1、综合自动化的内涵 研究现状 发展趋势与关键技术 结 论,提 纲,http:/ 综合自动化的内涵,1.1 生产过程管理与控制流程图,过 程 控 制 系 统,设备 起停 顺序,工 业 生 产 过 程,产量,质量,成本,利润,生产 计划 部门,控制回路 设定值,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,操作员,经营决策部门,质量(产品质量) 成本（生产成本） 产量,生产过程数据,资源 调配,生产过程管理部门,质量、产量、能源、成本、 设备（运行、检修）、原料,综合生产指标,生产计划,作业计划,作业标准,工艺指标,生产过程数据,生
2、产指令,市场 变化,综合生产指标,控制回路设定值,环保,1.2 综合自动化的内涵,性能指标：综合生产指标（产品质量、产量、成本和消耗） 目标：综合生产指标实际值进入目标范围 对象：控制过程和管理过程 工具与平台：计算机控制系统、计算机管理系统、网络与数据库等 综合：自动化技术、生产工艺技术、设备运行技术和生产过程管理技术,综合自动化技术的内涵,工业过程综合自动化是采用自动化技术，以计算机和网络技术为手段,将生产过程的生产工艺技术、设备运行技术和生产过程管理技术进行集成，实现生产过程的控制、运行、管理的优化集成，从而实现管理的扁平化和与产品质量、产量、成本、消耗相关的综合生产指标的优化,1.3.
3、1 我国流程工业自动化的现状 流程工业过程具有综合复杂性 生产条件变化频繁 综合生产指标、工艺指标难以在线测量，难以建立数学模型 实现工业过程的综合生产指标优化的工业系统是复杂系统 我国流程工业综合自动化现状 人工设定与鼠标操纵计算机控制系统实现复杂工业过程控制 资源计划与制造执行主要靠人工运行与操作 劳动密集型、金字塔式的多层管理模式、人工为主方式实现综合生产指标控制 制造大国，但劳动生产率低，生产成本高，资源消耗大，环境污染严重，综合竞争力弱,1.3 综合自动化技术的目标,1.3.2 工业过程综合自动化的目标十六大报告明确指出：“实现工业化仍然是我国现代化进程中艰巨的历史性任务。信息化是我
4、国加快实现工业化和现代化的必然选择。坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子。”,金字塔型组织结构,生产制造 过程,董事会,总经理,生产副总,生产班,工人,生产部,生产厂,生产车间,1) 实现企业生产管理扁平化,韩国浦项钢厂浦项董事长认为： 21世纪信息管理将成为浦项生存与发展的关键，建立生产指挥中心:生产和销售计划循环周期减少75%;可靠的承诺时间(ATP)从2小时缩短为2.5秒;及时发货率从82%提升为95%.企业预算时间从110天缩到30天,整整减少80天;月决算时间由6天缩短到1天；标准
5、成本计算时间由15天缩短到3天；交货期由20-30天缩短到7天；客户产品库存天数由30天缩短到24天以下；库存原料周转率由8.7次增加到12次;浦项每年生产2800万吨原钢,每年的销售额为106亿美元。,2）实现企业综合生产指标优化控制,在全球市场环境下，改进产品质量、生产效率和成本的需求不断增长，实时优化受到过程工业的重视并广泛采用。（Tosukhowong，Computers and Chemical Engineering, 2004） 为了适应变化的经济环境，减少消耗，降低成本，提高生产效率，提高运行安全性，必须对于控制、优化、计划与调度以及生产过程管理实现无缝集成（Havlena，I
6、FAC semi-plenary, 2005）,化工过程有效的厂级控制不仅能够通过优化操作、减少设备停机次数、减少不合格产品数量带来显著的经济效益，而且能够促进安全生产和减少环境污染（Francis J. Doyle III，IEEE_T_CST主编，JPC,2007） 在市场经济环境下，过程企业作为柔性供应链的一部分为了竞争不断追求准时制生产，因此紧迫需求过程的动态操作。 （Backx，ADCHEM plenary lecture 2000） 在市场环境下，保证产品质量，成本最小化，仅仅依靠管理人员和操作人员的经验是不够的，需要将过程控制和过程管理集成的有效的敏捷操作。（Sebastian
7、Engel， JPC,2007）,从过程工程的角度看，自动反馈控制不仅仅是将被控变量精确控制在其设定值或者跟踪动态设定值的变化，而是在多种干扰和不确定的情况下，利用可测变量操作整个生产过程，使得经济效益最大。（Sebastian Engel，JPC，2007） 欧洲钢铁工业技术发展指南指出：“对于降低生产成本、提高产品质量、减少环境污染和资源消耗只能通过全流程自动控制系统的优化设计来实现”。(Charbonnier et al.欧洲钢铁工业发展指南，1999),3）提高企业知识生产力,现代管理之父杜拉克指出:“知识生产力将日益成为一个国家、一个产业、一家公司的竞争实力的决定性因素”，“无论什么
8、传统产业，之所以能发展壮大，就是因为它们围绕知识和信息进行了重组” 。采用自动化技术，围绕着产品、工艺的设计和产品的生产制造过程的信息和知识，对产品设计、制造等全过程进行重组，将优秀的设计、制造、管理等方面的经验、专有技术和知识提炼和融合到综合自动化系统中，提高企业知识生产力。,2. 研究现状,2.1 过程控制技术 2.2 生产过程管理技术 2.3 优化控制技术,1)优化控制的内涵 生产工序过程优化控制 性能指标：工艺指标产品在工序加工过程中的质量、效率 目标：使实际工艺指标进入目标范围内 生产全流程优化控制 性能指标：综合生产指标产品质量、产量、成本和消耗 目标：使实际综合生产指标进入目标范
9、围内,石化行业基于模型预测控制的在线 动态优化控制方法（Nath，Comp. Chem. Engr., 2000） RTO + MPC（S. Engell，JPC, 2007） 采用生产调度、实时优化、模型预测控制和SISO控制器四层结构（N.L. Ricker, J. Lee, Comp. Chem. Engr. 1995，M. Mercangoz, F. J. Doyle，JPC，2007）,2) 优化控制的研究现状,过程工业企业全局优化计算模型与算法(宾夕法尼亚州基础技术联盟的资助(2005.7.1-2007.6.30) ) 组成： 5位教授， 7名博士生 卡内基梅隆大学Larry Bi
10、egler, Ignacio Grossmann, John Hooker 里海大学Jeff Linderoth 匹兹堡大学Andrew Schaeffer 合作企业 ABB、Air Products and Chemicals、BP America、Dow Chemical、ExxonMobil、NOVA Chemicals等6家化工企业 研究计划、调度、实时优化和库存控制的集成 连续过程和批次过程的计划与调度及其优化 企业全局优化和供应链管理 过程控制和参数估计的优化策略 自适应控制和在线参数估计 控制系统软件和操作程序的验证 ,其他流程行业 过程单元的控制系统的性能指标与工艺指标相同，常
11、规优化控制技术（Smets，JPC，2004；Hrovat，Automatica，1997） 生产预处理，工艺经验模型、开环设定 具体的生产过程，如冶金工业过程的热轧层流冷却和步进式加热炉，提出了由底层控制与上层监控两层结构组成的基于工艺指标的集成优化控制方法（Chai，Plenary Lecture,PSLCA，1998；Li，IEEE_CSM,2001；Guan, IEEE T_CST,2001; Wang, CEP,2004）具有综合复杂性的生产过程模型预测控制技术难以应用缺乏全流程优化控制技术,过程控制、过程优化、生产调度、企业管理和经济决策五层结构的综合自动化系统(Theodore
12、J. Williams,1989),2.4 综合自动化系统结构,过程稳定化、过程优化、过程管理三层结构组成的选矿生产过程自动化系统(Houseman, et al. 2001),基于企业资源计划（ERP）/制造执行系统（MES）/过程控制系统（PCS）三层结构的金矿企业综合自动化系统 (柴天佑、金以慧等, 2003),由生产过程管理系统、过程控制系统、综合生产指标优化系统组成的选矿过程智能综合自动化系统 (柴天佑, 2006，Journal of Measurement and Control),经理,生产制造过程,以生产控制指挥中心为实现方式的综合自动化系统,控制层 智能过程控制技术（解决P
13、ID控制器不能投入运行的复杂工业过程的控制难题） 监控层 适合具有综合复杂性工业过程的模型预测控制技术 工艺指标优化控制技术 全流程控制 全流程优化控制技术 生产过程健康维护与安全运行技术 生产过程管理 以生产计划调度为主线，价值链为核心的一体化技术 协同化、绿色化、标准化MES 系统结构 实现综合生产指标优化和管理扁平化的综合自动化系统的体系架构和设计技术,3. 流程工业综合自动化发展趋势与关键技术,3.1 发展趋势,3.2.1 一体化过程控制技术,1）一体化过程控制的内涵,ERP、MES与PCS之间的关系综合生产指标与控制动作之间的关系一体化过程控制发展趋势,3.2 关键技术,将用户需求、
14、合同和特殊技术要求转化为工业生产过程自动控制系统工艺细节的技术，以保证达到所要求的产品的微观组织和最终性能符合客户需求（欧洲钢铁工业技术发展指南，1999）,一体化过程控制的内涵,将与产品的质量、产量、成本、消耗等相关的综合生产指标自动转化为流程工业生产过程各工序自动控制系统参数，从而保证加工后产品的微观结构和最终性能符合客户需求，最终实现综合生产指标优化的高技术,一体化过程控制系统的体系结构与设计方法以综合生产指标为目标的执行层和控制层的不同尺度闭环控制技术生产全流程优化控制技术全流程建模技术生产全流程虚拟制造技术,2) 一体化过程控制研究内容,3.2.2 流程工业智能化MES,1）MES的
15、发展过程,MRP：物料需求计划系统 MRP：MRP车间报表管理系统、采购系统等 ERP：企业资源计划 DRP：配置资源计划系统 SCM：供应链管理 SCADA: 过程监控和数据采集系统,2）MES的功能模型,协同的MES功能模型,流程工业MES功能模型结构图,国际MES的发展趋势 MES作为协同制造的必要组成部分，朝协同的方向发展 以MES为核心，向制造业中各个系统之间的经营过程延伸的制造企业整体解决方案正在形成。因此，MESA改名为制造企业解决方案协会 MES向标准化发展，如ISA发布的SP95系列标准 实现以敏捷制造和企业全局优化为目标的智能化MES将成为MES新的发展方向 我国MES的发
16、展趋势 以实现节能降耗为目标的流程工业MES 以实现设计、制造、管理一体化的集成制造为目标的离散制造业MES,3）MES的发展趋势,4）流程工业MES的关键技术,生产计划与调度一体化系统体系结构与设计方法 预测与反馈相结合的计划与调度智能优化技术 以降低资源消耗为目标的能流、物流综合平衡与协调控制技术 以提高产品质量为目标的产品在加工过程中的性能预测与监控技术 以安全运行为目标的故障预警与设备智能维护技术 以优化运行为目标的智能化生产控制指挥与运行管理平台技术 基于行业知识的MES标准化技术和组件化开发技术,工业过程综合自动化是使我国企业处于世界先进行列的使能技术 综合自动化的内涵 关键技术 一体化过程控制技术 流程工业智能化MES,4. 结 论,谢 谢 ！,
