一  工业过程控制的背景

    工业过程控制技术产品主要包括各种工业控制软件、硬件系统及其关键技术。据不完全统计，涉及上述领域的控制系统产品国内需求达500亿元以上。如此巨大的市场，吸引着众多国内外企业的注意力，如Honeywell、ABB、西门子、横河电机、西屋电器、富士电机、贝利等早已在中国市场站稳脚跟，并且占据了很大的市场份额。

    随着计算机、工业自动化、网络通信技术在工业生产管理和工业生产控制中的广泛应用，向先进控制、过程优化、生产管理要效益，已成为企业工程技术人员和经营管理人员的共识。

    ⑴要保持过程控制工业在全球的销售实力，就要保持更低的人价格和更可靠的服务，必须不断将先进的信息技术融合到生产过程中。
  
    据调查，国外石油化工企业每年至少要降低3%的成本才能保持盈利。在过程控制中采用先进的控制方案，可平均降低15%的制造成本。美国杜邦公司通过改进控制方案，一年估计节省5亿美元。人们开始认识到采用先进控制与优化能比采用DCS带来更显著的经济效益。因此，目前工业自动化已从单一生产设备、单一生产流程的控制，发展到整个生产线的先进与优化控制。

    ⑵正在探索的大量新技术领域，如材料生物学的纳米技术、薄膜加工的微集成系统的设计、供应链管理和企业资源配置等也需要新的控制方法，以保证其获得成功。

    ⑶生产过程中使用反馈控制能提高产品质量、降低材料和能源的消耗、减少对环境的影响、提高安全性、降低成本，从而，在全球经济中更具竞争力。

    在工业过程自动化软件方面，国内外竞争最激烈的要算实时监控软件平台、先进控制和过程优化。

二  实时监控软件平台

    实时监控组态软件作为数据收集处理、远程监控和数据转发中心，已经成为工业应用软件的一个重要组成部分。自上世纪80年代初发展至今，该技术已较成熟，市场上活跃着各大厂商，国产组态软件也已形成品牌之势。随着用户对多样化、智能化和实时需求的日益高涨，监控组态软件逐步走向开放性、标准化、信息化、系统性、导向性，并向上下两端发展，成为工厂信息化的核心技术。

    在这些以企业经营和生产管理的紧密集成成为目标的大型企业应用软件中，对生产过程的集成、监控、管理是整个应用软件体系的基础和平台。因此，一种能够网络化集成监控所有自动化设备的新型实时监控软件平台已经成为国内外自动化厂商开发的方向。

    使用这种新型实时监控软件平台能实现工业企业的以下需求：

    ⑴集成监控管理现存的和即将应用的自动化控制设备，逐步消除工厂内各不相同的专有技术、网络、协议所产生的平良效果；

    ⑵降低自动化系统的总体投资成本，并最大程度上保护在现有自动化系统上的投资；

    ⑶满足工厂生产过程控制从单机生产到联网生产的需要，最终提高生产效率和经济效益；

    ⑷使全厂实时生产过程信息进入企业内所有计算机平台，满足企业对生产更深入、更及时地管理；

    ⑸提供开放、标准的方式或方法，使得先进控制软件（APC）、生产调度软件能方便的开放；

    ⑹统一自动化控制系统的基础设施网络，为将自动化系统最终融入信息管理系统提供条件和可能；

    ⑺充分利用网络通信技术、Internet/Intranet技术，使得生产管理人员和现场操作人员能在任何地方对机器、生产过程乃至工厂生产管理进行远程控制。

    现在，国外商品化的实时监控软件正在全力朝这个方向发展，典型的产品有美国Intellution公司的FIX Dynamics软件、Wonderware公司的inTouch软件、以色列车PCSoft国际公司的WizCon软件、澳大利亚Citect软件、法国ARC公司的Pcvue32软件等，这些软件大都已经或多或少地进入中国市场。

    国内目前已具人相当基础，国产实时监控软件平台在图形界面上已具有相当国外水平，以协外实时监控软件已形成威胁。

    下表是国内外主要商品化实时监控软件平台的市场销售情况一览表。

序 号	公      司	主要产品
1	北京亚控科技发展公司	组态王6.5
2	北京昆仑通泰自动化软件公司	MCGS
3	爱康诺（ICONICS）中国有限公司	创世纪32（GENESIS32）
4	美国Wonderware公司	InTouch
5	美国Intellution公司	iFIX
6	澳大利亚Citect公司	Citect
7	以色列PCSoft公司	WizCon
8	法国ARC公司	PCVUE

    中国国内各行业每年的实时监控软件市场的总装机容量已达到2万套，实时监控软件平台产品的每年总价值已经达到40亿元人民币，并以高于国际平均水平的速度快速增长。

三  先进过程控制（APC）软件

    1，工业过程控制的发展

    在80-90年代，多变量控制特别是基于模型预测控制的多变量优化控制得到迅速发展，近几年，已用于处理大规模的过程控制问题。

    ⑴基于模型预测控制的多变量优化控制，在存在控制约束和状态约束的工业过程中已成为一种标准的穷折腾技术。模型预测控制在在线计算控制量时，明确地考虑了这些约束。

    ⑵在2000年据控制厂商报道，模型预测控制已有5000多例，包括炼油、石化、纸浆和造纸、空气分离、食品加工、炼钢、航空和汽车。

    然而，这并不表明所有过程控制的问题已解决了。最具挑战性的化工和材料加工等过程工业还需新的控制技术来解决所有问题。

    采用先进控制，可以处理各种约束，可以把各种要求以性能指标的形式结合到控制中加以考虑，以提高控制的动态质量。动态控制的质量高，上层优化级就可以将工作点设置到临近约束边界，从而进行卡边生产，在保证安全性的同时使经济效益大大提高。理论和实践都证明，只要设计合理，先进控制完全可以取得明显优于常规控制的实际效果。

    从目前先进控制技术应用的情况看，在今后的几年内，预测控制、模糊控制、鲁棒控制、智能控制、自适应控制、软测量等将社会成为先进控制技术的软件发展主流，将对我国冶金、炼油、化工、造纸、制药、石化等行业的技术改造、技术进步起到积极的推动作用。

    国外从70年代末80年代初就开始先进控制技术的商品化软件开发及应用，在DCS的基础上实现优化控制和先进过程控制。在控制算法上，将控制理论研究的新成果，如多变量约束控制、各种预测、推断控制和估计、人工神经元网络控制和软测量技术等应用于工业生产过程并取得明显的经济效益和社会效益。目前国外，特别是美国、加拿大、欧洲等国已有SetPoint、Adersa、Aspen、Tech、Treiber Controls等公司开发出适合于实时控制与优化的多变量先进控制和实时在线优化的商品化工程软件，大量推向市场，在上千家大型石化、化工、炼油、冶金等企业获得成功应用，取得巨额利润。
    
    2，先进控制软件中的预测控制等技术具有诱人的市场价值

   应用预测控制等先进控制软件可以提高控制系统的稳定性及生产质量；通过优化实现“卡边”控制提高产品的质量；通过采用故障时的后备操作来提高控制系统的可靠性和有效性，缩短故障停产时间；产生最大限度的利润。这对于市场巨大的大系统和装置，无论是新建项目还是技改传统项目，都有着诱人的市场价值。据资料统计，国外比较著名的先进控制软件包已有2233套得到应用，可见市场之大。

    许多国外PLC、DCS公司的产品在控制功能上已附有仿人智能控制、模糊控制、专家控制、神经元网络控制等已被实践证明是解决日益复杂问题的智能控制技术。这些方法已成功地用于石化、冶金等工业领域，取得了十你好可观的经济效益。

    据不完全统计，我国石化、冶金等工业领域的过程自动化，每年需要预测控制、鲁棒控制、最优控制、自适应控制等先进控制软件约1500套。大量复杂的工业过程还需要智能控制、模糊控制、专家控制、补缀网络控制等人工智能技术。这种与AI技术相结合的先进控制，一旦实现产业化，将对我国各行各业的应用产生重大作用，对提高产品质量和国际竞争力具有十分重要的意义。

    3，先进控制软件中的软测量等技术具有惊人的市场

    先进控制软件中的软测量技术的使用不仅提高控制品质，而且可以省去一些昂贵的在线分析仪表、远红外分析仪、质谱仪、纸浆硬度分析仪、黑液浓度测试仪、辛烷值分析仪和油品特性分析仪等，这些仪表目前一般依赖进口费用从十几万—几十万美元/台。成功的软测量控制软件不仅能为化工、造纸、生化、冶炼等行业节省每年上千万美元的外汇，还能诊断设备故障、控制产品质量、促进企业提高效益。

    先进控制软件中的数据校正技术可以充分收集利用、优化、评估一切有价值的原始数据，提高现有企业在同等技术条件下的数据集成质量，有广泛的应用前景。

    故障诊断和容错控制技术可以提高控制系统的可靠性，对提高产品质量、降低生产成本有实际意义。这一技术可以用于我国市场庞大的传统行业的技术改造、技术装备创新，特别对研究和开发工业生产过程的高可靠性控制系统有推动作用。同时，结合人工智能技术，从可靠性理论出发，开发提高装备作业率、增加产量、改善质量和减少维护费用为目的的设备管理的设备诊断系统，可以获得更大的经济效益，有着广泛的应用前景。

    据调查，我国石化、冶金等工业领域，在信息管理系统和过程控制系统中，每年需要软测量、数据校正、故障诊断和容错控制技术2000套。

    4，先进控制软件中的专用系统软件具有巨大的市场容量

    先进控制技术的软件开发具有很强的实际应用背景。从实际控制对象出发，针对不同工业系统中的不同装置和过程，建立各种工业过程的动态数学模型、软测量模型、研究开发应用相应的先进控制应用软件，将会产生巨大的经济效益，有着巨大的国内外市场。
    
    据调查，我国钢铁、炼油、石化、化工、化肥、造纸、生化、环境等工业领域中，典型的关键设备和关键过程，全部开发完成先进控制专用应用软件，每年的需求量将达到12000—15000套。

四  过程优化软件

    过程优化是工业自动化的核心技术之一，它通过生产装置的安全平稳运行和优化操作使生产计划高效地实施。为了实现这一目标，首先需要获取正确反映生产装置状态的原始数据，利用数据校正技术，分析、综合出产品质量、装置能力及状况、能源消耗、故障报警信息，实现质量监控、故障诊断和安全管理，同时，利用流程模型和装置状况，进行生产作业计划的优化调度，以最少的能耗、最高的安全性或最大的产品效益，确定各个生产装置的负荷并通过静态实时优化向先进控制层提供最优操作条件。

    1，过程优化组成

    过程优化层主要由七大软件产品组成：数据校正、质量监控、故障诊断、生产调度优化、静态实时优化、生产信息综合集成平台。

    过程优化软件是实现工业企业节能、降耗、安全生产、环境保护和增加效益的重要工具。国内外产业界对此非常重视，国外80年代起已逐步出现流程模拟、生产计划调度优化、数据校正、统计质量控制和静态优化商品化软件，90年代以来，各类商品化软件的功能日益完善，在不同计算机硬件、网络及数据库平台上的的通用性进一步加强，针对特定工业过程优化软件的工程服务受到广泛的重视，工程服务水平和用户参与程度已成为优化软件应用成败的重要因素。90年代后期，国外的软件厂商除了不断扩展各应用软件的功能，还十分重视各应用软件的综合集成和相互组合，既有大公司（如AspenTech）力图提供过程优化层全面软件产品，也有多家软件企业提供富有特色的专用优化软件。今后发展趋势是进一步提供优化软件的工程适用性，提供Internet远程维护，为综合集成商提供即插即用式应用软件和面向目标的图形化软件组态界面。但是各种优化软件在功能上都因若干技术的难点而不够完善，市场需要功能更优的优化软件出现。

    我国工控界近20年来在静态优化、质量控制、故障诊断、数据校正方面进行了许多理论研究和应用开发，但均未形成商品化的优化软件离高技术产业化更有一定距离。其原因是优化软件的研究开发者尚未找到发展软件企业的运行模式；优化技术的理论与工程应用研究自身水平有待提高；用户企业的基础自动化程度、管理模式和经营观念限制了过程优化软件的市场空间。

    2，过程优化软件技高一筹

    过程优化是工业过程自动化的核心技术之一，它通过生产装置和安全平稳运行和优化操作使生产计划高效地实施。目前国际许多工业过程都强调过程在线优化的经济效益，德国OPTILM及英国ICL公司都不能报道了乙烯装置及气体分离装置使用在线优化技术取得的成果。英国KBC过程技术公司采用了炼厂仿真系统及优化器实现了全厂实时优化，可在先进控制基础上再增加经济效益10—25美分/每桶加工量，据国外权威软件公司估计，实现在线优化的工业过程，增加收益的典型值为装置产量的3—5%。开发在线优化技术已成为一种特有的高技术智力产业，具有广阔的市场前景。以我国石化企业为例，据测算，现有1000套生产装置，其中已有400套具有DCS系统，可作为在线优化的软、硬件基础。如果每套在实现在线优化后，其利润可提高3-5%，相当于500—600万元的经济效益，则在400套装置实现在线优化的年增长效益将达到20—24亿元左右。

                                                                            邵慧鹤 教授