• 早期生产过程操作与控制实施中主要由人来完成，造成金字 塔式管理结构
董事会 总经理
生产副总 计划部 分厂经理 计划调度部
生产车间 作业班
… … … …
副总 其他管理部门 其他分厂经理
…
其他管理部门
生产车间 作业班
…
计划调度部
生产车间
…
其他管理部门
生产车间 作业班
…
…
作业班
…
生产过程
• 关键问题是如何构建综合自动化系统来实现扁平化管理和综 合生产指标优化
– 通过全流程优化控制和计划与调度实现综合生产指标分解与协调研 究甚少
1.3 主要工作
• • • 实现综合生产指标优化的混合智能控制方法 工业过程智能综合自动化系统 成功应用于中国最大的赤铁矿选矿生产过程， 取得明显应用成效
2. 工业生产过程控制与管理流程
• 生产过程管理与控制流程图
综合生产指标
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
ERP (Enterprise Resource Planning) MES (Manufacturing Execution System)
(柴天佑、金以慧等, 2003)
PCS (Process Control System)
4.1.2
原矿
工艺流程图
精矿库 粉矿
精矿
强磁选 过程 磨矿 尾矿 精矿 精矿 脱水 过程 弱磁选过 程 尾矿
精矿处
理过程
矿石
处理 块矿 有用 矿石
焙烧 废石 废石山
尾矿处 理过程
尾矿坝
尾矿
图
铁矿选矿生产过程流程图
• 选矿生产的主要过程
矿石处理 输入: 原矿石
设备: 振动筛, 皮带运输与卷扬系统
输出: 粉矿和块矿 竖炉焙烧
Computer support system
relational database
quality produc- energy
production managescheduling ment
technical indices Optimal control system optimal setpoints on-off instruction of the equipment
–
–
–
–
行、原料、质量的生产计划 调度部门将生产计划分解为原料、能源、设备运行及检修、产量作 业计划 生产过程管理部门接受质量、能源、成本、设备（运行、检修）生 产计划和原料、能源、设备（运行、检修）、产量作业计划，将其 转化为作业标准，下达给作业班 工艺技术部门接受质量、成本、产量生产计划和原料、能源、设备 （运行、检修）、产量作业计划，将其转化为工艺指标，下达给作 业班 作业班将作业标准变为生产指令，将工艺标准变为控制回路设定值 （包括工艺参数、给料量）；通过资源供应系统和过程控制系统来 操作与控制生产过程
资源 供应 系统
作业计划： 原料、能源、设备 （运行、检修）、 产量
质量(产品质量) 成本（生产成本） 产量
工艺 技术 部
过 控制回路 程 控 设定值 制 （工艺 系 参数、 给料量） 统
设备 起停 顺序
工 业 生 产 过 程
工艺指标
生产过程数据
• 生产过程管理与控制流程
– 经营决策部决定与质量、产量、成本和消耗相关的综合生产指标 – 计划部门将综合生产指标分解为产量、能源、成本、设备检修及运
成本 利润
生 产 计 划 部
产量、能 源、成本、 设备检修 及运行、 原料、质 量
调 度 部
作业计划： 原料、能源、设备 （运行、检修）、 产量
操 作 员 作 业 班 操 作 员 过 控制回路 程 控 设定值 制 （工艺 系 参数、 给料量） 统
质量(产品质量) 成本（生产成本） 产量
工艺 技术 部
生产计划
作业计划
生产 过程 管理 部
作业标准
生产过程数据 生产指令 资源 调配 水、 煤、 电、 气、 原料
质量、能源、成本、 设质量 成本 利润
生 产 计 划 部
产量、能 源、成本、 设备检修 及运行、 原料、质 量
调 度 部
操 作 员 作 业 班 操 作 员
控制回路设定值操作和控制生产过程
• •
综合生产指标优化系统由综合生产指标优化子系统、工艺指标优化子 系统和过程控制子系统三层结构组成 综合生产指标优化系统的功能将综合生产指标分解为生产计划、作业 计划、工艺指标、控制回路优化设定值
综合生产指标 生产计划
作业计划
工艺指标
优化设定值
经 营 决 策 部
产量 质量
踪
3.2
•
•
混合智能优化控制策略
将智能行为和常规控制方法相结合，提出如下图所示的混合智能优 化控制策略 该策略由综合生产指标智能优化、工艺指标智能优化和智能解耦控 制三层组成
综合生产指标优化目标值 (产品质量 产量 成本 工艺指标设定 模型 预测与反馈分 析调整模型 综合生产指标 预报模型
综合生产指标智能优化 工艺指标优化目标值 工艺约束 统计过程控制 软测量预报模型 智能优化设定 模型 预测补偿模型 故障诊断模型 反馈校正模型 工艺指标智能优化 优化设定值
经 营 决 策 部
产量 质量 成本 利润
生 产 计 划 部
产量、能 源、成本、 设备检修 及运行、 原料、质 量
调 度 部
操 作 员 作 业 班
资源 调配
资源 供应 系统
作业计划： 原料、能源、设备 （运行、检修）、 产量
设备 起停 顺序
过 程 控 制 系 统
工 业 生 产 过 程
ERP
MES
PCS
设备: 尾矿浓缩大井
输出: 浓缩尾矿
4.1.3 酒钢选矿厂主要设备
被控系统的主要设备共525台 矿石处理 : 99台: 振动筛、皮带运输与卷扬系统等 竖炉焙烧 : 89台: 22竖炉, 4 干选机等 磨 矿 : 77台: 15球磨机, 5分级机, 20旋流器等 68台: 15 磁选机等
强磁选 :
弱磁选 :
工业过程智能综合自动化系统
柴天佑
东北大学国家冶金自动化工程技术研究中心
提
1. 引 言
纲
2. 工业生产过程控制与管理流程
3. 智能综合自动化系统 4. 选矿生产过程的工程应用
5. 结
论
1.引
言
1.1 过程工业对实现综合生产指标优化的综合自 动化系统的需求不断增长
（1）国际工业界

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， 2003） 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，IFAC semi-plenary, 2005） 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（欧洲钢铁工业技术 指南，1999）
– 企业资源计划（ERP）主要完成经营决策部、生产计
划部确定综合生产指标，并按其制定生产计划（产量、
能源、成本、设备检修及运行、原料、质量等）的工 作
– 制造执行系统（MES）主要完成生产调度部、生产过
部管理部将生产计划变为作业计划、作业标准、生产 指令的工作
– 过程控制系统（PCS）根据作业班下达的生产指令和
实现综合生产指标优化的综合自动化系统成为过程控制 的新的研究方向
1.2 综合自动化系统的研究现状 1.2.1 系统结构的研究现状 过程控制、过程优化、生产
economic decision enterprise management production scheduling process optimization process control
调度、企业管理和经济决策五 层结构的综合自动化系统 (Theodore J. Williams,1989)
过程稳定化、过程优化、
过程管理三层结构组成的
process management process optimization
选矿生产过程自动化系统
(Houseman, et al. 2001)
process stabilization
浓缩脱水:
99台:中磁机8台，弱磁机41台
93台: 过滤机18台，真空泵18台等
• Photograph of the Factory
4.2 选矿过程综合自动化系统
4.2.1 系统结构
– 将智能综合自动化系统与选矿生产过程相结合，提出如下综合自动化系统
Optimal system of production indices
1.2.2 优化控制的研究现状
石化行业
– 静态优化控制（万百五， 1990） – 基于模型预测控制的在线 动态优化控制方法（Nath， 2000） – 提出了采用三层结构将生 产全流程中的多个模型预 测控 制器进行协调控制实 现全流程的优化方法（Lu， 2003，Qin，2003）
其他流程行业
– 停留在过程单元的优化控制，以控制系统自身的性能指标为 优化控制目标，要求优化指标能用控制系统的输入与输出的 精确数学模型来描述（Smets，2004；Hrovat，1997） – 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，1998；Li，2001；Guan,2001;Wang,2004） – 提出的方法只适合具体的工业过程，还没有形成流程工业的 全流程优化控制的一般理论与方法