一  工業(yè)過程控制的背景

    工業(yè)過程控制技術(shù)產(chǎn)品主要包括各種工業(yè)控制軟件、硬件系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計，涉及上述領(lǐng)域的控制系統(tǒng)產(chǎn)品國內(nèi)需求達(dá)500億元以上。如此巨大的市場，吸引著眾多國內(nèi)外企業(yè)的注意力，如Honeywell、ABB、西門子、橫河電機(jī)、西屋電器、富士電機(jī)、貝利等早已在中國市場站穩(wěn)腳跟，并且占據(jù)了很大的市場份額。

    隨著計算機(jī)、工業(yè)自動化、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)管理和工業(yè)生產(chǎn)控制中的廣泛應(yīng)用，向先進(jìn)控制、過程優(yōu)化、生產(chǎn)管理要效益，已成為企業(yè)工程技術(shù)人員和經(jīng)營管理人員的共識。

    ⑴要保持過程控制工業(yè)在全球的銷售實力，就要保持更低的人價格和更可靠的服務(wù)，必須不斷將先進(jìn)的信息技術(shù)融合到生產(chǎn)過程中。
  
    據(jù)調(diào)查，國外石油化工企業(yè)每年至少要降低3%的成本才能保持盈利。在過程控制中采用先進(jìn)的控制方案，可平均降低15%的制造成本。美國杜邦公司通過改進(jìn)控制方案，一年估計節(jié)省5億美元。人們開始認(rèn)識到采用先進(jìn)控制與優(yōu)化能比采用DCS帶來更顯著的經(jīng)濟(jì)效益。因此，目前工業(yè)自動化已從單一生產(chǎn)設(shè)備、單一生產(chǎn)流程的控制，發(fā)展到整個生產(chǎn)線的先進(jìn)與優(yōu)化控制。

    ⑵正在探索的大量新技術(shù)領(lǐng)域，如材料生物學(xué)的納米技術(shù)、薄膜加工的微集成系統(tǒng)的設(shè)計、供應(yīng)鏈管理和企業(yè)資源配置等也需要新的控制方法，以保證其獲得成功。

    ⑶生產(chǎn)過程中使用反饋控制能提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低材料和能源的消耗、減少對環(huán)境的影響、提高安全性、降低成本，從而，在全球經(jīng)濟(jì)中更具競爭力。

    在工業(yè)過程自動化軟件方面，國內(nèi)外競爭最激烈的要算實時監(jiān)控軟件平臺、先進(jìn)控制和過程優(yōu)化。

二  實時監(jiān)控軟件平臺

    實時監(jiān)控組態(tài)軟件作為數(shù)據(jù)收集處理、遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心，已經(jīng)成為工業(yè)應(yīng)用軟件的一個重要組成部分。自上世紀(jì)80年代初發(fā)展至今，該技術(shù)已較成熟，市場上活躍著各大廠商，國產(chǎn)組態(tài)軟件也已形成品牌之勢。隨著用戶對多樣化、智能化和實時需求的日益高漲，監(jiān)控組態(tài)軟件逐步走向開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、系統(tǒng)性、導(dǎo)向性，并向上下兩端發(fā)展，成為工廠信息化的核心技術(shù)。

    在這些以企業(yè)經(jīng)營和生產(chǎn)管理的緊密集成成為目標(biāo)的大型企業(yè)應(yīng)用軟件中，對生產(chǎn)過程的集成、監(jiān)控、管理是整個應(yīng)用軟件體系的基礎(chǔ)和平臺。因此，一種能夠網(wǎng)絡(luò)化集成監(jiān)控所有自動化設(shè)備的新型實時監(jiān)控軟件平臺已經(jīng)成為國內(nèi)外自動化廠商開發(fā)的方向。

    使用這種新型實時監(jiān)控軟件平臺能實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)的以下需求：

    ⑴集成監(jiān)控管理現(xiàn)存的和即將應(yīng)用的自動化控制設(shè)備，逐步消除工廠內(nèi)各不相同的專有技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議所產(chǎn)生的平良效果；

    ⑵降低自動化系統(tǒng)的總體投資成本，并最大程度上保護(hù)在現(xiàn)有自動化系統(tǒng)上的投資；

    ⑶滿足工廠生產(chǎn)過程控制從單機(jī)生產(chǎn)到聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)的需要，最終提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益；

    ⑷使全廠實時生產(chǎn)過程信息進(jìn)入企業(yè)內(nèi)所有計算機(jī)平臺，滿足企業(yè)對生產(chǎn)更深入、更及時地管理；

    ⑸提供開放、標(biāo)準(zhǔn)的方式或方法，使得先進(jìn)控制軟件（APC）、生產(chǎn)調(diào)度軟件能方便的開放；

    ⑹統(tǒng)一自動化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，為將自動化系統(tǒng)最終融入信息管理系統(tǒng)提供條件和可能；

    ⑺充分利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、Internet/Intranet技術(shù)，使得生產(chǎn)管理人員和現(xiàn)場操作人員能在任何地方對機(jī)器、生產(chǎn)過程乃至工廠生產(chǎn)管理進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

    現(xiàn)在，國外商品化的實時監(jiān)控軟件正在全力朝這個方向發(fā)展，典型的產(chǎn)品有美國Intellution公司的FIX Dynamics軟件、Wonderware公司的inTouch軟件、以色列車PCSoft國際公司的WizCon軟件、澳大利亞Citect軟件、法國ARC公司的Pcvue32軟件等，這些軟件大都已經(jīng)或多或少地進(jìn)入中國市場。

    國內(nèi)目前已具人相當(dāng)基礎(chǔ)，國產(chǎn)實時監(jiān)控軟件平臺在圖形界面上已具有相當(dāng)國外水平，以協(xié)外實時監(jiān)控軟件已形成威脅。

    下表是國內(nèi)外主要商品化實時監(jiān)控軟件平臺的市場銷售情況一覽表。

    中國國內(nèi)各行業(yè)每年的實時監(jiān)控軟件市場的總裝機(jī)容量已達(dá)到2萬套，實時監(jiān)控軟件平臺產(chǎn)品的每年總價值已經(jīng)達(dá)到40億元人民幣，并以高于國際平均水平的速度快速增長。

三  先進(jìn)過程控制（APC）軟件

    1，工業(yè)過程控制的發(fā)展

    在80-90年代，多變量控制特別是基于模型預(yù)測控制的多變量優(yōu)化控制得到迅速發(fā)展，近幾年，已用于處理大規(guī)模的過程控制問題。

    ⑴基于模型預(yù)測控制的多變量優(yōu)化控制，在存在控制約束和狀態(tài)約束的工業(yè)過程中已成為一種標(biāo)準(zhǔn)的窮折騰技術(shù)。模型預(yù)測控制在在線計算控制量時，明確地考慮了這些約束。

    ⑵在2000年據(jù)控制廠商報道，模型預(yù)測控制已有5000多例，包括煉油、石化、紙漿和造紙、空氣分離、食品加工、煉鋼、航空和汽車。

    然而，這并不表明所有過程控制的問題已解決了。最具挑戰(zhàn)性的化工和材料加工等過程工業(yè)還需新的控制技術(shù)來解決所有問題。

    采用先進(jìn)控制，可以處理各種約束，可以把各種要求以性能指標(biāo)的形式結(jié)合到控制中加以考慮，以提高控制的動態(tài)質(zhì)量。動態(tài)控制的質(zhì)量高，上層優(yōu)化級就可以將工作點(diǎn)設(shè)置到臨近約束邊界，從而進(jìn)行卡邊生產(chǎn)，在保證安全性的同時使經(jīng)濟(jì)效益大大提高。理論和實踐都證明，只要設(shè)計合理，先進(jìn)控制完全可以取得明顯優(yōu)于常規(guī)控制的實際效果。

    從目前先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用的情況看，在今后的幾年內(nèi)，預(yù)測控制、模糊控制、魯棒控制、智能控制、自適應(yīng)控制、軟測量等將社會成為先進(jìn)控制技術(shù)的軟件發(fā)展主流，將對我國冶金、煉油、化工、造紙、制藥、石化等行業(yè)的技術(shù)改造、技術(shù)進(jìn)步起到積極的推動作用。

    國外從70年代末80年代初就開始先進(jìn)控制技術(shù)的商品化軟件開發(fā)及應(yīng)用，在DCS的基礎(chǔ)上實現(xiàn)優(yōu)化控制和先進(jìn)過程控制。在控制算法上，將控制理論研究的新成果，如多變量約束控制、各種預(yù)測、推斷控制和估計、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制和軟測量技術(shù)等應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程并取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。目前國外，特別是美國、加拿大、歐洲等國已有SetPoint、Adersa、Aspen、Tech、Treiber Controls等公司開發(fā)出適合于實時控制與優(yōu)化的多變量先進(jìn)控制和實時在線優(yōu)化的商品化工程軟件，大量推向市場，在上千家大型石化、化工、煉油、冶金等企業(yè)獲得成功應(yīng)用，取得巨額利潤。
    
    2，先進(jìn)控制軟件中的預(yù)測控制等技術(shù)具有誘人的市場價值

   應(yīng)用預(yù)測控制等先進(jìn)控制軟件可以提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及生產(chǎn)質(zhì)量；通過優(yōu)化實現(xiàn)“卡邊”控制提高產(chǎn)品的質(zhì)量；通過采用故障時的后備操作來提高控制系統(tǒng)的可靠性和有效性，縮短故障停產(chǎn)時間；產(chǎn)生最大限度的利潤。這對于市場巨大的大系統(tǒng)和裝置，無論是新建項目還是技改傳統(tǒng)項目，都有著誘人的市場價值。據(jù)資料統(tǒng)計，國外比較著名的先進(jìn)控制軟件包已有2233套得到應(yīng)用，可見市場之大。

    許多國外PLC、DCS公司的產(chǎn)品在控制功能上已附有仿人智能控制、模糊控制、專家控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制等已被實踐證明是解決日益復(fù)雜問題的智能控制技術(shù)。這些方法已成功地用于石化、冶金等工業(yè)領(lǐng)域，取得了十你好可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

    據(jù)不完全統(tǒng)計，我國石化、冶金等工業(yè)領(lǐng)域的過程自動化，每年需要預(yù)測控制、魯棒控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等先進(jìn)控制軟件約1500套。大量復(fù)雜的工業(yè)過程還需要智能控制、模糊控制、專家控制、補(bǔ)綴網(wǎng)絡(luò)控制等人工智能技術(shù)。這種與AI技術(shù)相結(jié)合的先進(jìn)控制，一旦實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將對我國各行各業(yè)的應(yīng)用產(chǎn)生重大作用，對提高產(chǎn)品質(zhì)量和國際競爭力具有十分重要的意義。

    3，先進(jìn)控制軟件中的軟測量等技術(shù)具有驚人的市場

    先進(jìn)控制軟件中的軟測量技術(shù)的使用不僅提高控制品質(zhì)，而且可以省去一些昂貴的在線分析儀表、遠(yuǎn)紅外分析儀、質(zhì)譜儀、紙漿硬度分析儀、黑液濃度測試儀、辛烷值分析儀和油品特性分析儀等，這些儀表目前一般依賴進(jìn)口費(fèi)用從十幾萬—幾十萬美元/臺。成功的軟測量控制軟件不僅能為化工、造紙、生化、冶煉等行業(yè)節(jié)省每年上千萬美元的外匯，還能診斷設(shè)備故障、控制產(chǎn)品質(zhì)量、促進(jìn)企業(yè)提高效益。

    先進(jìn)控制軟件中的數(shù)據(jù)校正技術(shù)可以充分收集利用、優(yōu)化、評估一切有價值的原始數(shù)據(jù)，提高現(xiàn)有企業(yè)在同等技術(shù)條件下的數(shù)據(jù)集成質(zhì)量，有廣泛的應(yīng)用前景。

    故障診斷和容錯控制技術(shù)可以提高控制系統(tǒng)的可靠性，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本有實際意義。這一技術(shù)可以用于我國市場龐大的傳統(tǒng)行業(yè)的技術(shù)改造、技術(shù)裝備創(chuàng)新，特別對研究和開發(fā)工業(yè)生產(chǎn)過程的高可靠性控制系統(tǒng)有推動作用。同時，結(jié)合人工智能技術(shù)，從可靠性理論出發(fā)，開發(fā)提高裝備作業(yè)率、增加產(chǎn)量、改善質(zhì)量和減少維護(hù)費(fèi)用為目的的設(shè)備管理的設(shè)備診斷系統(tǒng)，可以獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益，有著廣泛的應(yīng)用前景。

    據(jù)調(diào)查，我國石化、冶金等工業(yè)領(lǐng)域，在信息管理系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)中，每年需要軟測量、數(shù)據(jù)校正、故障診斷和容錯控制技術(shù)2000套。

    4，先進(jìn)控制軟件中的專用系統(tǒng)軟件具有巨大的市場容量

    先進(jìn)控制技術(shù)的軟件開發(fā)具有很強(qiáng)的實際應(yīng)用背景。從實際控制對象出發(fā)，針對不同工業(yè)系統(tǒng)中的不同裝置和過程，建立各種工業(yè)過程的動態(tài)數(shù)學(xué)模型、軟測量模型、研究開發(fā)應(yīng)用相應(yīng)的先進(jìn)控制應(yīng)用軟件，將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，有著巨大的國內(nèi)外市場。
    
    據(jù)調(diào)查，我國鋼鐵、煉油、石化、化工、化肥、造紙、生化、環(huán)境等工業(yè)領(lǐng)域中，典型的關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵過程，全部開發(fā)完成先進(jìn)控制專用應(yīng)用軟件，每年的需求量將達(dá)到12000—15000套。

四  過程優(yōu)化軟件

    過程優(yōu)化是工業(yè)自動化的核心技術(shù)之一，它通過生產(chǎn)裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行和優(yōu)化操作使生產(chǎn)計劃高效地實施。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，首先需要獲取正確反映生產(chǎn)裝置狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)校正技術(shù)，分析、綜合出產(chǎn)品質(zhì)量、裝置能力及狀況、能源消耗、故障報警信息，實現(xiàn)質(zhì)量監(jiān)控、故障診斷和安全管理，同時，利用流程模型和裝置狀況，進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)計劃的優(yōu)化調(diào)度，以最少的能耗、最高的安全性或最大的產(chǎn)品效益，確定各個生產(chǎn)裝置的負(fù)荷并通過靜態(tài)實時優(yōu)化向先進(jìn)控制層提供最優(yōu)操作條件。

    1，過程優(yōu)化組成

    過程優(yōu)化層主要由七大軟件產(chǎn)品組成：數(shù)據(jù)校正、質(zhì)量監(jiān)控、故障診斷、生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化、靜態(tài)實時優(yōu)化、生產(chǎn)信息綜合集成平臺。

    過程優(yōu)化軟件是實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)節(jié)能、降耗、安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)和增加效益的重要工具。國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界對此非常重視，國外80年代起已逐步出現(xiàn)流程模擬、生產(chǎn)計劃調(diào)度優(yōu)化、數(shù)據(jù)校正、統(tǒng)計質(zhì)量控制和靜態(tài)優(yōu)化商品化軟件，90年代以來，各類商品化軟件的功能日益完善，在不同計算機(jī)硬件、網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫平臺上的的通用性進(jìn)一步加強(qiáng)，針對特定工業(yè)過程優(yōu)化軟件的工程服務(wù)受到廣泛的重視，工程服務(wù)水平和用戶參與程度已成為優(yōu)化軟件應(yīng)用成敗的重要因素。90年代后期，國外的軟件廠商除了不斷擴(kuò)展各應(yīng)用軟件的功能，還十分重視各應(yīng)用軟件的綜合集成和相互組合，既有大公司（如AspenTech）力圖提供過程優(yōu)化層全面軟件產(chǎn)品，也有多家軟件企業(yè)提供富有特色的專用優(yōu)化軟件。今后發(fā)展趨勢是進(jìn)一步提供優(yōu)化軟件的工程適用性，提供Internet遠(yuǎn)程維護(hù)，為綜合集成商提供即插即用式應(yīng)用軟件和面向目標(biāo)的圖形化軟件組態(tài)界面。但是各種優(yōu)化軟件在功能上都因若干技術(shù)的難點(diǎn)而不夠完善，市場需要功能更優(yōu)的優(yōu)化軟件出現(xiàn)。

    我國工控界近20年來在靜態(tài)優(yōu)化、質(zhì)量控制、故障診斷、數(shù)據(jù)校正方面進(jìn)行了許多理論研究和應(yīng)用開發(fā)，但均未形成商品化的優(yōu)化軟件離高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化更有一定距離。其原因是優(yōu)化軟件的研究開發(fā)者尚未找到發(fā)展軟件企業(yè)的運(yùn)行模式；優(yōu)化技術(shù)的理論與工程應(yīng)用研究自身水平有待提高；用戶企業(yè)的基礎(chǔ)自動化程度、管理模式和經(jīng)營觀念限制了過程優(yōu)化軟件的市場空間。

    2，過程優(yōu)化軟件技高一籌

    過程優(yōu)化是工業(yè)過程自動化的核心技術(shù)之一，它通過生產(chǎn)裝置和安全平穩(wěn)運(yùn)行和優(yōu)化操作使生產(chǎn)計劃高效地實施。目前國際許多工業(yè)過程都強(qiáng)調(diào)過程在線優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)效益，德國OPTILM及英國ICL公司都不能報道了乙烯裝置及氣體分離裝置使用在線優(yōu)化技術(shù)取得的成果。英國KBC過程技術(shù)公司采用了煉廠仿真系統(tǒng)及優(yōu)化器實現(xiàn)了全廠實時優(yōu)化，可在先進(jìn)控制基礎(chǔ)上再增加經(jīng)濟(jì)效益10—25美分/每桶加工量，據(jù)國外權(quán)威軟件公司估計，實現(xiàn)在線優(yōu)化的工業(yè)過程，增加收益的典型值為裝置產(chǎn)量的3—5%。開發(fā)在線優(yōu)化技術(shù)已成為一種特有的高技術(shù)智力產(chǎn)業(yè)，具有廣闊的市場前景。以我國石化企業(yè)為例，據(jù)測算，現(xiàn)有1000套生產(chǎn)裝置，其中已有400套具有DCS系統(tǒng)，可作為在線優(yōu)化的軟、硬件基礎(chǔ)。如果每套在實現(xiàn)在線優(yōu)化后，其利潤可提高3-5%，相當(dāng)于500—600萬元的經(jīng)濟(jì)效益，則在400套裝置實現(xiàn)在線優(yōu)化的年增長效益將達(dá)到20—24億元左右。

                                                                            邵慧鶴 教授