生產(chǎn)特征 * 連續(xù)流動的物質(zhì)流（以及相應(yīng)的能量流和信息流） * 具有傳熱、傳質(zhì)、生物、化學(xué)或物理反應(yīng)的加工過程 * 產(chǎn)品失去了原材料的原有性質(zhì)（發(fā)生相變或分子結(jié)構(gòu)等變化） 2.流程工業(yè)控制方面的特點 生產(chǎn)過程的復(fù)雜性決定了對其控制的困難性挑戰(zhàn)與潛力 過程的苛刻的生產(chǎn)環(huán)境要求控制絕對保證生產(chǎn)的安全性 故障預(yù)報與診斷、安全監(jiān)控系統(tǒng)以及聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng) 生產(chǎn)過程的長期連續(xù)運行要求生產(chǎn)控制與管理實時性和整體性或 綜合性協(xié)調(diào)控制達(dá)到全局優(yōu)化 必須采用集成和智能的控制理論與技術(shù),2019/6/24,7,二、流程工業(yè)(生產(chǎn)過程系統(tǒng))及其特點(2),3.流程工業(yè)生產(chǎn)過程系統(tǒng) 研究內(nèi)容：過程的描述、模擬、仿真、設(shè)計、 控制與管理； 研究目的：改進(jìn)生產(chǎn)工藝操作 提高自動化水平 優(yōu)化生產(chǎn)過程 管理與決策科學(xué)化 實現(xiàn)的目標(biāo)：生產(chǎn)過程的低消耗、高質(zhì)量、高效益 和高柔性。,過程控制系統(tǒng),2019/6/24,8,三、流程工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位,流程工業(yè)的廣泛范圍和舉足輕重地位 全球500強企業(yè)中，流程工業(yè)企業(yè)有70余家，占15%，其營業(yè)收入占總收入的16.5%； 1991年以來，我國公布的產(chǎn)品銷售額排名前十名中，約80%90%屬于流程工業(yè)企業(yè)；按利潤排名的前二十名中，流程工業(yè)企業(yè)約占70%； 我國流程工業(yè)企業(yè)年產(chǎn)值占全國企業(yè)年總產(chǎn)值的66%。,過程控制系統(tǒng),2019/6/24,9,1.2節(jié) 流程工業(yè)生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展概況和趨勢,從自動化孤島模式到CIPS的發(fā)展歷程 簡單和復(fù)雜控制系統(tǒng)階段 50年代及以前 現(xiàn)代和先進(jìn)控制系統(tǒng)階段 60至80年代 智能控制和 CIPS階段 90年代以來 結(jié)論 CIPS的體系結(jié)構(gòu),過程控制系統(tǒng),2019/6/24,10,簡單和復(fù)雜控制系統(tǒng)階段 50年代及以前 控制理論 經(jīng)典 控制水平 、系統(tǒng)設(shè)計方法 復(fù)雜過程人為分解為若干SISO簡單過程 依靠手工和經(jīng)驗實現(xiàn)單回路分散控制； 后期出現(xiàn)了串級、前饋、Smith預(yù)估等復(fù)雜 控制系統(tǒng)； 控制目標(biāo) 安全、平穩(wěn)（少出事故） 控制工具 常規(guī)儀表 氣動電動，基地式單元組合式,從自動化孤島模式到CIPS的發(fā)展歷程(1),過程控制系統(tǒng),2019/6/24,11,從自動化孤島模式到CIPS的發(fā)展歷程(2),現(xiàn)代和先進(jìn)控制系統(tǒng)階段 60至80年代 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生背景和內(nèi)容 應(yīng)用現(xiàn)代控制理論取得的成就 現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和控制策略的探索 電子數(shù)字計算機及其集中控制系統(tǒng)的試驗應(yīng)用 現(xiàn)代控制理論應(yīng)用于過程控制遇到的挑戰(zhàn)和問題 兩個重要的進(jìn)展 70年代中期開始出現(xiàn)了適合于工業(yè)自動化的控制計算機商品化系列DCS誕生并迅速發(fā)展，為實現(xiàn)高水平自動化提供了技術(shù)工具； 先進(jìn)控制系統(tǒng)出現(xiàn)，70年代后期最有影響的一類先進(jìn)控制MPC克服現(xiàn)代控制理論與工業(yè)應(yīng)用之間的不協(xié)調(diào)，獲得較廣泛應(yīng)用和發(fā)展，成為過程控制領(lǐng)域最有前途的先進(jìn)控制策略。,過程控制系統(tǒng),2019/6/24,12,從自動化孤島模式到CIPS的發(fā)展歷程(3),智能控制和 CIPS階段 90年代以來 *第三代控制理論智能控制理論產(chǎn)生的客觀原因 復(fù)雜工業(yè)過程難以建立精確數(shù)學(xué)模型，滿足控制要求；,過程控制系統(tǒng),現(xiàn)有的控制策略的性能甚至比不上好的操作工控制的性能； 生產(chǎn)過程的控制目標(biāo)要求顯著提高； *智能控制理論的發(fā)展與應(yīng)用 專家控制 模糊控制 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制,2019/6/24,13,從自動化孤島模式到CIPS的發(fā)展歷程(4) 智能控制和 CIPS階段(續(xù)1) 90年代以來, （流程工業(yè)）計算機集成過程系統(tǒng)CIPS誕生的前提條件： *控制科學(xué)與技術(shù)與其他學(xué)科交叉滲透形成了智能控制理論； *控制工具取得重大變革，特別是90年代末第四代DCS推出，其技術(shù)特點包括全數(shù)字化、信息化和集成化。FCS技術(shù)成為研發(fā)熱點（見書P9） 世界范圍內(nèi)的能源危機、市場劇烈競爭； 工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模更趨龐大、設(shè)備更新?lián)Q代； 提高生產(chǎn)產(chǎn)量、質(zhì)量，降低(原料、能源)消耗，降低成本高效益 的要求。 *現(xiàn)代控制理論和實踐（非線性、分布參數(shù)、隨機控制、容錯控制 等）的新進(jìn)展，以及系統(tǒng)工程、大系統(tǒng)理論等的發(fā)展。 促使生產(chǎn)過程自動化水平發(fā)生巨大變革 CIPS誕生,過程控制系統(tǒng),2019/6/24,14,智能控制和 CIPS（流程工業(yè)CIMS）階段(續(xù)2) 90年代以來 CIPS是CIM在流程工業(yè)中的應(yīng)用系統(tǒng),從自動化孤島模式到CIPS的發(fā)展歷程(5),CIM是一種組織、管理、與運行企業(yè)生產(chǎn)的新哲理 ，于1973年由美國學(xué)者約瑟夫哈林頓博士在Computer Integrated Manufacturing一書中首先提出 。它包括兩個基本觀點 ： * 企業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)(即從市場分析、合同、生產(chǎn)計劃管理、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)指揮、產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、質(zhì)量控制、經(jīng)營管理直到售后服務(wù)的全部市場活動）形成了一個不可分割的整體，它們彼此緊密相連，單一的市場活動都應(yīng)在企業(yè)整個框架下作統(tǒng)一的考慮； * 整個生產(chǎn)過程實質(zhì)上是一個數(shù)據(jù)的采集、傳遞和加工處理的過程， 最終的產(chǎn)品可以看成是物化的數(shù)據(jù)。（可通過IT技術(shù)實現(xiàn)企業(yè)全部 活動的信息集成，并強化利用使企業(yè)獲得最大的效益） 。,過程控制系統(tǒng),2019/6/24,15,從自動化孤島模式到CIPS的發(fā)展歷程(6),智能控制和 CIPS（流程工業(yè)CIMS）階段(續(xù)3) 90年代以來 CIPS 的定義：是一個具有下列屬性： 技術(shù)基礎(chǔ)：基于現(xiàn)代化管理技術(shù)、生產(chǎn)技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)和系統(tǒng)工程技術(shù) 等； 支撐環(huán)境：計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)； 多種功能：經(jīng)營決策、管理、生產(chǎn)調(diào)度、過程監(jiān)控和設(shè)備控制； 能迅速適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境不確定性和市場需求多變性，實現(xiàn)生產(chǎn)過程全局優(yōu)化，達(dá)到生產(chǎn)低消耗、高質(zhì)量、高效益和高柔性目標(biāo)要求的智能生產(chǎn)復(fù)雜大系統(tǒng)。,2019/6/24,16,從自動化孤島模式到CIPS的發(fā)展歷程(7),智能控制和 CIPS（流程工業(yè)CIMS）階段(續(xù)4) 90年代以來 CIPS是流程工業(yè)自動化發(fā)展的必然趨勢。 CIPS在國內(nèi)外研究、開發(fā)和應(yīng)用的概況 *體系結(jié)構(gòu)模型的研究 ，例如Purdue CIM參考模型； *國外計算機軟硬件公司的構(gòu)成CIM的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、開發(fā)平臺等系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)； *國外企業(yè)實施CIPS工程的情況：見書P11 *國內(nèi)企業(yè)實施CIPS工程的情況： 1986年863/CIMS主題提出，首先在離散工業(yè)實施CIMS工程，取得了國際同行的認(rèn)同； 接著在此基礎(chǔ)上開始在流程工業(yè)典型企業(yè)開展CIPS試點工作，也獲得了初步的效果。,過程控制系統(tǒng),2019/6/24,17,從自動化孤島模式到CIPS的發(fā)展歷程(8),1. 簡單和復(fù)雜控制系統(tǒng)階段 50年代及以前 2. 現(xiàn)代和先進(jìn)控制系統(tǒng)階段 60至80年代 3. 智能控制和 CIPS階段 90年代以來 * 4.結(jié)論 生產(chǎn)過程本身的變革及其性能要求的提高促進(jìn)了生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展；控制理論和技術(shù)工具的新成就為實現(xiàn)生產(chǎn)過程的控制和管理目標(biāo)提供了可靠保證。 生產(chǎn)過程自動化已進(jìn)入CIPS時代或綜合自動化時代，生產(chǎn)過程自動化的范圍大大擴(kuò)展，已經(jīng)突破單機自動化孤島模式，轉(zhuǎn)向CIPS模式。,過程控制系統(tǒng),2019/6/24,18,1.2.2 CIPS的體系結(jié)構(gòu),按功能劃分的五層體系結(jié)構(gòu)模型 經(jīng)營決策層：依據(jù)企業(yè)內(nèi)部和外部信息對企業(yè)產(chǎn)品策略、中長遠(yuǎn)目標(biāo)、發(fā)展規(guī)劃和企業(yè)經(jīng)營等提供決策支持； 生產(chǎn)管理層：細(xì)分為經(jīng)營、生產(chǎn)和人文管理。對廠級、車間、各科室的生產(chǎn)和業(yè)務(wù)信息實現(xiàn)集成管理，并依據(jù)經(jīng)營決策指令制定和落實