過程自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

金曉明

摘 要 闡述了過程自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展歷程，指出流程工業(yè)中過程自動(dòng)化系統(tǒng)面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，并對(duì)其進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 自動(dòng)化系統(tǒng) 流程工業(yè) 智能化 低碳

中圖分類號(hào) TP27? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A? ?文章編號(hào) 1000?3932（2024）01?0001?09

以石油、化工、冶金、建材、造紙等基礎(chǔ)原材料行業(yè)為主的流程工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長的重要支撐力量。流程制造過程通常由一個(gè)或多個(gè)工業(yè)設(shè)備組成生產(chǎn)工序，多個(gè)生產(chǎn)工序構(gòu)成全流程生產(chǎn)系統(tǒng)。其功能是將進(jìn)入的原料加工成為下道工序所需要的半成品材料或產(chǎn)品。要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全流程的質(zhì)量、產(chǎn)量、消耗及成本等綜合生產(chǎn)指標(biāo)的優(yōu)化，必須通過協(xié)同各個(gè)生產(chǎn)工序來共同實(shí)現(xiàn)［1，2］。

過程自動(dòng)化系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全流程智能優(yōu)化運(yùn)行的基礎(chǔ)，其不僅要求工序內(nèi)各單元/設(shè)備的控制回路具有很好的性能，確保各單元/設(shè)備的工藝參數(shù)在目標(biāo)值范圍內(nèi)，而且要按過程優(yōu)化運(yùn)行的指令與上下游工序的過程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化協(xié)同控制，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、消耗及成本等綜合生產(chǎn)指標(biāo)的優(yōu)化控制。流程工業(yè)各行業(yè)既有共同特點(diǎn)，在工藝、設(shè)備、流程、運(yùn)行及安全等方面又有明顯差異［1，2］。

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，流程工業(yè)的生產(chǎn)工藝、裝備及自動(dòng)化水平都得到了大幅提升。流程企業(yè)通常連續(xù)過程和批次過程并存，兩種過程的操作各具特點(diǎn)和復(fù)雜性，部分大型生產(chǎn)裝置還包含有連續(xù)/批次混合過程。在整個(gè)全運(yùn)行周期中，操作人員需要處理升降加工負(fù)荷、切換產(chǎn)品牌號(hào)、定期設(shè)備輪轉(zhuǎn)、非計(jì)劃性檢修等多種非平穩(wěn)工況問題，一些頻繁啟停的裝置/設(shè)備要按程序執(zhí)行每一步操作，操作人員難以保證時(shí)間、幅度的同步，也容易產(chǎn)生錯(cuò)漏。如何在過程平穩(wěn)控制的基礎(chǔ)上，通過上述非平穩(wěn)工況下操作過程的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝置在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)全流程、全工況的自動(dòng)化，是過程控制界面臨的新挑戰(zhàn)。另一方面，流程企業(yè)普遍存在著資源綜合利用率低、生產(chǎn)成本高、能源消耗大及環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，需要建設(shè)高效率安全運(yùn)行、高質(zhì)量綠色發(fā)展的工廠。此外，流程企業(yè)還面臨著生產(chǎn)一線用工難問題，通過自動(dòng)化、智能化手段實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)區(qū)域的“少人化”甚至“無人化”，也是一種新的發(fā)展需求。行業(yè)中的領(lǐng)先企業(yè)已經(jīng)在規(guī)劃生產(chǎn)裝置運(yùn)行過程的監(jiān)控與操作。以上的企業(yè)需求將為過程自動(dòng)化系統(tǒng)提供新的發(fā)展機(jī)遇。

隨著企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化改造的不斷深入，流程企業(yè)在高端控制系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)及可視化等技術(shù)領(lǐng)域已取得長足進(jìn)步。過程自動(dòng)化企業(yè)應(yīng)充分利用人工智能、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算等新的信息技術(shù)，結(jié)合過程建模、機(jī)理分析和專家知識(shí)，研發(fā)過程自動(dòng)化系統(tǒng)的各種新功能，建設(shè)生產(chǎn)裝置全流程、全工況過程控制系統(tǒng)，推動(dòng)流程企業(yè)逐步向少人化/無人化自主運(yùn)行方向發(fā)展。

1 發(fā)展過程

自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用可以追溯到古代的指南車、水運(yùn)儀象臺(tái)等，而工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化則以1788年瓦特首創(chuàng)的蒸汽機(jī)調(diào)速控制為正式起點(diǎn)。因此，過程自動(dòng)化幾乎與工業(yè)革命同時(shí)起步，其自動(dòng)化裝置以自力式機(jī)械裝置為代表。此后，過程自動(dòng)化系統(tǒng)由簡單到復(fù)雜，規(guī)模由小到大［3～5］。

從20世紀(jì)30年代開始，過程自動(dòng)化技術(shù)及其應(yīng)用取得了驚人的成就，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。1933年，Tayor公司（現(xiàn)已并入ABB公司）推出了第1種可調(diào)比例的氣動(dòng)式調(diào)節(jié)器。1935年，F(xiàn)oxboro公司推出了第1種比例積分式氣動(dòng)調(diào)節(jié)器。1940年，Tayor公司首次推出具有PID功能的氣動(dòng)式調(diào)節(jié)器。1942年，Tayor公司的ZIEGLER J G和NICHOLSN B公布了著名的PID參數(shù)Z?N整定準(zhǔn)則。同一時(shí)期，以負(fù)反饋、穩(wěn)定性及傳遞函數(shù)等為標(biāo)志的經(jīng)典控制理論逐步走向成熟。當(dāng)時(shí)，過程控制的研究對(duì)象以單輸入單輸出系統(tǒng)為主，采用的儀表是基地式大型儀表和部分氣動(dòng)單元組合儀表［3～7］。

20世紀(jì)50～60年代，根軌跡法、頻域法成為控制系統(tǒng)分析與綜合的經(jīng)典方法，過程控制的研究對(duì)象也從單回路控制擴(kuò)展到復(fù)雜控制，從PID控制律延伸到特殊控制規(guī)律。學(xué)者們提出了許多切合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的比值控制、前饋控制、串級(jí)控制、均勻控制、分程控制、選擇性控制及閥位控制等控制策略。以狀態(tài)空間分析方法為出發(fā)點(diǎn)，形成的包含系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)控制及最優(yōu)估計(jì)等核心內(nèi)容的現(xiàn)代控制理論，不僅在航空、航天及制導(dǎo)等尖端技術(shù)領(lǐng)域取得驚人成就，而且為揭示復(fù)雜過程控制系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律、實(shí)現(xiàn)高水平全局控制奠定了基礎(chǔ)。這一時(shí)期，陸續(xù)出現(xiàn)了第1臺(tái)電子真空管PID控制器和第1臺(tái)全晶體管PID控制器，氣動(dòng)單元組合儀表逐步被電動(dòng)單元組合儀表所取代；而電子計(jì)算機(jī)則為實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化提供了全新的技術(shù)手段和工具，如計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器的直接數(shù)字控制（Direct Digital Control，DDC）和計(jì)算機(jī)確定模擬控制器或DDC回路最優(yōu)設(shè)定值的監(jiān)督控制（Supervisory Computer Control，SCC）等［3～7］。

20世紀(jì)70～80年代，集成電路和微處理器的工業(yè)化生產(chǎn)使電動(dòng)儀表更可靠，電動(dòng)Ⅲ型儀表成為主流。隨著微處理器的發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，可編程邏輯控制器（PLC）逐步在離散制造業(yè)和間歇生產(chǎn)過程中得到應(yīng)用推廣。更為重要的是，1975年，霍尼韋爾公司推出了第1臺(tái)集散控制系統(tǒng)（DCS）TDC?2000，它代替了原有集中式DDC系統(tǒng)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中開創(chuàng)了計(jì)算機(jī)控制的新時(shí)代。這一時(shí)期，控制理論與其他學(xué)科交叉、滲透，向著縱深方向融合發(fā)展，開始形成了所謂的大系統(tǒng)理論和智能控制理論，同時(shí)現(xiàn)代控制理論中的非線性系統(tǒng)、分布參數(shù)系統(tǒng)及隨機(jī)控制等也得到了發(fā)展。在過程控制領(lǐng)域，預(yù)測(cè)控制、專家控制、模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)控制（APC）策略開始實(shí)用化，而過程自動(dòng)化也從過程檢測(cè)、控制、執(zhí)行及分析等擴(kuò)展到過程及其設(shè)備故障診斷、生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度等運(yùn)行過程，自動(dòng)化儀表的數(shù)字化、智能化不斷創(chuàng)新，管控一體化在生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)（MIS）建設(shè)中得到了初步體

現(xiàn)［3～7］。

20世紀(jì)90年代，隨著市場(chǎng)對(duì)于流程工業(yè)的產(chǎn)品提出多樣化、高品質(zhì)的要求，同時(shí)工業(yè)生產(chǎn)也面臨低能耗、低成本及低污染排放等挑戰(zhàn)，自動(dòng)化儀表向智能化、高可靠性和高精度方向發(fā)展，在線分析儀表大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程。1992年，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)推動(dòng)了過程控制系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展［3～7］。在應(yīng)用軟件方面，以AspenTech為代表的控制軟件供應(yīng)商開始推廣APC軟件、流程模擬軟件及實(shí)時(shí)優(yōu)化（RTO）軟件等過程優(yōu)化類軟件，開創(chuàng)了流程行業(yè)工業(yè)軟件的先河。過程自動(dòng)化從簡單的參數(shù)控制擴(kuò)展到多變量控制、優(yōu)化控制及操作優(yōu)化。為了解決實(shí)際生產(chǎn)過程普遍存在的時(shí)變不確定性、各種各樣的內(nèi)外部干擾等問題，魯棒控制理論與應(yīng)用方法日益受到關(guān)注。對(duì)于間歇（批次）生產(chǎn)過程，利用歷史批次數(shù)據(jù)建立迭代學(xué)習(xí)控制方法也得到了越來越多的工程應(yīng)用。自動(dòng)化儀表和控制系統(tǒng)的開放和標(biāo)準(zhǔn)化逐漸開始得到重視，以質(zhì)量控制為核心的卓越運(yùn)行操作也成為過程控制的研究對(duì)象［3～7］。

21世紀(jì)以來，隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的加速，計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用與集成推動(dòng)過程自動(dòng)化發(fā)生質(zhì)的飛躍。新一代人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算等技術(shù)，不僅推動(dòng)了企業(yè)朝網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化方向建設(shè)智能工廠，而且改變了過程控制系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、經(jīng)營決策系統(tǒng)的軟硬件形態(tài)。主流自動(dòng)化系統(tǒng)供應(yīng)商推出了“無界自動(dòng)化”、“工業(yè)自主化”等各具特色的過程自動(dòng)化解決方案。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的延伸，催生了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)+工業(yè)APP”的流程企業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同運(yùn)行管理控制新模式，也促進(jìn)了過程控制層與生產(chǎn)管理層的一體化融合，形成了生產(chǎn)過程自動(dòng)化與企業(yè)運(yùn)營自動(dòng)化兩個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)［8］。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制、知識(shí)驅(qū)動(dòng)的控制與傳統(tǒng)控制的融合將催生新的控制理論的萌發(fā)。工業(yè)智能從傳感、識(shí)別、分析及評(píng)估等多個(gè)維度增加了過程感知能力，而智能機(jī)器人等的廣泛應(yīng)用則大幅提高了過程執(zhí)行效率。總之，智能制造不僅為過程自動(dòng)化系統(tǒng)帶來了新的技術(shù)手段和發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)也對(duì)其提出了新的業(yè)務(wù)場(chǎng)景下的功能要求。

2 機(jī)遇與挑戰(zhàn)

在流程工業(yè)，過程自動(dòng)化系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)傳感信號(hào)、控制調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)裝置各類工藝參數(shù)的有效控制，以實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)化運(yùn)行。與手工生產(chǎn)和半自動(dòng)化生產(chǎn)相比，自動(dòng)化生產(chǎn)可以更高效、精確、靈活地完成生產(chǎn)任務(wù)，大幅度提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)，降低物耗、能耗，提升企業(yè)競爭力。

從流程企業(yè)智能制造整體架構(gòu)來看，常規(guī)控制屬于基礎(chǔ)控制層，主要采用各類PID控制策略，并在單回路控制的基礎(chǔ)上發(fā)展出前饋、串級(jí)、均勻、選擇性、分程等復(fù)雜控制策略，是生產(chǎn)裝置平穩(wěn)運(yùn)行必不可少的手段。但是對(duì)于具有多變量、多目標(biāo)和多約束的復(fù)雜工業(yè)過程，常規(guī)控制缺乏必要的解耦、協(xié)同與優(yōu)化一體化能力。以預(yù)測(cè)控制、智能控制及軟測(cè)量等為核心的先進(jìn)控制能實(shí)現(xiàn)被控變量精準(zhǔn)控制和生產(chǎn)單元內(nèi)或各單元間的多變量協(xié)調(diào)控制，可顯著提升生產(chǎn)裝置的抗干擾能力、控制系統(tǒng)魯棒性和生產(chǎn)運(yùn)行平穩(wěn)性，使裝置在接近其約束邊界的條件下運(yùn)行（卡邊操作）。基于裝置穩(wěn)態(tài)模型和流程模擬的實(shí)時(shí)優(yōu)化則在綜合考慮裝置經(jīng)濟(jì)目標(biāo)、物理約束以及自由度的前提下，實(shí)時(shí)求解出滿足最優(yōu)化經(jīng)濟(jì)目標(biāo)（或其他業(yè)務(wù)目標(biāo)）的最佳工作點(diǎn)及其所對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)，并將其傳遞給APC系統(tǒng)，由后者實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的最優(yōu)化［2，9，10］。

2.1 發(fā)展機(jī)遇

2.1.1 流程行業(yè)智能制造的迭代升級(jí)促進(jìn)過程自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的持續(xù)增長

制造業(yè)是立國之本、強(qiáng)國之基。當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)以推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展為主題，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)至關(guān)重要。產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型正處于加速發(fā)展的關(guān)鍵期，流程企業(yè)推進(jìn)智能制造的內(nèi)在需求極大提升。智能制造是一項(xiàng)整體性強(qiáng)、持續(xù)性長的系統(tǒng)工程。隨著自身認(rèn)識(shí)、積累的增加，企業(yè)對(duì)于智能制造的整體目標(biāo)、功能設(shè)計(jì)和應(yīng)用成效的要求將逐步深化。

過程自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)為流程工業(yè)提供自動(dòng)化軟硬件產(chǎn)品、解決方案和技術(shù)服務(wù)，是支撐各流程行業(yè)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)步、自主創(chuàng)新、裝備升級(jí)的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，可為流程工業(yè)智能制造的規(guī)模擴(kuò)張和應(yīng)用深化提供重要保障。近年來，過程自動(dòng)化的產(chǎn)業(yè)規(guī)模隨智能制造迭代升級(jí)而快速擴(kuò)大。在流程企業(yè)不斷向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展的過程中，必須采用生產(chǎn)過程全流程自動(dòng)化技術(shù)來保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

處于不同發(fā)展階段的流程企業(yè)，在其智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)過程中，對(duì)于過程自動(dòng)化技術(shù)及解決方案的需求存在較大差異。流程企業(yè)不僅需要譜系完整的過程自動(dòng)化產(chǎn)品，而且需要DCS系統(tǒng)整體實(shí)施、控制回路性能優(yōu)化、APC與RTO等的多層次服務(wù)。而一些行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)將過程機(jī)理、大數(shù)據(jù)和人工智能賦能過程自動(dòng)化系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)全流程智能生產(chǎn)和全系統(tǒng)建模分析，力圖打造貫穿全價(jià)值鏈生產(chǎn)、全供應(yīng)鏈運(yùn)營、全生命周期管控的一體化智能制造解決方案。

2.1.2 自主運(yùn)行新需求推動(dòng)了過程自動(dòng)化解決方案的深化應(yīng)用

隨著我國人口紅利的逐步消失，勞動(dòng)力成本洼地效應(yīng)逐漸減弱；另一方面，資深員工正逐漸離開工作崗位、而又難以補(bǔ)充新生力量，“用工荒”問題困擾著越來越多的流程企業(yè)。為緩解日益上漲的勞動(dòng)力成本和與日俱增的產(chǎn)業(yè)升級(jí)壓力，“去技能化”、“機(jī)器換人”、“少人化”乃至“無人化”已逐步從設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)。為此，類似汽車“自動(dòng)駕駛”的生產(chǎn)裝置自主運(yùn)行新需求應(yīng)運(yùn)而生。

從過程自動(dòng)化的角度看，要實(shí)現(xiàn)裝置的自主運(yùn)行不僅需要采用多層次控制策略來實(shí)現(xiàn)裝置正常生產(chǎn)工況下的平穩(wěn)控制與優(yōu)化運(yùn)行，而且要采用程序控制、邏輯控制及狀態(tài)轉(zhuǎn)移控制等策略實(shí)現(xiàn)裝置開停車、產(chǎn)品轉(zhuǎn)產(chǎn)、設(shè)備輪換、加工方案改變以及負(fù)荷升降等非平穩(wěn)工況下的操作過程自動(dòng)化。因此，實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行需要深入理解分析裝置的工藝流程特點(diǎn)、全工況下的過程控制需求，設(shè)計(jì)并實(shí)施高質(zhì)量、高可靠性和個(gè)性化的全工況過程自動(dòng)化一體化解決方案，配置并完善自動(dòng)化儀表，逐步升級(jí)現(xiàn)有面向單一工況的過程自動(dòng)化系統(tǒng)，形成一種自主運(yùn)行的新應(yīng)用形態(tài)。

湖北興發(fā)集團(tuán)新建氯堿裝置時(shí)，在完善現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化儀表的基礎(chǔ)上，采用中控技術(shù)的自主運(yùn)行解決方案，對(duì)生產(chǎn)裝置的啟停操作、順序控制及安全報(bào)警等按工藝操作要求進(jìn)行科學(xué)整合，并與裝置全流程先進(jìn)控制有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了上下游單元的生產(chǎn)協(xié)同和裝置全流程一鍵啟停，提高了生產(chǎn)運(yùn)行的可靠性、安全性、平穩(wěn)性和生產(chǎn)效率；保持了生產(chǎn)操作的一致性，減少人為干擾，降低勞動(dòng)強(qiáng)度；裝置運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷自適應(yīng)調(diào)整，堿產(chǎn)品合格率達(dá)到百分之百，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員減少67%，真正實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)少有的無人巡檢、無人操作、無人記錄的“三無工廠”，有效解決了用工難問題，建立起安全、環(huán)保、穩(wěn)定、精細(xì)的生產(chǎn)運(yùn)營管控體系。

2.1.3 新一代信息技術(shù)的引入成為過程自動(dòng)化能力拓展的新引擎

由于終端消費(fèi)者需求的多樣化，流程工業(yè)面臨著對(duì)于產(chǎn)品種類、產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)成本等不斷優(yōu)化的要求，致使生產(chǎn)流程日益緊湊、工藝指標(biāo)日趨嚴(yán)苛。生產(chǎn)難度的提升、操作彈性的壓縮、安環(huán)形勢(shì)的嚴(yán)峻迫使企業(yè)加大投入以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)替代傳統(tǒng)人工操作。事實(shí)上，任何需要穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品收率、保障安全環(huán)保、提升生產(chǎn)效率的流程制造業(yè)都需要采用先進(jìn)的過程自動(dòng)化系統(tǒng)。

流程工業(yè)智能制造的發(fā)展，促進(jìn)了以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）及數(shù)字孿生等為代表的新一代信息技術(shù)在流程工業(yè)中的應(yīng)用，就過程自動(dòng)化而言，這些技術(shù)增強(qiáng)了智能感知與智能控制的能力，例如，通過相機(jī)直接讀取并采集現(xiàn)場(chǎng)儀表的讀數(shù)，通過智能移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝置關(guān)鍵設(shè)備的巡檢，各種基于圖像處理的產(chǎn)品粒徑分布檢測(cè)與控制，基于機(jī)器視覺的產(chǎn)品色澤/缺陷檢測(cè)與控制等，基于AI模型的控制越來越多地走進(jìn)精餾塔、工業(yè)鍋爐等實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。大數(shù)據(jù)技術(shù)大幅提升了過程歷史數(shù)據(jù)的價(jià)值，可快速地將生產(chǎn)過程過往的最佳實(shí)踐轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實(shí)運(yùn)行的標(biāo)桿，從而打開了機(jī)理、知識(shí)和數(shù)據(jù)高度融合的過程控制技術(shù)發(fā)展新圖景［11，12］。

以產(chǎn)品質(zhì)量為例，為避免產(chǎn)品的同質(zhì)化，流程企業(yè)不僅需要加快新產(chǎn)品研發(fā)，而且需要加強(qiáng)現(xiàn)有產(chǎn)品質(zhì)量的精益管控。通過對(duì)從原料到半成品/中間產(chǎn)品再到最終產(chǎn)品的制造全流程各工序生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)檢測(cè)/分析、質(zhì)量精準(zhǔn)管控，確保在制造過程中實(shí)現(xiàn)從原料到產(chǎn)品全價(jià)值鏈的高效、綠色增值，并避免出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)合格、但質(zhì)量均一性不佳，影響下游用戶使用的情況。質(zhì)量精益管控關(guān)乎流程企業(yè)的生存與發(fā)展，也延伸到制造過程的每個(gè)環(huán)節(jié)。從這個(gè)意義上看，構(gòu)建全價(jià)值鏈產(chǎn)品質(zhì)量精益管控系統(tǒng)必須建立在高性能、高可靠的過程自動(dòng)化之上。

新一代信息技術(shù)和過程控制的融合發(fā)展必將使過程自動(dòng)化系統(tǒng)和流程企業(yè)智能制造水平達(dá)到一個(gè)全新的高度。

2.1.4 安全生產(chǎn)和綠色低碳擴(kuò)大了過程自動(dòng)化的應(yīng)用領(lǐng)域與價(jià)值

流程工業(yè)尤其是石油、化工、醫(yī)藥等行業(yè)具有易燃易爆、有毒有害等特征，部分物料屬于危化品，部分工藝是危化工藝，安全生產(chǎn)是這些企業(yè)的頭等大事。除通過應(yīng)急管理系統(tǒng)（SES）、緊急停車系統(tǒng)（SIS）及本質(zhì)安全儀表等構(gòu)建多重防護(hù)之外，過程自動(dòng)化系統(tǒng)還需要采用抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性好的控制策略，在提升生產(chǎn)過程平穩(wěn)性的同時(shí)，增強(qiáng)裝置運(yùn)行的安全性。2023年3月，國家應(yīng)急管理部發(fā)布了《“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+危化安全生產(chǎn)”自動(dòng)化過程控制優(yōu)化系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用指南（試行）》等5項(xiàng)指南，明確了對(duì)PID回路性能優(yōu)化、先進(jìn)控制和實(shí)時(shí)優(yōu)化等三層過程自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容和技術(shù)要求。

國家“30?60”雙碳戰(zhàn)略堅(jiān)定了我國走綠色低碳的發(fā)展道路，流程工業(yè)領(lǐng)域碳排放在中國碳排放總量中占比超78%，其碳排放的控制是綠色低碳發(fā)展能否達(dá)成“30?60”目標(biāo)的關(guān)鍵。石油、化工、冶金、建材及造紙等流程行業(yè)既要加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)實(shí)現(xiàn)智能制造，又要滿足日益嚴(yán)格的綠色低碳標(biāo)準(zhǔn)，以降低資源消耗和減少環(huán)境影響，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益相協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展。

流程企業(yè)多屬于碳排放和環(huán)保重點(diǎn)監(jiān)管對(duì)象，是實(shí)現(xiàn)雙碳與環(huán)保目標(biāo)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。過程自動(dòng)化系統(tǒng)需要融合綠色制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程物料、能源及環(huán)保等信息采集監(jiān)控、智能分析，生產(chǎn)裝置/單元、環(huán)保設(shè)施的智能感知和過程控制，生產(chǎn)運(yùn)行高效、綠色、低碳多目標(biāo)優(yōu)化，生產(chǎn)運(yùn)營精細(xì)管理與優(yōu)化等目標(biāo)，結(jié)合設(shè)備電氣化改造、清潔能源利用等方式，提升能源產(chǎn)業(yè)鏈智能化水平，幫助企業(yè)提高能效利用率，實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展。

高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的流程制造企業(yè)將改變供應(yīng)鏈、物質(zhì)流、能量流、人員管理及資產(chǎn)管理等方面的業(yè)務(wù)邏輯，在AI和大數(shù)據(jù)分析的支持下，全流程、全工況自動(dòng)化系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)端到端一體化生產(chǎn)。過程自動(dòng)化應(yīng)當(dāng)深入挖掘石油、化工、冶金、建材及造紙等典型流程行業(yè)對(duì)設(shè)備、流程的自動(dòng)化需求，解決“卡脖子”問題，創(chuàng)新核心關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)展工業(yè)控制軟件，提升高端市場(chǎng)競爭力，以過程自動(dòng)化新模式去應(yīng)對(duì)未來市場(chǎng)的不確定性。

2.2 未來挑戰(zhàn)

2.2.1 解決“卡脖子”問題，實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化裝備的全面國產(chǎn)化

與美國、德國及日本等國家知名的自動(dòng)化公司相比，我國過程自動(dòng)化起步較晚，早期產(chǎn)品的可靠性與國際知名公司存在較大差異。經(jīng)過多年來的發(fā)展，我國自動(dòng)化行業(yè)廠商的技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量都得到持續(xù)提升，已縮小了與國外品牌的差距，并借助國內(nèi)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的機(jī)遇，加快對(duì)國外品牌產(chǎn)品的替代速度，國內(nèi)廠商的市場(chǎng)份額持續(xù)擴(kuò)大。當(dāng)前，國內(nèi)廠商除頭部企業(yè)外，大多規(guī)模偏小，技術(shù)力量薄弱，在部分關(guān)鍵自動(dòng)化產(chǎn)品上還難以與國際知名廠商相競爭，為用戶提供全過程的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造及服務(wù)的能力也有待提升。

近年來，地緣沖突激化升級(jí)，國際貿(mào)易摩擦加劇，金融及技術(shù)流通等國際態(tài)勢(shì)瞬息萬變，已成為影響我國制造業(yè)長期健康運(yùn)行的現(xiàn)實(shí)安全隱患，過程自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)面臨著核心部件“自主、安全、可控”的迫切需求。國內(nèi)的過程自動(dòng)化企業(yè)只有實(shí)現(xiàn)了從硬件到軟件的自主自立，全面掌握核心技術(shù)，才可以確保我國工業(yè)制造、重大基礎(chǔ)設(shè)施等關(guān)鍵領(lǐng)域的安全、可控。令人欣喜的是，中控、和利時(shí)等公司均已推出100%全國產(chǎn)化DCS系統(tǒng)，并已在石化裝置、火電機(jī)組上成功應(yīng)用。

因此，為增強(qiáng)我國產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全保障能力，自主可控的科技創(chuàng)新是必由之路。過程自動(dòng)化裝備的全面國產(chǎn)化必將隨著國內(nèi)信息電子產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展而逐步變成現(xiàn)實(shí)。

2.2.2 面向行業(yè)差異性，提供高性能、高可靠的過程自動(dòng)化系統(tǒng)

以石油、化工、冶金、建材、造紙、制藥、食品與飲料等為代表的流程工業(yè)既有其共同特點(diǎn)，在工藝、設(shè)備、流程、運(yùn)行及安全等方面又有顯著的差異。例如：石油（天然氣）行業(yè)的上、中游是原油（天然氣）開采、管道運(yùn)輸過程，高安全性、高可用性、結(jié)構(gòu)緊湊、模塊化設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程監(jiān)控及操作是上游工廠的典型特征，過程自動(dòng)化系統(tǒng)需要適應(yīng)極端環(huán)境和有限空間的要求；而以煉油為代表的下游油氣加工企業(yè)通常需要保持長周期、滿負(fù)荷運(yùn)行，十分關(guān)注安全、環(huán)保、成本和資產(chǎn)管理，其過程自動(dòng)化系統(tǒng)除了克服干擾、保持工藝指標(biāo)平穩(wěn)之外，還需利用APC和RTO來充分挖掘生產(chǎn)過程的邊際效益。此外，在油氣行業(yè)，必須考慮HSE風(fēng)險(xiǎn)，過程控制系統(tǒng)的安全等級(jí)最高，并需要配備完善的火情檢測(cè)和氣體檢測(cè)系統(tǒng)［9，13～15］。

化工行業(yè)的重要特征是產(chǎn)品具有多樣性，從傳統(tǒng)的“三酸兩堿”等大宗原材料到石油化工及衍生物產(chǎn)品，再到聚合物、精細(xì)化學(xué)品及特種化學(xué)品等。化工企業(yè)對(duì)過程自動(dòng)化系統(tǒng)通常有本質(zhì)安全或防爆等功能安全以及信息安全要求。大宗原材料生產(chǎn)與油氣加工類似，十分關(guān)注資源、能源效率和生產(chǎn)成本，過程自動(dòng)化系統(tǒng)常采用APC來快速克服干擾、控制產(chǎn)品質(zhì)量，并保持長周期最佳運(yùn)行狀態(tài)。特種化學(xué)品需要滿足特定客戶的特殊需求，對(duì)于上市時(shí)間、生產(chǎn)柔性及用戶適用性等更為敏感，其制造過程是配方控制的多產(chǎn)線、多用途批處理過程，能夠有效地生產(chǎn)小批量、多品種的產(chǎn)品。為了滿足產(chǎn)品質(zhì)量管控、生產(chǎn)過程安全和環(huán)境保護(hù)要求，需要配備大量傳感器和分析儀［9，15～19］。

冶金行業(yè)是典型的連續(xù)與批次混合的制造過程，通常采用預(yù)處理手段使原材料成分穩(wěn)定、生產(chǎn)工況平穩(wěn)，但是生產(chǎn)制造全流程仍存在著生產(chǎn)條件變化頻繁、原料成分波動(dòng)、機(jī)理不清及時(shí)間尺度不同等問題，難以建立數(shù)學(xué)模型，能耗、物耗、質(zhì)量及效率等運(yùn)行指標(biāo)不能在線測(cè)量。由于冶金企業(yè)的盈利能力取決于生產(chǎn)效率，設(shè)備可靠性和高能效生產(chǎn)是過程自動(dòng)化的主要目標(biāo)。因此，冶金過程自動(dòng)化系統(tǒng)需要先進(jìn)控制算法和調(diào)度優(yōu)化策略的共同支持。高速產(chǎn)線需要非常短的響應(yīng)時(shí)間，這就要求過程控制系統(tǒng)具備高速傳感器、控制器以及快速的通信和信息處理能

力［9，15～19］。

此外，建材與造紙行業(yè)也是典型的混合制造過程，對(duì)于設(shè)備可靠性和高效率生產(chǎn)的要求與冶金行業(yè)相類似。制藥行業(yè)的特點(diǎn)是其最終產(chǎn)品往往采用批次生產(chǎn)，除需采用類似特種化學(xué)品生產(chǎn)的過程自動(dòng)化系統(tǒng)之外，還需要嚴(yán)格遵守藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（GMP）。食品與飲料行業(yè)主要是批處理過程，涵蓋發(fā)酵、殺菌、油炸、干燥、涂層、成型、灌裝及包裝等生化和物理過程，需要嚴(yán)格的操作制度以保證食品安全，實(shí)現(xiàn)食品加工全過程、全批次和產(chǎn)品的記錄與跟蹤是該行業(yè)過程自動(dòng)化的核心要求［9，15～19］。

2.2.3 提升行業(yè)競爭力，打造過程自動(dòng)化系列高端產(chǎn)品

在流程工業(yè)智能制造市場(chǎng)中，霍尼韋爾、艾默生、西門子、施耐德及橫河等國際知名自動(dòng)化企業(yè)憑借完善的產(chǎn)品體系、數(shù)十年的應(yīng)用積累等優(yōu)勢(shì)，正加快工業(yè)數(shù)字化、智能化技術(shù)布局，結(jié)合綠色低碳技術(shù)推廣應(yīng)用，力圖維持其在過程自動(dòng)化市場(chǎng)上的主導(dǎo)地位。目前，國外主力廠商通過提供更具高附加值的智能制造整體解決方案來占領(lǐng)國內(nèi)以大型項(xiàng)目、復(fù)雜項(xiàng)目為代表的高端市場(chǎng)；而國內(nèi)頂尖供應(yīng)商在智能制造解決方案方面已實(shí)現(xiàn)突破，技術(shù)、服務(wù)等綜合能力明顯增強(qiáng)，在高端市場(chǎng)逐漸站穩(wěn)腳跟，正在加快擴(kuò)大市場(chǎng)份

額［20］。

自動(dòng)化企業(yè)之間的競爭已不僅是針對(duì)單一產(chǎn)品，更多的是針對(duì)高附加值的整體解決方案。就過程自動(dòng)化產(chǎn)品而言，DCS市場(chǎng)集中度較高，國產(chǎn)系統(tǒng)已占據(jù)50%以上的市場(chǎng)份額；在安全儀表系統(tǒng)（SIS）市場(chǎng)，國產(chǎn)系統(tǒng)也具有較強(qiáng)的競爭力；自動(dòng)化儀表領(lǐng)域行業(yè)集中度較低，從業(yè)企業(yè)較多，呈現(xiàn)高度競爭格局，除少數(shù)實(shí)力雄厚的大型跨國集團(tuán)外，大部分企業(yè)的市場(chǎng)份額都處在較低水平；目前我國儀器儀表市場(chǎng)低端產(chǎn)品過剩，中高端產(chǎn)品仍嚴(yán)重依賴進(jìn)口，未來中高端的智能化儀表發(fā)展空間較大。過程自動(dòng)化軟件領(lǐng)域整體集中度較低，各類供應(yīng)商憑借自身行業(yè)積累，在細(xì)分行業(yè)中占有一定市場(chǎng)份額，整體發(fā)展水平仍不系統(tǒng)、不全面；目前過程自動(dòng)化軟件市場(chǎng)正呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢(shì)，國內(nèi)領(lǐng)軍企業(yè)將有望脫穎而出，未來市場(chǎng)集中度將加快提升。

過程自動(dòng)化軟件是過程控制領(lǐng)域知識(shí)與專門經(jīng)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化、程序化和自動(dòng)化，可極大地提升過程自動(dòng)化知識(shí)的可重用性、可繼承性和可擴(kuò)展性。經(jīng)過長期積累，過程自動(dòng)化領(lǐng)域已經(jīng)積累了并且還將繼續(xù)積累不同行業(yè)核心生產(chǎn)裝置過程自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行與維護(hù)的大量知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)。隨著承載這些知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的資深員工日漸減少，必須利用工業(yè)軟件快速發(fā)展的契機(jī)，盡快將那些行之有效的過程控制知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)內(nèi)化到專業(yè)的過程自動(dòng)化軟件之中。

總之，深耕行業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，要不斷積淀各行業(yè)自主可控的過程自動(dòng)化核心關(guān)鍵技術(shù)，持續(xù)投入新產(chǎn)品和高附加值解決方案研發(fā)，通過軟硬件不斷創(chuàng)新發(fā)展，打造出過程自動(dòng)化系列高端產(chǎn)品。

2.2.4 創(chuàng)新服務(wù)模式，挖掘過程自動(dòng)化系統(tǒng)的全方位價(jià)值

流程工業(yè)歷經(jīng)多年的快速發(fā)展，除少數(shù)行業(yè)外，新建項(xiàng)目數(shù)量正逐漸減少，過程自動(dòng)化系統(tǒng)的全生命周期運(yùn)維，快速響應(yīng)的管家式服務(wù)，節(jié)能、低碳、增效的產(chǎn)品及解決方案等，都將為流程企業(yè)的高質(zhì)量運(yùn)行提供保障。過程自動(dòng)化系統(tǒng)長周期服務(wù)能力與應(yīng)用效果直接影響用戶滿意度與忠誠度，也是用戶在自動(dòng)化產(chǎn)品升級(jí)換代時(shí)一種重要的評(píng)判依據(jù)。因此，過程自動(dòng)化服務(wù)已成為與開拓新項(xiàng)目市場(chǎng)同等重要的領(lǐng)域。

隨著互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，依托行業(yè)頭部企業(yè)運(yùn)營的線上、線下融合服務(wù)新模式應(yīng)運(yùn)而生。這種S2B平臺(tái)化運(yùn)營體系和5S店服務(wù)模式，可形成規(guī)范、迅速、有效的網(wǎng)絡(luò)化、平臺(tái)化服務(wù)體系。這樣，過程自動(dòng)化系統(tǒng)服務(wù)不再局限于面向企業(yè)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)服務(wù)，而是將專業(yè)化、高水平、一站式的服務(wù)延伸到該企業(yè)所在園區(qū)的各家用戶，可全方位地挖掘出企業(yè)的應(yīng)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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