生产流程成本控制.doc
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4、查找茬投稿收藏评论好文推荐打印社区分享从控制系统的观点描述-r生产制造全流程的控制与运行管理流程,分析了表征产品的质量、产量、成本、消耗等相关的综合生产指标与控制系统动作之间的联系,涉及的控制与优化的研究成果从基于数学模型、基于数据和基于模型 与数据相结合的角度综述r控制与优化方面的研究现状在此基础上分析,生产制造全流程优化控制对过程控制与运行优化、以及控制系统实现技术的挑战,分析,实现生产制造全流程优化控制廊开展的研究内容。 近年来,国内外日趋激烈的市场竞争使得工业生产制造企业对其能耗水平、生产效率、产品质量和生产成本等综合生产指标提出了更高的要求,以能耗指标为例,在我国国民经济体系中,工业
5、能耗占我国总能耗的70左右。据统计,我国工业单位能源消耗比发达国家高30以上能源紧张已逐步成为制约我国工业生产制造业可持续发展的瓶颈因素。鉴于此,节能降耗已成为我国国民经济战略的一项长期发展方针。我国国民经济和社会发展“十一五”规划纲要中提出“2010年单位国内生产总值能源消耗比十五期末降低20左右的目标”;纲要还提出,强化能源节约和高效利用的政策导向,加大节能力度;通过开发推广节能技术,实现技术节能。 我国制造业还面临着复杂多变的原料供应、日新月异的技术创新、瞬息万变的市场需求,处于更加激烈的国际竞争之中工业企业已经由过去的单纯追求大型化、高速化、连续化,转向注重提高产品质量、降低生产成本、
6、减少资源消耗和环境污染、可持续发展的轨道上来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”。十七大报告也明确指出“加强能源资源节约和生态环境;增强可持续发展能力”,“发展现代化产业体系,大力推进信息化与工业化融合,促进工业由大变强,振兴装备制造业,淘汰落后生产能力”。因此,信息化与工业化融合是提高我国制造业竞争力的必然选择。 工业过程综合自动化技术是信息化与工业化融合的关键,其内涵是
7、采用信息技术,围绕生产过程的知识与信息进行重组, 通过生产过程控制与运行管理的智能化和集成优化,提高企业的知识生产力,实现与产品质量、产量、成本、消耗等密切相关的综合生产指标的优化控制和实现企业管理的扁平化。综合自动化技术受到国际学术界和工业界的广泛关注。2005年的第十六届国际自动控制联合会世界大会特邀报告指出:“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,必须对控制、优化、计划与调度以及生产过程管理实现无缝集成”。欧洲钢铁工业技术发展指南指出:“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”。 综合自动化的前沿核
8、心技术是生产制造全流程优化控制技术,其内涵是在市场需求、节能降耗、环保等约束条件下,通过优化决策产生实现企业综合生产指标(反映企业最终产品的质鼍、产量、成本、消耗等相关的生产指标)优化的生产制造全流程的运行指标(反映整条生产线的中间产品在运行周期内的质量、效率、能耗、物耗等相关的生产指标)和过程运行控制指标(反映产品在生产设备(或过程)加工过程中的质量、效率与消耗等相关的变量),通过生产制造全流程运行优化和过程运行控制实现运行指标的优化控制,进而实现企业综合生产指标优化。 目前,我国生产制造全流程的运行控制采用金字塔式的人工操作方式,因此难以实现综合生产指标的优化控制,造成能耗高、产品质量差、
9、生产成本高、资源消耗大等问题为了适应变化的经济环境,节能降耗、提高产品质量和生产效率、降低成本、提高运行安全性、减少环境污染和资源消耗,必须实现生产制造全流程优化控制。因此,研究和开发符合国情的生产制造全流程优化控制系统势在必行。 由于全流程优化控制系统的被控对象由生产设备(或过程)变为整条生产线,其被控对象特性、控制目标、约束、涉及范围及系统的实现结构远远超出已有的控制理论和控制系统设计方法的适用范围,对工业过程控制与优化提出了新的挑战。 本文在分析了基于数学模型、基于数据和基于模型与数据相结合的过程控制与优化方面研究成果的基础上,描述了生产制造全流程优化控制对过程控制与运行优化以及控制系统
10、实现技术的挑战,指出了今后应开展的研究内容。1 过程控制与优化研究现状 11过程控制 过程控制所涉及的控制理论和控制系统设计方法的研究集中在保证闭环控制网路稳定的条件下,使被控变量尽可能地跟踪控制系统的设定值控制理论形成于20世纪40年代,与其他学科一样,源于社会实践和科学实践。二次大战期间,控制理论有了很大发展,1932年,Nyquist频域分析技术和稳定判据产生,以及1945年的实际应用的Bode图分析方法和求解闭环特征方程根的简单图解方法一根轨迹方法(1948年)的提出,标志着自动控制技术开始形成一套完整的、以传递函数为基础的控制系统分析和设计理论,主要研究单输入一单输出、线性定常控制系
11、统的分析和控制器设计问题,这种建立在频率法和根轨迹法基础上的控制理论,通常被称为经典控制理论,经典控制理论的局限性在于难以有效地应用于时变系统、多变量系统等。 20世纪50年代,随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机技术的发展与应用,为适应宇航技术的发展,控制理论有了重大突破和创新在此期间,Bellman提出了寻求最优控制的动态规划法,Kirk证明了极大值原理使得最优控制理论得到了极大发展。Kalman将状态空间法引入到系统与控制理论中来,并提出了能控性、能观性的概念和新的滤波理论。这些构成了以状态空间法为基础的现代控制理论。 上述控制理论与方法要求被控对象可以用确定性的线性模型描述由于实际
12、中被控对象的模型参数未知或时变,或受到未知的随机干扰,或存在未建模动态等不确定性,自适应控制、鲁棒控制、模型预测控制等先进控制方法的研究受到广泛关注。在实际中,有的被控对象具有强的非线性动态特性,难以采用上述方法获得满意的控制性能,冈此近年来非线性控制理论与方法的研究受到重视。 由于难以建立工业过程的精确数学模碰,因此难以应用上述以数学模型为基础的控制理论和方法。由于工业过程中可以方便地使用输入、输出与跟踪误差等数据,以跟踪误差为基础的PID控制器得以广泛应用。目前,工业界应用的控制系统大部分采用PID控制技术,其他基于数据的控制方法,如无模型控制、学习控制、模糊控、专家控制(规则控制)、神经
13、网络控制、仿人行为的智能控制等也开始应用于工业过程控制。复杂工业过稃往往具有多变量、强耦合、强非线性、大时延、生产边界条件变化频繁、动态特性随工况变化、难以用数学模型描述等综合复杂特性。 由于PID控制器适合于具有线性动态特性的被控对象,对于具有综合复杂性的工业过程,PID控制器难以取得满意的控制效果。因此,适合复杂工业过程的基于数据和数学模型相结合的先进控制技术的研究受到控制工程界的广泛关注针对一类具有非线性和不确定性、且输出被控变量不能线直接连续测量的复杂对象,提出了一种基于智能特征模型的智能控制新方法。针对具有多变量、强耦合、强非线性和不确性且特性随工况频繁变化的复杂工业过程,提出了基于
14、多模型切换的智能解耦控制方法上述控制方法成功应用于复杂工业过程,取得了满意的控制效果。 12过程运行优化与反馈控制 从工业工程的角度看,自动控制或者人工控制的作用不仅仅是使控制系统输出很好地跟踪设定值,而且要控制整个运行过程,使反映产品在加工过程中质量、效率与消耗相关的运行指标在目标值范围内。同时要求在保证安全运行的条件下,尽可能提高反映产品质量与效率的运行指标,尽可能降低反映产品在加工过程中消耗的运行指标,实现运行优化。然而,过去的控制理论与控制系统设计方法的研究都假定可以获得理想的控制同路设定值,集中在提高反馈控制的效果,忽略偏离理想设定点的反馈控制不能实现系统的良好运行。 近年来,生产设
15、备(或过程)的运行优化和运行控制吸引了学术界和工业界的很多研究者进行研究。由于工业过程运行与行业知识密切相关,至今没有形成适合各种工业过程的统一的过程运行优化和运行控制方法。目前的过程运行控制和运行优化是结合具体工业过程开展研究的,石化过程普遍采用的运行优化控制系统的结构如图1所示。 由实时优化(Real time optimization,RTO)和单入单出控制器组成。RTO采用计划调度产生的有关质量、效率或消耗等相关的变量,建立经济性能指标,将与产品在生产加工过程中的质量、效率、能耗、物耗等相关某一变量作为决策变量(即控制系统设定值),通过精确非线性静态过程模型优化经济性能指标,产生控制系
16、统设定值。RTO需要建立过程的稳态模型,c(x,u,P)=0,作为约束方程。优化目标函数F一般为经济效益函数,即: 其中,x为状态变量,u为控制系统设定值,P为过程参数,成为可测和不可测干扰。 RTO的一般结构由数据调和、模型更新、稳态优化与校验四部分组成数据调和是在过程处于稳态时,利用物料和能量平衡来消除测量误差调和后的数据用来更新模型的参数,更新后的模型更加精确地表示当前的工作点。稳态优化以经济效益函数为目标,以设备、产品规格i安全和环境、生产管理系统给出的经济指标约束等为约束,优化求取新的过程稳态变量优化结果经过监督系统(包括操作员)进行校验,校验后的结果送给过程控制系统,作为控制同路的
17、设定值由于RTO采用静态模型,当出现工况变化和系统干扰时,只能等到被控过程达到新的稳态时才能进行优化,从而优化滞后。优化周期与控制周期不一致,因此采用模型预测控制。模型预测控制将控制器的设定值作为决策变量,建立设定值与输出之间的动态模型。在此基础上,利用多步预测、滚动优化实现控制器设定值的在线调整,通过单变量控制器跟踪调整后的设定值实现生产设备(或过程)的运行优化。 生产过程往往是动态的,如生产负荷频繁变化、产品牌号经常切换、批次间歇生产等,难以实现在运行条件发生变化时系统的全局优化运行复杂生产过程往往具有强非线性,以美国为代表的发达国家的大学和高技术公司正在开展在线动态优化运行和非线性预测控
18、制方法与技术的研究。 对于钢铁、有色金属等工业过程,还没有形成适用于工业过程的运行优化与运行控制方法过程运行优化与运行控制方面的研究是结合具体的生产设备(或过程)开展的。 国外高技术公司针对钢铁等工业过程采用预处理手段使原材料成分稳定、生产工况平稳,研发将运行指标转化为控制同路设定值的工艺模型或经验模型,进行开环设定控制。由于我国资源条件和生产条件与国外差别甚大,原材料成分波动较大,因此国外研发的控制技术及系统不适合国情,价格昂贵且技术保密前我国的工业过程运行优化和运行控制基本采用人工控制方式,难以实现运行优化。2 控制与优化理论和方法面临的挑战 到目前为止,国际上还没有形成实现生产制造全流程
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