工業(yè)過程智能綜合自動(dòng)化系統(tǒng)課件

1、工業(yè)過程智能綜合自動(dòng)化系統(tǒng)柴天佑?xùn)|北大學(xué)國家冶金自動(dòng)化工程技術(shù)研究中心1. 引 言 2. 工業(yè)生產(chǎn)過程控制與管理流程3. 智能綜合自動(dòng)化系統(tǒng)4. 選礦生產(chǎn)過程的工程應(yīng)用5. 結(jié) 論提 綱 1.1 過程工業(yè)對(duì)實(shí)現(xiàn)綜合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的需求不斷增長（1）國際工業(yè)界在全球市場環(huán)境下，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本的需求不斷增長，實(shí)時(shí)優(yōu)化受到過程工業(yè)的重視并廣泛采用。（Tosukhowong，2019） 為了適應(yīng)變化的經(jīng)濟(jì)環(huán)境，減少消耗，降低成本，提高生產(chǎn)效率，提高運(yùn)行安全性，必須對(duì)于控制、優(yōu)化、計(jì)劃與調(diào)度以及生產(chǎn)過程管理實(shí)現(xiàn)無縫集成（Havlena，IFAC semi-plenary, 2

2、019）對(duì)于降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少環(huán)境污染和資源消耗，只能通過全流程自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)（歐洲鋼鐵工業(yè)技術(shù)指南，2019）1.引 言 （2）國內(nèi)工業(yè)界 流程工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，工業(yè)產(chǎn)值占全國工業(yè)總產(chǎn)值的66；鋼產(chǎn)量連續(xù)9年世界第一；氧化鋁、鎂、稀土等產(chǎn)量世界第一； 流程工業(yè)面臨的突出問題是能耗高，資源消耗大單位能耗高出先進(jìn)國家30以上 需要通過優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)流程工業(yè)節(jié)能、降耗實(shí)現(xiàn)綜合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)成為過程控制的新的研究方向 過程控制、過程優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度、企業(yè)管理和經(jīng)濟(jì)決策五層結(jié)構(gòu)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng) (Theodore J. Wil

3、liams,1989)economic decisionenterprise managementproduction schedulingprocess optimizationprocess control 1.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 1.2 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 過程穩(wěn)定化、過程優(yōu)化、過程管理三層結(jié)構(gòu)組成的選礦生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng) (Houseman, et al. 2019) process managementprocess optimizationprocess stabilization 基于企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）/制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）/過程控制系統(tǒng)（PCS）三層結(jié)構(gòu)的金

4、礦企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng) (柴天佑、金以慧等, 2019) ERP(Enterprise Resource Planning)PCS(Process Control System)MES (Manufacturing Execution System) 石化行業(yè)靜態(tài)優(yōu)化控制（萬百五，1990）基于模型預(yù)測控制的在線 動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制方法（Nath，2000）提出了采用三層結(jié)構(gòu)將生產(chǎn)全流程中的多個(gè)模型預(yù)測控 制器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)全流程的優(yōu)化方法（Lu，2019，Qin，2019） 1.2.2 優(yōu)化控制的研究現(xiàn)狀其他流程行業(yè)停留在過程單元的優(yōu)化控制，以控制系統(tǒng)自身的性能指標(biāo)為優(yōu)化控制目標(biāo)，要求優(yōu)化指標(biāo)能用

5、控制系統(tǒng)的輸入與輸出的精確數(shù)學(xué)模型來描述（Smets，2019；Hrovat，2019）冶金工業(yè)過程的熱軋層流冷卻和步進(jìn)式加熱爐提出了由底層控制與上層監(jiān)控兩層結(jié)構(gòu)組成的基于工藝指標(biāo)的集成優(yōu)化控制方法（Chai，2019；Li，2019；Guan,2019;Wang,2019）提出的方法只適合具體的工業(yè)過程，還沒有形成流程工業(yè)的全流程優(yōu)化控制的一般理論與方法通過全流程優(yōu)化控制和計(jì)劃與調(diào)度實(shí)現(xiàn)綜合生產(chǎn)指標(biāo)分解與協(xié)調(diào)研究甚少1.3 主要工作 實(shí)現(xiàn)綜合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化的混合智能控制方法工業(yè)過程智能綜合自動(dòng)化系統(tǒng)成功應(yīng)用于中國最大的赤鐵礦選礦生產(chǎn)過程，取得明顯應(yīng)用成效調(diào)度部工藝技術(shù)部過程控制系統(tǒng)設(shè)備起停順序

6、工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)量 質(zhì)量 成本利潤生產(chǎn)計(jì)劃部控制回路設(shè)定值（工藝參數(shù)、給料量）產(chǎn)量、能源、成本、設(shè)備檢修及運(yùn)行、原料、質(zhì)量作業(yè)計(jì)劃：原料、能源、設(shè)備（運(yùn)行、檢修）、產(chǎn)量作業(yè)班資源供應(yīng)系統(tǒng)水、煤、電、氣、原料 操作員操作員經(jīng)營決策部質(zhì)量(產(chǎn)品質(zhì)量)成本（生產(chǎn)成本）產(chǎn)量生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)資源調(diào)配生產(chǎn)過程管理部質(zhì)量、能源、成本、設(shè)備（運(yùn)行、檢修）綜合生產(chǎn)指標(biāo)生產(chǎn)計(jì)劃作業(yè)計(jì)劃作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工藝指標(biāo)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù) 生產(chǎn)過程管理與控制流程圖2. 工業(yè)生產(chǎn)過程控制與管理流程生產(chǎn)指令經(jīng)營決策部決定與質(zhì)量、產(chǎn)量、成本和消耗相關(guān)的綜合生產(chǎn)指標(biāo)計(jì)劃部門將綜合生產(chǎn)指標(biāo)分解為產(chǎn)量、能源、成本、設(shè)備檢修及運(yùn)行、原料、質(zhì)量的生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度部

7、門將生產(chǎn)計(jì)劃分解為原料、能源、設(shè)備運(yùn)行及檢修、產(chǎn)量作業(yè)計(jì)劃生產(chǎn)過程管理部門接受質(zhì)量、能源、成本、設(shè)備（運(yùn)行、檢修）生產(chǎn)計(jì)劃和原料、能源、設(shè)備（運(yùn)行、檢修）、產(chǎn)量作業(yè)計(jì)劃，將其轉(zhuǎn)化為作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，下達(dá)給作業(yè)班工藝技術(shù)部門接受質(zhì)量、成本、產(chǎn)量生產(chǎn)計(jì)劃和原料、能源、設(shè)備（運(yùn)行、檢修）、產(chǎn)量作業(yè)計(jì)劃，將其轉(zhuǎn)化為工藝指標(biāo)，下達(dá)給作業(yè)班作業(yè)班將作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)變?yōu)樯a(chǎn)指令，將工藝標(biāo)準(zhǔn)變?yōu)榭刂苹芈吩O(shè)定值（包括工藝參數(shù)、給料量）；通過資源供應(yīng)系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)來操作與控制生產(chǎn)過程 生產(chǎn)過程管理與控制流程 早期生產(chǎn)過程操作與控制實(shí)施中主要由人來完成，造成金字 塔式管理結(jié)構(gòu)關(guān)鍵問題是如何構(gòu)建綜合自動(dòng)化系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)扁平化管理和綜

8、合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化3. 智能綜合自動(dòng)化系統(tǒng)集成支撐系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)（PCS）綜合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)3.1 智能綜合自動(dòng)化系統(tǒng)3.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能綜合自動(dòng)化系統(tǒng)由企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)（PCS）、綜合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)和集成支撐系統(tǒng)組成 ERP、MES 和 PCS的主要功能:將綜合生產(chǎn)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)計(jì)劃、作業(yè)計(jì) 劃，作業(yè)計(jì)劃轉(zhuǎn)化為作業(yè)標(biāo) 準(zhǔn)，作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)指令，由操作者 去操作和控制生產(chǎn)過程調(diào)度部過程控制系統(tǒng)設(shè)備起停順序工業(yè)生產(chǎn)過程生產(chǎn)計(jì)劃部產(chǎn)量、能源、成本、設(shè)備檢修及運(yùn)行、原料、質(zhì)

9、量作業(yè)計(jì)劃：原料、能源、設(shè)備（運(yùn)行、檢修）、產(chǎn)量作業(yè)班資源供應(yīng)系統(tǒng)水、煤、電、氣、原料 操作員生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)資源調(diào)配生產(chǎn)過程管理部質(zhì)量、能源、成本、設(shè)備（運(yùn)行、檢修）ERPMESPCS綜合生產(chǎn)指標(biāo)生產(chǎn)計(jì)劃作業(yè)計(jì)劃作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)指令產(chǎn)量 質(zhì)量 成本利潤經(jīng)營決策部企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）主要完成經(jīng)營決策部、生產(chǎn)計(jì)劃部確定綜合生產(chǎn)指標(biāo)，并按其制定生產(chǎn)計(jì)劃（產(chǎn)量、能源、成本、設(shè)備檢修及運(yùn)行、原料、質(zhì)量等）的工作制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）主要完成生產(chǎn)調(diào)度部、生產(chǎn)過部管理部將生產(chǎn)計(jì)劃變?yōu)樽鳂I(yè)計(jì)劃、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)指令的工作過程控制系統(tǒng)（PCS）根據(jù)作業(yè)班下達(dá)的生產(chǎn)指令和控制回路設(shè)定值操作和控制生產(chǎn)過程 綜合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)

10、化系統(tǒng)的功能將綜合生產(chǎn)指標(biāo)分解為生產(chǎn)計(jì)劃、作業(yè) 計(jì)劃、工藝指標(biāo)、控制回路優(yōu)化設(shè)定值綜合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化工藝指標(biāo)優(yōu)化調(diào)度部工藝技術(shù)部過程控制系統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)過程生產(chǎn)計(jì)劃部控制回路設(shè)定值（工藝參數(shù)、給料量）產(chǎn)量、能源、成本、設(shè)備檢修及運(yùn)行、原料、質(zhì)量作業(yè)計(jì)劃：原料、能源、設(shè)備（運(yùn)行、檢修）、產(chǎn)量作業(yè)班操作員操作員質(zhì)量(產(chǎn)品質(zhì)量)成本（生產(chǎn)成本）產(chǎn)量生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)過程控制綜合生產(chǎn)指標(biāo)生產(chǎn)計(jì)劃作業(yè)計(jì)劃工藝指標(biāo)優(yōu)化設(shè)定值產(chǎn)量 質(zhì)量 成本利潤經(jīng)營決策部 綜合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)由綜合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化子系統(tǒng)、工藝指標(biāo)優(yōu)化子 系統(tǒng)和過程控制子系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)組成綜合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化子系統(tǒng)主要完成生產(chǎn)計(jì)劃部、調(diào)度部、工藝技術(shù)部將綜合生產(chǎn)

11、指標(biāo)轉(zhuǎn)化為 工藝指標(biāo)的工作工藝指標(biāo)優(yōu)化子系統(tǒng)主要完成作業(yè)班操作人員將工藝指標(biāo)轉(zhuǎn)化為控制回路的優(yōu)化設(shè)定值的工作過程控制子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制回路優(yōu)化設(shè)定值的跟蹤3.2 混合智能優(yōu)化控制策略將智能行為和常規(guī)控制方法相結(jié)合，提出如下圖所示的混合智能優(yōu)化控制策略該策略由綜合生產(chǎn)指標(biāo)智能優(yōu)化、工藝指標(biāo)智能優(yōu)化和智能解耦控制三層組成 4 . 智能綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在選礦生活過程的工程應(yīng)用上述智能綜合自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)在鋼鐵、冶金、選礦、氧化鋁和稀土等行業(yè)成功應(yīng)用下面僅以選礦生產(chǎn)過程為例，介紹智能綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用4.1 赤鐵礦選礦生產(chǎn)過程描述4.1.1 酒鋼選礦廠介紹甘肅酒鋼選礦廠是酒泉鋼鐵（集團(tuán)）公司的原料-鐵精礦

12、的生產(chǎn)廠年處理鐵礦石一期500萬噸，二期300萬噸礦石含鐵品位33% 4.1.2 工藝流程圖圖 鐵礦選礦生產(chǎn)過程流程圖廢石原礦粉礦塊礦焙燒礦石處理磨礦強(qiáng)磁選過程脫水過程尾礦壩廢石山有用礦石尾礦處理過程精礦處理過程精礦尾礦精礦尾礦精礦庫弱磁選過程精礦 尾礦選礦生產(chǎn)的主要過程礦石處理輸入: 原礦石設(shè)備: 振動(dòng)篩, 皮帶運(yùn)輸與卷揚(yáng)系統(tǒng)輸出: 粉礦和塊礦豎爐焙燒 輸入: 塊礦設(shè)備: 豎爐, 干選機(jī), 磁滑輪輸出: 有用礦石和廢石磨 礦輸入: 粉礦和有用礦石設(shè)備: 球磨機(jī), 螺旋分級(jí)機(jī), 水力旋流器輸出: 礦漿磁選輸入: 礦漿設(shè)備: 強(qiáng)磁機(jī)、弱磁機(jī)、脫水槽輸出: 磁選精礦和尾礦精礦生產(chǎn)輸入: 強(qiáng)磁選精礦

13、和脫水精礦設(shè)備: 精礦濃縮大井輸出: 濃縮精礦尾礦處理輸入: 尾礦設(shè)備: 尾礦濃縮大井輸出: 濃縮尾礦4.1.3 酒鋼選礦廠主要設(shè)備被控系統(tǒng)的主要設(shè)備共525臺(tái)礦石處理 : 99臺(tái): 振動(dòng)篩、皮帶運(yùn)輸與卷揚(yáng)系統(tǒng)等豎爐焙燒 : 89臺(tái): 22豎爐, 4 干選機(jī)等 磨 礦 : 77臺(tái): 15球磨機(jī), 5分級(jí)機(jī), 20旋流器等強(qiáng) 磁 選 : 68臺(tái): 15 磁選機(jī)等弱 磁 選 : 99臺(tái):中磁機(jī)8臺(tái)，弱磁機(jī)41臺(tái)濃縮脫水: 93臺(tái): 過濾機(jī)18臺(tái)，真空泵18臺(tái)等Photograph of the FactoryTechnical indices optimal-setting system Opti

14、mal system ofproduction indices Production process management systemOptimal control system Process control systemMinerals processing optimal setpoints on-off instruction of the equipmentraworesfinished oresrelational databasereal-time databaseControl system of minerals processingMultimedia monitorin

15、g systemproduction scheduling equip-mentmanage-mentstatistic and analysis systemenergymanage-mentquality manage-mentviewing and decision supportproduc-tioncost controlprocess datatechnical indices costplan energy plan quality plan Production plan system equipment plan Fig. Structure of the intellige

16、nt integrated automation system for minerals processingProduction plan Computer support system material plan material manage-ment4.2 選礦過程綜合自動(dòng)化系統(tǒng) 4.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將智能綜合自動(dòng)化系統(tǒng)與選礦生產(chǎn)過程相結(jié)合，提出如下綜合自動(dòng)化系統(tǒng)computer network硬件平臺(tái)Fig.5 Hardware structure of the integrated automation systemPhotograph of the hardwareSoftwar

17、eof integratedautomationsystemManufacturing Execution SystemOptimal control systemRoasting optimizationMilling optimizationBasic automation systemDry dressingRoastingMillingMagnetic dressingDehydratingRaw materials sievingCondensingPlanning and statistics SchedulingEnergy managementDynamic cost cont

18、rolQuality controlEquipment managementViewing and decision support 軟件平臺(tái) Interface of control software of raw ores processingPanoramic view of the FactoryMonitoring view of raw ores processingOperation panel ofraw ores processing Interface of control software of roasting process Panoramic view of twe

19、nty-two roasters Monitoring view of shaft roasterMonitoring view of operation parameters Operation panel of control systemInterface of control software of milling process Monitoring view of milling process Operation panel of control systemInterface of control software of magnetic dressing processOpe

20、ration panel of Magnetic dressing process Interface of control software of condensing process Monitoring view of condensing process Operation panel of condensing process4.2.2 選礦過程混合智能優(yōu)化方法 優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)圖如下圖所示 綜合生產(chǎn)指標(biāo)智能優(yōu)化磨礦過程優(yōu)化控制系統(tǒng)磨礦過程控制生產(chǎn)過程磁選管回收率磨礦粒度豎爐過程優(yōu)化控制系統(tǒng)豎爐過程控制磨礦過程豎爐焙燒燃燒室溫度還原煤氣流量搬出時(shí)間給礦量給水量溢流濃度綜合生產(chǎn)指標(biāo)控制回路

21、優(yōu)化設(shè)定值工藝指標(biāo)礦石種類K原礦品位TEr礦石成分Er礦石性質(zhì)Cr精礦品位TE金屬回收率RM處理量處理量Interface of optimal control software of roasting processmanagement panel of optimal control system of roasting Input of conditions Results of optimisation優(yōu)化軟件Interface of optimal control software of milling processmanagement panel of optimal control s