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1、2023/8/24,1,1.1 工业生产过程系统概述,过程控制系统第一章（1）,过程控制系统,1.2 流程工业生产过程自动化的 发展概况和趋势,2023/8/24,2,1.1节内容要点,工业生产过程系统的分类 按生产过程操作性质的分类（美国ISA）从控制的角度的分类 流程工业生产过程系统及其特点流程工业在国民经济中的地位,过程控制系统,2023/8/24,3,一、工业生产过程系统的分类(1),生产工艺流程固定原材料、中间产物和最终产品皆为流体生产过程长期连续不断运行连续操作：原料不断地从设备一端送入，产品不断从另一端送出。,过程控制系统,按生产过程操作性质的分类（美国ISA）连续操作生产过程,
2、半连续和间歇（批量）操作生产过程,离散操作生产过程,例：能源工业（发电过程）、石油化工（炼油过程）、化工（化肥生产）、污水处理等,2023/8/24,4,一、工业生产过程系统的分类(2),按生产过程操作性质（美国ISA）半连续和间歇（批量）操作生产过程 频繁开车、停车，切换操作条件原材料固定的生产装置不同品种产品 例：造纸、特殊化工和轧钢工业原材料（配方）变化固定或变化的生产装置不同种类产品间歇操作：每次操作之初向设备内投入一批物料，经过一番处理后，排除全部产物，再重新投料。例：制药工业和食品工业 离散操作生产过程固体状态的原材料不同加工步骤完成产品组件组装生产线 最终单件产品例：机械制造工业
3、、汽车工业、仪器仪表工业、家电工业,2023/8/24,5,一、工业生产过程系统的分类(3),从控制的角度的分类连续型 被控量 基本控制原理 控制系统组成（T P F L 过程的 PID定值控制 一次仪表：商品化传感器成分 物性）六大参数 二次仪表：变送器、显示仪（过程控制系统）（数字）调节器、执行器、DCS离散型（运动控制系统、顺序控制系统）加工过程的位移、速 随动反馈控制 商品化传感器、检测元件度、加速度等参数 电力电子元件、数控装置、PLC混合型 上述两种类型皆有的生产过程，因此含有两种控制系统。例：啤酒生产过程发酵过程（连续型）+罐装成瓶（离散型）,2023/8/24,6,二、流程工业
4、(生产过程系统)及其特点(1),1.流程工业的生产特征*连续流动的物质流（以及相应的能量流和信息流）*具有传热、传质、生物、化学或物理反应的加工过程*产品失去了原材料的原有性质（发生相变或分子结构等变化）2.流程工业控制方面的特点生产过程的复杂性决定了对其控制的困难性挑战与潜力过程的苛刻的生产环境要求控制绝对保证生产的安全性 故障预报与诊断、安全监控系统以及联锁保护系统生产过程的长期连续运行要求生产控制与管理实时性和整体性或 综合性协调控制达到全局优化 必须采用集成和智能的控制理论与技术,2023/8/24,7,二、流程工业(生产过程系统)及其特点(2),3.流程工业生产过程系统研究内容：过程
5、的描述、模拟、仿真、设计、控制与管理；研究目的：改进生产工艺操作 提高自动化水平 优化生产过程 管理与决策科学化实现的目标：生产过程的低消耗、高质量、高效益 和高柔性。,过程控制系统,2023/8/24,8,三、流程工业在国民经济中的地位,流程工业的广泛范围和举足轻重地位 全球500强企业中，流程工业企业有70余家，占15%，其营业收入占总收入的16.5%；1991年以来，我国公布的产品销售额排名前十名中，约80%90%属于流程工业企业；按利润排名的前二十名中，流程工业企业约占70%；我国流程工业企业年产值占全国企业年总产值的66%。,过程控制系统,2023/8/24,9,1.2节 流程工业生
6、产过程自动化的发展概况和趋势,从自动化孤岛模式到CIPS的发展历程 简单和复杂控制系统阶段 50年代及以前 现代和先进控制系统阶段 60至80年代 智能控制和 CIPS阶段 90年代以来 结论CIPS的体系结构,过程控制系统,2023/8/24,10,简单和复杂控制系统阶段 50年代及以前 控制理论 经典 控制水平、系统设计方法 复杂过程人为分解为若干SISO简单过程 依靠手工和经验实现单回路分散控制；后期出现了串级、前馈、Smith预估等复杂 控制系统；控制目标 安全、平稳（少出事故）控制工具 常规仪表 气动电动，基地式单元组合式,从自动化孤岛模式到CIPS的发展历程(1),过程控制系统,2
7、023/8/24,11,从自动化孤岛模式到CIPS的发展历程(2),现代和先进控制系统阶段 60至80年代现代控制理论的产生背景和内容应用现代控制理论取得的成就现代控制理论的发展和控制策略的探索电子数字计算机及其集中控制系统的试验应用现代控制理论应用于过程控制遇到的挑战和问题两个重要的进展70年代中期开始出现了适合于工业自动化的控制计算机商品化系列DCS诞生并迅速发展，为实现高水平自动化提供了技术工具；先进控制系统出现，70年代后期最有影响的一类先进控制MPC克服现代控制理论与工业应用之间的不协调，获得较广泛应用和发展，成为过程控制领域最有前途的先进控制策略。,过程控制系统,2023/8/24
8、,12,从自动化孤岛模式到CIPS的发展历程(3),智能控制和 CIPS阶段 90年代以来*第三代控制理论智能控制理论产生的客观原因 复杂工业过程难以建立精确数学模型，满足控制要求；,过程控制系统,现有的控制策略的性能甚至比不上好的操作工控制的性能；生产过程的控制目标要求显著提高；*智能控制理论的发展与应用 专家控制 模糊控制 神经元网络控制,2023/8/24,13,从自动化孤岛模式到CIPS的发展历程(4)智能控制和 CIPS阶段(续1)90年代以来,（流程工业）计算机集成过程系统CIPS诞生的前提条件：*控制科学与技术与其他学科交叉渗透形成了智能控制理论；*控制工具取得重大变革，特别是9
9、0年代末第四代DCS推出，其技术特点包括全数字化、信息化和集成化。FCS技术成为研发热点（见书P9）世界范围内的能源危机、市场剧烈竞争；工业生产规模更趋庞大、设备更新换代；提高生产产量、质量，降低(原料、能源)消耗，降低成本高效益 的要求。*现代控制理论和实践（非线性、分布参数、随机控制、容错控制 等）的新进展，以及系统工程、大系统理论等的发展。促使生产过程自动化水平发生巨大变革 CIPS诞生,过程控制系统,2023/8/24,14,智能控制和 CIPS（流程工业CIMS）阶段(续2)90年代以来 CIPS是CIM在流程工业中的应用系统,从自动化孤岛模式到CIPS的发展历程(5),CIM是一种
10、组织、管理、与运行企业生产的新哲理，于1973年由美国学者约瑟夫哈林顿博士在Computer Integrated Manufacturing一书中首先提出。它包括两个基本观点：*企业生产的各个环节(即从市场分析、合同、生产计划管理、产品开发、生产指挥、产品设计、加工制造、质量控制、经营管理直到售后服务的全部市场活动）形成了一个不可分割的整体，它们彼此紧密相连，单一的市场活动都应在企业整个框架下作统一的考虑；*整个生产过程实质上是一个数据的采集、传递和加工处理的过程，最终的产品可以看成是物化的数据。（可通过IT技术实现企业全部 活动的信息集成，并强化利用使企业获得最大的效益）。,过程控制系统,
11、2023/8/24,15,从自动化孤岛模式到CIPS的发展历程(6),智能控制和 CIPS（流程工业CIMS）阶段(续3)90年代以来CIPS 的定义：是一个具有下列属性：技术基础：基于现代化管理技术、生产技术、信息技术、自动化技术和系统工程技术 等；支撑环境：计算机网络系统和数据库系统；多种功能：经营决策、管理、生产调度、过程监控和设备控制；能迅速适应生产环境不确定性和市场需求多变性，实现生产过程全局优化，达到生产低消耗、高质量、高效益和高柔性目标要求的智能生产复杂大系统。,2023/8/24,16,从自动化孤岛模式到CIPS的发展历程(7),智能控制和 CIPS（流程工业CIMS）阶段(续
12、4)90年代以来 CIPS是流程工业自动化发展的必然趋势。CIPS在国内外研究、开发和应用的概况*体系结构模型的研究，例如Purdue CIM参考模型；*国外计算机软硬件公司的构成CIM的计算机网络系统和数据库系统、开发平台等系统和产品的开发；*国外企业实施CIPS工程的情况：见书P11*国内企业实施CIPS工程的情况：1986年863/CIMS主题提出，首先在离散工业实施CIMS工程，取得了国际同行的认同；接着在此基础上开始在流程工业典型企业开展CIPS试点工作，也获得了初步的效果。,过程控制系统,2023/8/24,17,从自动化孤岛模式到CIPS的发展历程(8),1.简单和复杂控制系统阶
13、段 50年代及以前2.现代和先进控制系统阶段 60至80年代3.智能控制和 CIPS阶段 90年代以来*4.结论 生产过程本身的变革及其性能要求的提高促进了生产过程自动化的发展；控制理论和技术工具的新成就为实现生产过程的控制和管理目标提供了可靠保证。生产过程自动化已进入CIPS时代或综合自动化时代，生产过程自动化的范围大大扩展，已经突破单机自动化孤岛模式，转向CIPS模式。,过程控制系统,2023/8/24,18,1.2.2 CIPS的体系结构,按功能划分的五层体系结构模型经营决策层：依据企业内部和外部信息对企业产品策略、中长远目标、发展规划和企业经营等提供决策支持；生产管理层：细分为经营、生产和人文管理。对厂级、车间、各科室的生产和业务信息实现集成管理，并依据经营决策指令制定和落实年、季、月综合计划。生产调度层：依据下达的综合计划完成生产计划分解，同时根据生产的实际情况形成调度指令，及时地指挥生产，组织日常均衡生产和处理异常事件。过程监控层：根据调度指令实现生产过程操作优化、先进控制、故障诊断、过程仿真等功能，根据生产工况信息和调度指令形成优化设定值下达给过程控制层；过程控制层：采用DCS或PLC等实时系统完成生产过程的监测和常规控制。按功能划分的三层体系结构模型,
