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   “中國(guó)發(fā)展自動(dòng)化不能搞‘空中樓閣’，工業(yè)裝備需要聰明的‘大腦’，我們課題組覺(jué)得必須要解決這個(gè)問(wèn)題。我們從2003年起組成課題組進(jìn)行攻關(guān)，開始研究為重大裝備與重大工程配套的高端控制裝備及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)。基于這一平臺(tái)，我們隨后源源不斷地研發(fā)出了鋼鐵、冶金、能源、化工、國(guó)防等領(lǐng)域各類重大裝備與重大工程所急需的高端控制裝備及系統(tǒng)。”
 

——孫優(yōu)賢
 

  自動(dòng)控制技術(shù)是20世紀(jì)發(fā)展最快的技術(shù)，也被認(rèn)為是21世紀(jì)影響社會(huì)發(fā)展的最重要的高技術(shù)之一。人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，都離不開自動(dòng)控制技術(shù)。在發(fā)電、冶煉、化工等等這樣的大型生產(chǎn)過(guò)程中，裝備越來(lái)越復(fù)雜，所有傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中依賴于人工操作的程序，現(xiàn)在，都交給了“控制系統(tǒng)”這個(gè)“大腦”，“控制系統(tǒng)”的強(qiáng)弱，不僅直接決定了企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模，也直接決定了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)安全。

  我國(guó)的重大裝備制造業(yè)起步于上世紀(jì)五六十年代，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，與之配套的高端控制裝備幾乎完全被國(guó)外壟斷，尤其是平臺(tái)性核心技術(shù)的缺失，成為中國(guó)工業(yè)大而不強(qiáng)、受制于人的關(guān)鍵之“痛”，也對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)安全帶來(lái)威脅。

  “設(shè)備的‘身體’進(jìn)來(lái)了，‘大腦’還在人家手上，我們要改變這樣的局面。”本世紀(jì)初，以孫優(yōu)賢院士為核心的科研團(tuán)隊(duì)，在近三十年服務(wù)大中型企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)升級(jí)的基礎(chǔ)上，瞄準(zhǔn)高端控制裝備及系統(tǒng)的高安全性、高可靠性、高適應(yīng)性和大規(guī)模化等四大難題，聯(lián)合上海電氣集團(tuán)股份有限公司、杭州優(yōu)穩(wěn)自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司、杭州哲達(dá)科技股份有限公司等高端裝備制造和應(yīng)用企業(yè)，完成了面向重大工程配套的高端控制裝備及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)的研發(fā)。
上篇：研制可以下“蛋”的“母機(jī)”

  “平臺(tái)的技術(shù)和一般的技術(shù)不一樣，平臺(tái)的技術(shù)可以復(fù)制、可以套用、可以重用，因此這個(gè)技術(shù)非常重要。”孫優(yōu)賢說(shuō)。平臺(tái)系統(tǒng)，科學(xué)家們形象地稱之“母機(jī)”。

  浙江大學(xué)玉泉校區(qū)的控制工程大樓，團(tuán)隊(duì)非常重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)安置在這里。高端控制裝備硬件平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室、高端控制裝備軟件平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室、高端控制系統(tǒng)先進(jìn)控制平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室、高端控制系統(tǒng)優(yōu)化平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備一年365天、每天24小時(shí)不間斷運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)設(shè)備模擬的，正是一個(gè)個(gè)真實(shí)場(chǎng)景的大型工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的“大腦中樞”，教授們稱它們?yōu)?ldquo;桌面工廠”。在新技術(shù)正式上馬前，研究人員先要在這里進(jìn)行控制系統(tǒng)和控制裝備的設(shè)計(jì)，模擬真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)的各種工況，完成各種安全性、穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度測(cè)試。

  課題組經(jīng)過(guò)十余年的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用研究，研制成功了高端控制裝備及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)，為石化、冶金、化工、能源各個(gè)行業(yè)的重大裝備的高端控制系統(tǒng)，提供硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)、先控與優(yōu)化平臺(tái)等一體化的技術(shù)支撐。
王文海研究員從1985年起就在浙江大學(xué)學(xué)習(xí)和工作。當(dāng)時(shí)，我國(guó)大型企業(yè)的高端控制裝備全部依賴進(jìn)口，研究生階段，他跑得最多的就是全國(guó)各大造紙廠，控制系統(tǒng)發(fā)生各種問(wèn)題的時(shí)候，企業(yè)就會(huì)找他去“救急”。但是，“即使做的是控制系統(tǒng)，如果你不掌握控制裝備的核心技術(shù)，也會(huì)受到各種制約。”設(shè)備一壞，昂貴的修理費(fèi)和漫長(zhǎng)的等待周期，這不單是一個(gè)成本問(wèn)題，更隱含安全問(wèn)題。“國(guó)外企業(yè)提供的軟件硬件中，有可能包含一些bug漏洞或隱性的暗門，這些東西一旦被觸發(fā)，就會(huì)使國(guó)家遭受經(jīng)濟(jì)和安全的影響。”

  做自主可控的硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)，簡(jiǎn)單了說(shuō)，就是做一套普適于各種重大工業(yè)控制裝備的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和設(shè)計(jì)編程平臺(tái)環(huán)境。在硬件平臺(tái)方面，課題組解決了控制裝備冗余容錯(cuò)、性能在線監(jiān)控、高適應(yīng)性智能模塊等技術(shù)，能適應(yīng)各種惡劣的工業(yè)環(huán)境和復(fù)雜的控制對(duì)象進(jìn)行工作；在軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)中，課題組實(shí)現(xiàn)了多領(lǐng)域工程對(duì)象模型、集群分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和集成編程開發(fā)環(huán)境，能針對(duì)不同行業(yè)進(jìn)行算法的定制封裝、重構(gòu)復(fù)用以及云更新，同時(shí)，還能支持控制算法的多用戶協(xié)同編程、遠(yuǎn)程維護(hù)，并實(shí)現(xiàn)了安全控制與防范。

  上海電氣集團(tuán)股份有限公司是中國(guó)最大的綜合性裝備制造業(yè)集團(tuán)之一，產(chǎn)品覆蓋火力發(fā)電機(jī)組、核電機(jī)組、風(fēng)電、重型裝備、輸配電等領(lǐng)域，年銷售額近800億元。“控制系統(tǒng)是機(jī)械裝備的關(guān)鍵部分，過(guò)去我們都是用進(jìn)口裝備來(lái)武裝我們自己的裝備，但是價(jià)格貴，受到制約也多。”曾任集團(tuán)中央研究院院長(zhǎng)，現(xiàn)任上海電氣集團(tuán)自動(dòng)化事業(yè)部部長(zhǎng)的黃建民，10年來(lái)已經(jīng)和浙大的科學(xué)家們結(jié)成了老朋友，他的一個(gè)夢(mèng)想，就是創(chuàng)造一個(gè)自主品牌的高端控制系統(tǒng)。“我們找到了浙江大學(xué)，在浙江大學(xué)的支持下，形成了自主的硬件軟件開發(fā)系統(tǒng)，結(jié)束了受國(guó)外公司束縛的局面。我們生產(chǎn)的火電、環(huán)保、污水處理項(xiàng)目裝備，在很多地方建成了推廣示范項(xiàng)目。最近，公司即將在山西建設(shè)一個(gè)秸稈焚燒發(fā)電工程，在新疆啟動(dòng)一項(xiàng)石化尾氣發(fā)電工程。“上海電氣有做大型裝備的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，還有電子產(chǎn)品制造產(chǎn)業(yè)化的經(jīng)驗(yàn)和專長(zhǎng)，與他們進(jìn)行專業(yè)互補(bǔ)行業(yè)協(xié)同后，我們也得到了加強(qiáng)。”王文海說(shuō)。

  下篇：控制系統(tǒng)讓裝備更加“聰明能干”

  高爐TRT裝置，是利用高爐煤氣余壓余熱進(jìn)行發(fā)電的能量回收裝置。TRT裝置能給鋼鐵企業(yè)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益，但前提是TRT裝置必須具有高安全性、高可靠性，絕不能影響高爐生產(chǎn)。

  作為我國(guó)西南地區(qū)最大的煉鐵企業(yè)，柳鋼煉鐵廠今年剛剛完成了年1000萬(wàn)噸鐵的產(chǎn)量。從2004年上馬第一臺(tái)高爐TRT開始，到現(xiàn)在煉鐵廠每造一座高爐，就要上馬TRT裝置。采用TRT裝置，柳鋼煉鐵廠每年回收電能超過(guò)5億度。“TRT裝備能節(jié)能降噪，它80年代就出現(xiàn)了，但是裝備做得再好，沒(méi)有可靠的控制系統(tǒng)和裝備，我們絕不敢上馬。”柳鋼煉鐵廠分管設(shè)備的副廠長(zhǎng)張洪波說(shuō)。

  在楊春節(jié)教授眼中，特大型高爐TRT裝置是復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的典型代表，TRT一直是他的研究主攻方向，10多年間，課題組設(shè)計(jì)的智能運(yùn)行控制方法不斷升級(jí)，在高爐頂壓穩(wěn)定性、TRT升速過(guò)程平穩(wěn)性、緊急切換安全性方面都已優(yōu)于國(guó)際同類控制系統(tǒng)。實(shí)施結(jié)果表明，采用國(guó)外控制系統(tǒng)的TRT爐頂壓力波動(dòng)在3kPa左右，而楊春節(jié)教授則把這一誤差縮小到了1.5kPa，并將TRT裝置緊急切換峰值時(shí)間由8秒縮短為2秒以內(nèi)。這一高精準(zhǔn)的控制技術(shù)，推動(dòng)了高爐TRT裝置在國(guó)內(nèi)迅速推廣應(yīng)用，顯著促進(jìn)了我國(guó)鋼鐵行業(yè)的節(jié)能、降耗、減排。

  TRT運(yùn)行前的調(diào)試階段，楊春節(jié)教授必然會(huì)出現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)。10年來(lái)，調(diào)試控制設(shè)備的速度越來(lái)越快，10年前，調(diào)試花了兩個(gè)月，去年最新上馬的TRT調(diào)試，只調(diào)試了5天，就實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電。“這速度創(chuàng)造了我們這里的一個(gè)奇跡，”柳鋼煉鐵廠副廠長(zhǎng)張洪波說(shuō)，“這是科學(xué)家和我們長(zhǎng)期合作形成的默契。”

  “工業(yè)實(shí)際多年無(wú)法攻克的難題，往往蘊(yùn)含了國(guó)際前沿的學(xué)術(shù)問(wèn)題。”這是課題組劉興高教授常說(shuō)的一句話，劉老師長(zhǎng)期瞄準(zhǔn)的方向，是高端控制裝置及系統(tǒng)的先進(jìn)控制與優(yōu)化平臺(tái)，并以冶金、石化、煤化等領(lǐng)域的重大通用裝備——空氣分離裝置，作為典型的復(fù)雜工業(yè)應(yīng)用對(duì)象。空氣分離裝置的國(guó)際難題是動(dòng)態(tài)建模難、節(jié)能優(yōu)化難、高純控制難，許多美國(guó)、日本的大科學(xué)家傾注了一輩子心血在這一研究領(lǐng)域。10多年來(lái)，劉興高教授理論研究與應(yīng)用研究相結(jié)合，在國(guó)際上首次報(bào)道了內(nèi)部熱耦合精餾的反向響應(yīng)和獨(dú)特的波動(dòng)現(xiàn)象，建立了非線性波動(dòng)模型，從本質(zhì)上找到了高效節(jié)能過(guò)程難以控制的原因所在；同時(shí)，在國(guó)際上率先提出了確保產(chǎn)品質(zhì)量和最大效能下、可控可操作的一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，首次設(shè)計(jì)出了99.999%的超高純熱耦合控制方案，得到了多種高效的節(jié)能潛力優(yōu)化方法和生產(chǎn)潛力優(yōu)化方法，成功解決了以上國(guó)際難題，形成了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的優(yōu)化控制系列核心技術(shù)，處于國(guó)際領(lǐng)先水平，多項(xiàng)發(fā)明技術(shù)授權(quán)國(guó)際空分行業(yè)龍頭公司實(shí)施應(yīng)用。

  2012年2月，由張鈸院士領(lǐng)銜的自動(dòng)化領(lǐng)域國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室評(píng)估專家組評(píng)價(jià)：高端控制裝備及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)，為解決控制裝備高可靠性、高適應(yīng)性、高安全性與大規(guī)模技術(shù)難題，攻克了高端控制裝備及系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)體系，并在重大工程中得到應(yīng)用，打破了國(guó)外在此方面的市場(chǎng)壟斷和技術(shù)封鎖，起到了不可替代的作用。張鈸院士闡釋：“這個(gè)評(píng)價(jià)是對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)室此項(xiàng)代表性成果的獨(dú)特評(píng)價(jià)，其他實(shí)驗(yàn)室雖然也搞了很多應(yīng)用，也取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，但是只有這個(gè)實(shí)驗(yàn)室最后形成了系列高端產(chǎn)品，打破國(guó)外的市場(chǎng)和技術(shù)壟斷，所以評(píng)估組同意使用‘不可替代’這個(gè)詞。”

  “把重大裝備當(dāng)中的核心問(wèn)題、關(guān)鍵問(wèn)題和卡脖子的問(wèn)題解決了，重大裝備的發(fā)展就起來(lái)了，這是我的一項(xiàng)責(zé)任。把這個(gè)項(xiàng)目完成好，是我們共同的心愿。”孫優(yōu)賢院士說(shuō)。

  浙江大學(xué)孫優(yōu)賢團(tuán)隊(duì)的高端控制裝備研發(fā)成果，已經(jīng)有2500套成功應(yīng)用于大型高爐TRT裝置、空氣分離裝置、火電機(jī)組及各行業(yè)工業(yè)裝置，其中包括我國(guó)寶鋼集團(tuán)最大的5000立方高爐，韓國(guó)現(xiàn)代制鐵集團(tuán)最大的5250立方高爐；成果的技術(shù)性能指標(biāo)全面優(yōu)于國(guó)外主流控制系統(tǒng)，達(dá)到同類技術(shù)的領(lǐng)先水平；產(chǎn)品已出口美國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)等多個(gè)國(guó)家，具有國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。形成授權(quán)發(fā)明專利65項(xiàng)，軟件著作權(quán)30項(xiàng)，SCI、EI論文108篇，專著、編著4本；近三年新增產(chǎn)值189.1億元，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益72.9億。（文 周煒/攝影 盧紹慶）