工業信息化中的測控技術

發展與展望

清華大學自動化系金以慧一、問題的提出二、工業企業的信息化三、測控技術的發展四、測控技術對計算機的要求五、結束語1工業信息化中的測控技術

發展與展望

清華大學自動化系金一、問題的提出

1、信息時代對國民經濟的激勵

信息時代所具有的巨大能力，使國民經濟中生產

與貿易的方式發生了根本性的變化，信息科技與提高附加值的其他技術產生了密切的交互作用，這正是當前我們所生存的時代特征--來自美國資料--2一、問題的提出1、信息時代對國民經濟的激勵2一、問題的提出

2、中共十六大的號召繼續完成工業化是我國現代化進程中的艱巨的歷史性任務，大力推進國民經濟和社會信息化，是覆蓋現代化建設全局的戰略舉措。以信息化帶動工業化、工業化促進信息化，發揮后發優勢，實現社會生產力的跨越式發展緊迫性艱巨性3一、問題的提出2、中共十六大的號召緊迫性艱巨性3一、問題的提出3、面對進入WTO的挑戰與機遇本質問題是：

市場競爭能力的挑戰政策信息化新技術體制4一、問題的提出3、面對進入WTO的挑戰與機遇市場競爭能力的挑迎接全球市場競爭挑戰的途徑

1、工業化道路工藝的創新－－工藝路線的革命設備的更新換代－－擴容和技術更新產品的開發－－新產品的設計2、信息化建設道路采用信息化－－挖掘設備潛力，達到設備運行最優化觀念的改變－－通過實現信息化，促進管理科學化5迎接全球市場競爭挑戰的途徑

1、工業化道路2、信二、工業信息化1、什么是信息化2、自動化與信息化的關系3、國內外信息化發展比較6二、工業信息化1、什么是信息化61、什么是工業信息化

1工業信息化：在工業的生產、管理、經營過程中，通過信息基礎設施，在集成平臺上，實現信息的采集（傳感器及儀器儀表）、信息的傳輸（通信）、信息的處理（計算機）以及信息的綜合應用（自動化、管理、經營等功能）等都是信息化的內容。

將信息技術用于企業產品設計、制造、管理和銷售的全過程，以提高企業的市場應變能力和競爭能力，這是企業信息化的主要內容和目標71、什么是工業信息化

1工業信息化：71、什么是工業信息化

信息化的內容歸納為：

數據采集數據加工信息傳輸

信息處理信息綜合應用

結論：信息化需要信息學、測量學、控制理論、系統學、計算機科學、管理科學以及各種專業的學科交叉與融合才能實現81、什么是工業信息化

信息化的內容歸納為：結論：信息化需要信2、信息化與自動化的關系

廣義自動化廣義自動化是指實現經營管理、計劃調度、成本核算、生產監控、故障診斷、自動控制等更大范圍內的自動化，又稱之為“綜合自動化”或稱“流程工業CIMS”自動化往往是指包括檢測、控制和繼電保護等常規自動化的概念92、信息化與自動化的關系廣義自動化廣義自動化是指2、信息化與自動化的關系工業化信息化自動化

（廣義）基礎促進帶動保證依賴提升102、信息化與自動化的關系工業化信息化自動化基礎促進帶動保證國外企業信息化發展的三個階段：

70年代以前 基礎信息化 80年代中期開始 信息集成（企業內部） 90年代后期開始 全球信息化（電子商務）國內企業信息化的現狀：

基礎信息化尚未完成 少數企業實現了信息集成 極少數企業策劃進入全球信息化3、國內外信息化發展比較

11國外企業信息化發展的三個階段：國內企業信息化的現狀：3、國內三、測控技術的發展

1、測量系統的現狀與發展測量系統的組成：敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件12三、測控技術的發展1、測量系統的現狀與發展敏敏感傳統敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件不平衡電橋放大器交流載波器等等測量值計算非線性校正熱電偶補償等等

指示儀表記錄儀表等等多路切換器熱電偶電阻電容電感電磁壓電節流元件等13敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件不平敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件發展趨勢1、采用新技術：微波技術激光與紅外技術納米技術超導技術仿生技術等等14敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件發1發展趨勢敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件2、向微型化集成化發展

MEMS

多功能傳感器

敏感、信號處理、顯示等元件集成化

等等

15發敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件2發展趨勢信號處理元件多路切換元件基于微處理器的智能儀表具有自校正、自診斷、故障自定位、自修復、自適應跟蹤環境等能力敏敏感件敏感元件調理元件顯示元件多路切換元件信號處理元件16發信號處理元件多路切換元件基于微處理器的智能儀表敏敏感件敏感發展趨勢敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件基于PC的計算機測量儀表又稱

虛擬儀表集計算機技術、信號處理技術、圖象處理技術等于一體，例如汽車發動機檢測系統、自動計量系統等17發敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件基發展趨勢敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件

網絡化儀表系統在局域網或互聯網環境下將分布于網絡各端口的數據或信息在任何時間任何地點均能加以采集的測量系統例如：網絡化流量測量系統，網絡化水文監測系統，網絡化環境監測系統，智能交通系統、網絡化控制系統等等18發敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件三、測控技術的發展2、控制技術的發展

從一般控制技術向綜合自動化技術發展（廣義自動化）19三、測控技術的發展2、控制技術的發展從一般控制技術向19經營決策企業管理生產調度過程優化過程控制Purdue模型BPS（包括ERP）(BusinessPlanningSystem)PCS(ProcessControlSystem)MES(ManufacturingExecutionSystem)BPS/MES/PCS三層結構20經營決策企業管理生產調度過程優化過程控制Purdue模型B集成支撐系統數據庫計算機網絡經營計劃系統（BPS）生產執行系統（MES）生產過程控制系統（PCS）21集成支撐系統數據庫計算機網絡經營計劃系統（BPS）生產執行系PCS基礎自動化過程自動化自動控制物料平衡分析自動整定先進控制實時監控采集數據22PCS基礎自動化過程自動化自動控制物料平衡分析自動整定先進控相對傳統的以溫度、壓力、液位等為目標的單回路控制而言，先進控制則是以質量和工藝要求為指標的多變量控制

先進控制系統的本質：23相對傳統的以溫度、壓力、液

先進控制系統的本質：23加熱爐的控制

單回路控制系統有：1、燃燒系統－燃料、送風、負壓、含氧量等控制2、加熱系統－物流的溫度控制3、物流系統－流量、壓力等控制各種控制回路之間存在著強耦合系統具有非線性因素各參數之間有互動作用作干擾處理24加熱爐的控制單回路控制系統有：1、燃燒系統－燃

燃料

送風機

引風機

噴水

壓力

風燃比

負壓

溫度

水位

給水

結論：1、在耦合作用下各被控參數必然有很大波動2、人們關心的控制指標：燃燒效率、尾氣含氧量、影響安全因素（水位、負壓）等3、必需將加熱爐作一整體來考慮－多變量系統

25燃料送風機引風機噴水壓力風燃比制藥工業中的典型設備－發酵罐的自動控制菌體濃度還原糖濃度氨氮濃度青霉素效價

營養液氨水硫氨（氮）苯乙酸26制藥工業中的典型設備－發酵罐的自動控制菌體濃度營養液26多變量魯棒預測控制器結構集散控制系統實時數據庫辨識器多變量預測控制器軟儀表快速、平穩地控制整套裝置、可提高生產過程的處理能力增加高附加值的產品率采用預測原理，可克服過程大滯后現象和外部干擾，達到“卡邊”生產的目標27多變量魯棒預測控制器結構集散控制系統實時數據庫辨識器多變量預先進控制器實施現場曲線初餾塔干點航煤初餾點航煤干點航煤閃點輕柴95%航煤冰點28先進控制器實施現場曲線初餾塔干點航煤初餾點航煤干點航煤閃點輕銷售服務管理供應鏈管理作業調度資源分配企業資源計劃車間管理系統生產過程管理物料跟蹤生產計劃優化設備維修管理生產運行優化生產狀況分析動態成本控制質量管理過程控制層產品與工藝設計MESMES層29作業資源企業資車間管理系統生產過物料生產計劃優化設備維修管理BPS產品與工藝設計（P/PE）企業資源計劃（ERP）供應鏈管理（SCM）電子商務（EC）銷售服務管理（SSM）30BPS產品與工藝設計（P/PE）企業資源計劃（ERP）供應鏈★

PCS級以產品質量和工藝要求為目標

的先進控制技術（多變量預測控制）★

MES級

以生產綜合指標為目標的生產過程優化控制、優化操作與優化管理技術★

BPS級以財務分析決策為核心的整體資源優化技術★基于知識鏈的BPS/MES/PCS三級結構流程工業

現代集成制造系統集成技術31★PCS級以產品質量和工藝要求為目標

的先

物理平臺集成平臺數據平臺EIPPCSMESERPKRM32物理平臺集成平臺數據平臺EIPPCSMESERPKRM國外信息化建設的經濟效益分析

一般生產規模下可達1000萬－3000萬美元的效益33國外信息化建設的經濟效益分析一般生產規模下可達四、測控技術對計算機的要求1、硬件

高速率、高精度、多功能、大容量數采系統抗干擾性強、高穩定性的控制系統高可靠性、高可用性、高可維護性、高可擴展性的測控系統平臺例如，國產的新型數采系統，國產的DCS、PLC、FCS等34四、測控技術對計算機的要求1、硬件34四、測控技術對計算機的要求2、軟件

各類系統的組態軟件及其開發工具針對不同行業需求的應用軟件（例如，軟測量軟件、先進控制軟件、操作優化軟件、計劃調度軟件、動態成本分析軟件、ERP

軟件等等）基于互聯網、局域網和現場總線上控制軟件、相應的通訊協議、負荷分配等網絡控制軟件其他軟件

35四、測控技術對計算機的要求2、軟件35四、測控技術對計算機的要求3、集成系統基于現場總線、局域網和互聯網的綜合自動化系統例如：大型油田的自動開采系統、遠程診斷治療系統等

36四、測控技術對計算機的要求3、集成系統36五、結束語測控技術在當前信息技術突飛猛進的時代已成為主攻的關鍵技術之一目前，已經出現了微小化、集成化、智能化、網絡化的基于計算機的測控新系統隨著光、機、電、算、生、化、醫、材料等新技術的不斷涌現和融合，測控技術將迎來創新發展的新機遇37五、結束語測控技術在當前信息技術突飛猛進的時代已成為主攻工業信息化中的測控技術

發展與展望

清華大學自動化系金以慧一、問題的提出二、工業企業的信息化三、測控技術的發展四、測控技術對計算機的要求五、結束語38工業信息化中的測控技術

發展與展望

清華大學自動化系金一、問題的提出

1、信息時代對國民經濟的激勵

信息時代所具有的巨大能力，使國民經濟中生產

與貿易的方式發生了根本性的變化，信息科技與提高附加值的其他技術產生了密切的交互作用，這正是當前我們所生存的時代特征--來自美國資料--39一、問題的提出1、信息時代對國民經濟的激勵2一、問題的提出

2、中共十六大的號召繼續完成工業化是我國現代化進程中的艱巨的歷史性任務，大力推進國民經濟和社會信息化，是覆蓋現代化建設全局的戰略舉措。以信息化帶動工業化、工業化促進信息化，發揮后發優勢，實現社會生產力的跨越式發展緊迫性艱巨性40一、問題的提出2、中共十六大的號召緊迫性艱巨性3一、問題的提出3、面對進入WTO的挑戰與機遇本質問題是：

市場競爭能力的挑戰政策信息化新技術體制41一、問題的提出3、面對進入WTO的挑戰與機遇市場競爭能力的挑迎接全球市場競爭挑戰的途徑

1、工業化道路工藝的創新－－工藝路線的革命設備的更新換代－－擴容和技術更新產品的開發－－新產品的設計2、信息化建設道路采用信息化－－挖掘設備潛力，達到設備運行最優化觀念的改變－－通過實現信息化，促進管理科學化42迎接全球市場競爭挑戰的途徑

1、工業化道路2、信二、工業信息化1、什么是信息化2、自動化與信息化的關系3、國內外信息化發展比較43二、工業信息化1、什么是信息化61、什么是工業信息化

1工業信息化：在工業的生產、管理、經營過程中，通過信息基礎設施，在集成平臺上，實現信息的采集（傳感器及儀器儀表）、信息的傳輸（通信）、信息的處理（計算機）以及信息的綜合應用（自動化、管理、經營等功能）等都是信息化的內容。

將信息技術用于企業產品設計、制造、管理和銷售的全過程，以提高企業的市場應變能力和競爭能力，這是企業信息化的主要內容和目標441、什么是工業信息化

1工業信息化：71、什么是工業信息化

信息化的內容歸納為：

數據采集數據加工信息傳輸

信息處理信息綜合應用

結論：信息化需要信息學、測量學、控制理論、系統學、計算機科學、管理科學以及各種專業的學科交叉與融合才能實現451、什么是工業信息化

信息化的內容歸納為：結論：信息化需要信2、信息化與自動化的關系

廣義自動化廣義自動化是指實現經營管理、計劃調度、成本核算、生產監控、故障診斷、自動控制等更大范圍內的自動化，又稱之為“綜合自動化”或稱“流程工業CIMS”自動化往往是指包括檢測、控制和繼電保護等常規自動化的概念462、信息化與自動化的關系廣義自動化廣義自動化是指2、信息化與自動化的關系工業化信息化自動化

（廣義）基礎促進帶動保證依賴提升472、信息化與自動化的關系工業化信息化自動化基礎促進帶動保證國外企業信息化發展的三個階段：

70年代以前 基礎信息化 80年代中期開始 信息集成（企業內部） 90年代后期開始 全球信息化（電子商務）國內企業信息化的現狀：

基礎信息化尚未完成 少數企業實現了信息集成 極少數企業策劃進入全球信息化3、國內外信息化發展比較

48國外企業信息化發展的三個階段：國內企業信息化的現狀：3、國內三、測控技術的發展

1、測量系統的現狀與發展測量系統的組成：敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件49三、測控技術的發展1、測量系統的現狀與發展敏敏感傳統敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件不平衡電橋放大器交流載波器等等測量值計算非線性校正熱電偶補償等等

指示儀表記錄儀表等等多路切換器熱電偶電阻電容電感電磁壓電節流元件等50敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件不平敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件發展趨勢1、采用新技術：微波技術激光與紅外技術納米技術超導技術仿生技術等等51敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件發1發展趨勢敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件2、向微型化集成化發展

MEMS

多功能傳感器

敏感、信號處理、顯示等元件集成化

等等

52發敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件2發展趨勢信號處理元件多路切換元件基于微處理器的智能儀表具有自校正、自診斷、故障自定位、自修復、自適應跟蹤環境等能力敏敏感件敏感元件調理元件顯示元件多路切換元件信號處理元件53發信號處理元件多路切換元件基于微處理器的智能儀表敏敏感件敏感發展趨勢敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件基于PC的計算機測量儀表又稱

虛擬儀表集計算機技術、信號處理技術、圖象處理技術等于一體，例如汽車發動機檢測系統、自動計量系統等54發敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件基發展趨勢敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件

網絡化儀表系統在局域網或互聯網環境下將分布于網絡各端口的數據或信息在任何時間任何地點均能加以采集的測量系統例如：網絡化流量測量系統，網絡化水文監測系統，網絡化環境監測系統，智能交通系統、網絡化控制系統等等55發敏敏感件敏感元件調理元件信號處理元件顯示元件多路切換元件三、測控技術的發展2、控制技術的發展

從一般控制技術向綜合自動化技術發展（廣義自動化）56三、測控技術的發展2、控制技術的發展從一般控制技術向19經營決策企業管理生產調度過程優化過程控制Purdue模型BPS（包括ERP）(BusinessPlanningSystem)PCS(ProcessControlSystem)MES(ManufacturingExecutionSystem)BPS/MES/PCS三層結構57經營決策企業管理生產調度過程優化過程控制Purdue模型B集成支撐系統數據庫計算機網絡經營計劃系統（BPS）生產執行系統（MES）生產過程控制系統（PCS）58集成支撐系統數據庫計算機網絡經營計劃系統（BPS）生產執行系PCS基礎自動化過程自動化自動控制物料平衡分析自動整定先進控制實時監控采集數據59PCS基礎自動化過程自動化自動控制物料平衡分析自動整定先進控相對傳統的以溫度、壓力、液位等為目標的單回路控制而言，先進控制則是以質量和工藝要求為指標的多變量控制

先進控制系統的本質：60相對傳統的以溫度、壓力、液

先進控制系統的本質：23加熱爐的控制

單回路控制系統有：1、燃燒系統－燃料、送風、負壓、含氧量等控制2、加熱系統－物流的溫度控制3、物流系統－流量、壓力等控制各種控制回路之間存在著強耦合系統具有非線性因素各參數之間有互動作用作干擾處理61加熱爐的控制單回路控制系統有：1、燃燒系統－燃

燃料

送風機

引風機

噴水

壓力

風燃比

負壓

溫度

水位

給水

結論：1、在耦合作用下各被控參數必然有很大波動2、人們關心的控制指標：燃燒效率、尾氣含氧量、影響安全因素（水位、負壓）等3、必需將加熱爐作一整體來考慮－多變量系統

62燃料送風機引風機噴水壓力風燃比制藥工業中的典型設備－發酵罐的自動控制菌體濃度還原糖濃度氨氮濃度青霉素效價

營養液氨水硫氨（氮）苯乙酸63制藥工業中的典型設備－發酵罐的自動控制菌體濃度營養液26多變量魯棒預測控制器結構集散控制系統實時數據庫辨識器多變量預測控制器軟儀表快速、平穩地控制整套裝置、可提高生產過程的處理能力增加高附加值的產品率采用預測原理，可克服過程大滯后現象和外部干擾，達到“卡邊”生產的目標64多變量魯棒預測控制器結構集散控制系統實時數據庫辨識器多變量預先進控制器實施現場曲線初餾塔干點航煤初餾點航煤干點航煤閃點輕柴95%航煤冰點65先進控制器實施現場曲線初餾塔干點航煤初餾點航煤干點航煤閃點輕銷售服務管理供應鏈管理作業調度資源分配企業資源計劃車間管理系統生產過程管理物料跟蹤生產計劃優化設備維修管理生產運行優化生產狀況分析動態成本控制質量管理過程控制層產品與工藝設計MESMES層66作業資源企業資車間管理系統生產過物料生產計劃優化設備維修管理BPS產品與工藝設計（P/PE）企業資源計劃（ERP）供應鏈管理（SCM）電子商務（EC）銷售服務管理（SSM）67BPS產