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一  工業過程控制的背景

    工業過程控制技術產品主要包括各種工業控制軟件、硬件系統及其關鍵技術。據不完全統計，涉及上述領域的控制系統產品國內需求達500億元以上。如此巨大的市場，吸引著眾多國內外企業的注意力，如Honeywell、ABB、西門子、橫河電機、西屋電器、富士電機、貝利等早已在中國市場站穩腳跟，并且占據了很大的市場份額。

    隨著計算機、工業自動化、網絡通信技術在工業生產管理和工業生產控制中的廣泛應用，向先進控制、過程優化、生產管理要效益，已成為企業工程技術人員和經營管理人員的共識。

    ⑴要保持過程控制工業在全球的銷售實力，就要保持更低的人價格和更可靠的服務，必須不斷將先進的信息技術融合到生產過程中。
  
    據調查，國外石油化工企業每年至少要降低3%的成本才能保持盈利。在過程控制中采用先進的控制方案，可平均降低15%的制造成本。美國杜邦公司通過改進控制方案，一年估計節省5億美元。人們開始認識到采用先進控制與優化能比采用DCS帶來更顯著的經濟效益。因此，目前工業自動化已從單一生產設備、單一生產流程的控制，發展到整個生產線的先進與優化控制。

    ⑵正在探索的大量新技術領域，如材料生物學的納米技術、薄膜加工的微集成系統的設計、供應鏈管理和企業資源配置等也需要新的控制方法，以保證其獲得成功。

    ⑶生產過程中使用反饋控制能提高產品質量、降低材料和能源的消耗、減少對環境的影響、提高安全性、降低成本，從而，在全球經濟中更具競爭力。

    在工業過程自動化軟件方面，國內外競爭最激烈的要算實時監控軟件平臺、先進控制和過程優化。

二  實時監控軟件平臺

    實時監控組態軟件作為數據收集處理、遠程監控和數據轉發中心，已經成為工業應用軟件的一個重要組成部分。自上世紀80年代初發展至今，該技術已較成熟，市場上活躍著各大廠商，國產組態軟件也已形成品牌之勢。隨著用戶對多樣化、智能化和實時需求的日益高漲，監控組態軟件逐步走向開放性、標準化、信息化、系統性、導向性，并向上下兩端發展，成為工廠信息化的核心技術。

    在這些以企業經營和生產管理的緊密集成成為目標的大型企業應用軟件中，對生產過程的集成、監控、管理是整個應用軟件體系的基礎和平臺。因此，一種能夠網絡化集成監控所有自動化設備的新型實時監控軟件平臺已經成為國內外自動化廠商開發的方向。

    使用這種新型實時監控軟件平臺能實現工業企業的以下需求：

    ⑴集成監控管理現存的和即將應用的自動化控制設備，逐步消除工廠內各不相同的專有技術、網絡、協議所產生的平良效果；

    ⑵降低自動化系統的總體投資成本，并最大程度上保護在現有自動化系統上的投資；

    ⑶滿足工廠生產過程控制從單機生產到聯網生產的需要，最終提高生產效率和經濟效益；

    ⑷使全廠實時生產過程信息進入企業內所有計算機平臺，滿足企業對生產更深入、更及時地管理；

    ⑸提供開放、標準的方式或方法，使得先進控制軟件（APC）、生產調度軟件能方便的開放；

    ⑹統一自動化控制系統的基礎設施網絡，為將自動化系統最終融入信息管理系統提供條件和可能；

    ⑺充分利用網絡通信技術、Internet/Intranet技術，使得生產管理人員和現場操作人員能在任何地方對機器、生產過程乃至工廠生產管理進行遠程控制。

    現在，國外商品化的實時監控軟件正在全力朝這個方向發展，典型的產品有美國Intellution公司的FIX Dynamics軟件、Wonderware公司的inTouch軟件、以色列車PCSoft國際公司的WizCon軟件、澳大利亞Citect軟件、法國ARC公司的Pcvue32軟件等，這些軟件大都已經或多或少地進入中國市場。

    國內目前已具人相當基礎，國產實時監控軟件平臺在圖形界面上已具有相當國外水平，以協外實時監控軟件已形成威脅。

    下表是國內外主要商品化實時監控軟件平臺的市場銷售情況一覽表。

    中國國內各行業每年的實時監控軟件市場的總裝機容量已達到2萬套，實時監控軟件平臺產品的每年總價值已經達到40億元人民幣，并以高于國際平均水平的速度快速增長。

三  先進過程控制（APC）軟件

    1，工業過程控制的發展

    在80-90年代，多變量控制特別是基于模型預測控制的多變量優化控制得到迅速發展，近幾年，已用于處理大規模的過程控制問題。

    ⑴基于模型預測控制的多變量優化控制，在存在控制約束和狀態約束的工業過程中已成為一種標準的窮折騰技術。模型預測控制在在線計算控制量時，明確地考慮了這些約束。

    ⑵在2000年據控制廠商報道，模型預測控制已有5000多例，包括煉油、石化、紙漿和造紙、空氣分離、食品加工、煉鋼、航空和汽車。

    然而，這并不表明所有過程控制的問題已解決了。最具挑戰性的化工和材料加工等過程工業還需新的控制技術來解決所有問題。

    采用先進控制，可以處理各種約束，可以把各種要求以性能指標的形式結合到控制中加以考慮，以提高控制的動態質量。動態控制的質量高，上層優化級就可以將工作點設置到臨近約束邊界，從而進行卡邊生產，在保證安全性的同時使經濟效益大大提高。理論和實踐都證明，只要設計合理，先進控制完全可以取得明顯優于常規控制的實際效果。

    從目前先進控制技術應用的情況看，在今后的幾年內，預測控制、模糊控制、魯棒控制、智能控制、自適應控制、軟測量等將社會成為先進控制技術的軟件發展主流，將對我國冶金、煉油、化工、造紙、制藥、石化等行業的技術改造、技術進步起到積極的推動作用。

    國外從70年代末80年代初就開始先進控制技術的商品化軟件開發及應用，在DCS的基礎上實現優化控制和先進過程控制。在控制算法上，將控制理論研究的新成果，如多變量約束控制、各種預測、推斷控制和估計、人工神經元網絡控制和軟測量技術等應用于工業生產過程并取得明顯的經濟效益和社會效益。目前國外，特別是美國、加拿大、歐洲等國已有SetPoint、Adersa、Aspen、Tech、Treiber Controls等公司開發出適合于實時控制與優化的多變量先進控制和實時在線優化的商品化工程軟件，大量推向市場，在上千家大型石化、化工、煉油、冶金等企業獲得成功應用，取得巨額利潤。
    
    2，先進控制軟件中的預測控制等技術具有誘人的市場價值

   應用預測控制等先進控制軟件可以提高控制系統的穩定性及生產質量；通過優化實現“卡邊”控制提高產品的質量；通過采用故障時的后備操作來提高控制系統的可靠性和有效性，縮短故障停產時間；產生最大限度的利潤。這對于市場巨大的大系統和裝置，無論是新建項目還是技改傳統項目，都有著誘人的市場價值。據資料統計，國外比較著名的先進控制軟件包已有2233套得到應用，可見市場之大。

    許多國外PLC、DCS公司的產品在控制功能上已附有仿人智能控制、模糊控制、專家控制、神經元網絡控制等已被實踐證明是解決日益復雜問題的智能控制技術。這些方法已成功地用于石化、冶金等工業領域，取得了十你好可觀的經濟效益。

    據不完全統計，我國石化、冶金等工業領域的過程自動化，每年需要預測控制、魯棒控制、最優控制、自適應控制等先進控制軟件約1500套。大量復雜的工業過程還需要智能控制、模糊控制、專家控制、補綴網絡控制等人工智能技術。這種與AI技術相結合的先進控制，一旦實現產業化，將對我國各行各業的應用產生重大作用，對提高產品質量和國際競爭力具有十分重要的意義。

    3，先進控制軟件中的軟測量等技術具有驚人的市場

    先進控制軟件中的軟測量技術的使用不僅提高控制品質，而且可以省去一些昂貴的在線分析儀表、遠紅外分析儀、質譜儀、紙漿硬度分析儀、黑液濃度測試儀、辛烷值分析儀和油品特性分析儀等，這些儀表目前一般依賴進口費用從十幾萬—幾十萬美元/臺。成功的軟測量控制軟件不僅能為化工、造紙、生化、冶煉等行業節省每年上千萬美元的外匯，還能診斷設備故障、控制產品質量、促進企業提高效益。

    先進控制軟件中的數據校正技術可以充分收集利用、優化、評估一切有價值的原始數據，提高現有企業在同等技術條件下的數據集成質量，有廣泛的應用前景。

    故障診斷和容錯控制技術可以提高控制系統的可靠性，對提高產品質量、降低生產成本有實際意義。這一技術可以用于我國市場龐大的傳統行業的技術改造、技術裝備創新，特別對研究和開發工業生產過程的高可靠性控制系統有推動作用。同時，結合人工智能技術，從可靠性理論出發，開發提高裝備作業率、增加產量、改善質量和減少維護費用為目的的設備管理的設備診斷系統，可以獲得更大的經濟效益，有著廣泛的應用前景。

    據調查，我國石化、冶金等工業領域，在信息管理系統和過程控制系統中，每年需要軟測量、數據校正、故障診斷和容錯控制技術2000套。

    4，先進控制軟件中的專用系統軟件具有巨大的市場容量

    先進控制技術的軟件開發具有很強的實際應用背景。從實際控制對象出發，針對不同工業系統中的不同裝置和過程，建立各種工業過程的動態數學模型、軟測量模型、研究開發應用相應的先進控制應用軟件，將會產生巨大的經濟效益，有著巨大的國內外市場。
    
    據調查，我國鋼鐵、煉油、石化、化工、化肥、造紙、生化、環境等工業領域中，典型的關鍵設備和關鍵過程，全部開發完成先進控制專用應用軟件，每年的需求量將達到12000—15000套。

四  過程優化軟件

    過程優化是工業自動化的核心技術之一，它通過生產裝置的安全平穩運行和優化操作使生產計劃高效地實施。為了實現這一目標，首先需要獲取正確反映生產裝置狀態的原始數據，利用數據校正技術，分析、綜合出產品質量、裝置能力及狀況、能源消耗、故障報警信息，實現質量監控、故障診斷和安全管理，同時，利用流程模型和裝置狀況，進行生產作業計劃的優化調度，以最少的能耗、最高的安全性或最大的產品效益，確定各個生產裝置的負荷并通過靜態實時優化向先進控制層提供最優操作條件。

    1，過程優化組成

    過程優化層主要由七大軟件產品組成：數據校正、質量監控、故障診斷、生產調度優化、靜態實時優化、生產信息綜合集成平臺。

    過程優化軟件是實現工業企業節能、降耗、安全生產、環境保護和增加效益的重要工具。國內外產業界對此非常重視，國外80年代起已逐步出現流程模擬、生產計劃調度優化、數據校正、統計質量控制和靜態優化商品化軟件，90年代以來，各類商品化軟件的功能日益完善，在不同計算機硬件、網絡及數據庫平臺上的的通用性進一步加強，針對特定工業過程優化軟件的工程服務受到廣泛的重視，工程服務水平和用戶參與程度已成為優化軟件應用成敗的重要因素。90年代后期，國外的軟件廠商除了不斷擴展各應用軟件的功能，還十分重視各應用軟件的綜合集成和相互組合，既有大公司（如AspenTech）力圖提供過程優化層全面軟件產品，也有多家軟件企業提供富有特色的專用優化軟件。今后發展趨勢是進一步提供優化軟件的工程適用性，提供Internet遠程維護，為綜合集成商提供即插即用式應用軟件和面向目標的圖形化軟件組態界面。但是各種優化軟件在功能上都因若干技術的難點而不夠完善，市場需要功能更優的優化軟件出現。

    我國工控界近20年來在靜態優化、質量控制、故障診斷、數據校正方面進行了許多理論研究和應用開發，但均未形成商品化的優化軟件離高技術產業化更有一定距離。其原因是優化軟件的研究開發者尚未找到發展軟件企業的運行模式；優化技術的理論與工程應用研究自身水平有待提高；用戶企業的基礎自動化程度、管理模式和經營觀念限制了過程優化軟件的市場空間。

    2，過程優化軟件技高一籌

    過程優化是工業過程自動化的核心技術之一，它通過生產裝置和安全平穩運行和優化操作使生產計劃高效地實施。目前國際許多工業過程都強調過程在線優化的經濟效益，德國OPTILM及英國ICL公司都不能報道了乙烯裝置及氣體分離裝置使用在線優化技術取得的成果。英國KBC過程技術公司采用了煉廠仿真系統及優化器實現了全廠實時優化，可在先進控制基礎上再增加經濟效益10—25美分/每桶加工量，據國外權威軟件公司估計，實現在線優化的工業過程，增加收益的典型值為裝置產量的3—5%。開發在線優化技術已成為一種特有的高技術智力產業，具有廣闊的市場前景。以我國石化企業為例，據測算，現有1000套生產裝置，其中已有400套具有DCS系統，可作為在線優化的軟、硬件基礎。如果每套在實現在線優化后，其利潤可提高3-5%，相當于500—600萬元的經濟效益，則在400套裝置實現在線優化的年增長效益將達到20—24億元左右。

                                                                            邵慧鶴 教授