生產(chǎn)制造全流程優(yōu)化控制對(duì)控制與優(yōu)化理論方法的挑戰(zhàn)

廖飛翔

（深圳市中天歐信機(jī)電設(shè)備有限公司，廣東深圳 518000）

在全流程優(yōu)化控制被提出與推廣之前，我國生產(chǎn)制造行業(yè)內(nèi)常見的控制與優(yōu)化理論為—金字塔式的人工操作控制，就是指依靠人工力量對(duì)生產(chǎn)制造環(huán)境中的流水線、機(jī)電設(shè)備等進(jìn)行控制，定期檢查設(shè)備，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，采取措施規(guī)避故障，以此維護(hù)生產(chǎn)制造系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。但是這種控制與優(yōu)化方法在實(shí)際實(shí)施的過程中仍然存在一定不足，比如：耗能高、成本高、人員主觀性較強(qiáng)、產(chǎn)品質(zhì)量控制精度不足等。為了更好地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造的發(fā)展，提高企業(yè)資源利用率，主動(dòng)適應(yīng)外部經(jīng)濟(jì)環(huán)境變化，技術(shù)人員立足生產(chǎn)制造環(huán)境搭建了全流程優(yōu)化控制系統(tǒng)。全流程優(yōu)化控制系統(tǒng)應(yīng)用之后，進(jìn)一步將生產(chǎn)環(huán)境內(nèi)的各部分聯(lián)系起來，加強(qiáng)了對(duì)生產(chǎn)對(duì)象、機(jī)電設(shè)備運(yùn)行、生產(chǎn)范圍的控制力度，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)制作的可控性。

1 控制與優(yōu)化方法

1.1 過程控制理論

過程控制理論是一種在閉環(huán)控制、回路穩(wěn)定狀態(tài)之下對(duì)運(yùn)行過程進(jìn)行控制的理論方法，在過程控制理論之下，需盡可能確保被控變量始終處于一定范圍之內(nèi)，跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)定值。過程控制力論起源于20世紀(jì)40年代，最早產(chǎn)生于穩(wěn)定判據(jù)、Bode 圖分析、閉環(huán)特征方程根求解中，這些理論的產(chǎn)生標(biāo)志著自動(dòng)控制技術(shù)逐漸成熟，其形成了一套相對(duì)完整的，以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)理論；此時(shí)理論主要內(nèi)容為：單輸入–單輸出、控制器設(shè)計(jì)、線性定常控制系統(tǒng)分析中，在頻率法、根軌跡法基礎(chǔ)上研究控制方法。這一理論也可稱為“經(jīng)典控制理論”，其提出與推廣為工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步提供了動(dòng)力，但是也具有局限性，無法滿足多變量系統(tǒng)的控制需求。

1.2 過程運(yùn)行優(yōu)化與反饋控制理論

控制理論方法的提出與發(fā)展是工業(yè)快速發(fā)展的基礎(chǔ)，無論是人工控制，還是自動(dòng)控制，其作用不僅在于促使控制系統(tǒng)輸出跟蹤設(shè)定值，更在于對(duì)整個(gè)運(yùn)行過程進(jìn)行控制，直觀反饋生產(chǎn)加工的情況，比如：產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、材料消耗等，且控制各項(xiàng)指標(biāo)始終在可控目標(biāo)范圍之內(nèi)。一般來說，基礎(chǔ)的控制理論基礎(chǔ)均是假設(shè)可以理想控制回路設(shè)定值的情況，將更多的注意力集中在加強(qiáng)反饋控制層面，而忽視了理想設(shè)定值反饋控制不能實(shí)現(xiàn)這一情況之下的運(yùn)行控制需求。

在控制與優(yōu)化方法被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)過程的運(yùn)行優(yōu)化、運(yùn)行控制成為人們研究的主要方向，但是由于工業(yè)生產(chǎn)制造本身具備一定的專業(yè)性，至今仍沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的、針對(duì)工業(yè)過程的優(yōu)化與控制方法。以石化生產(chǎn)線普遍采用的運(yùn)行控制與優(yōu)化系統(tǒng)（圖1）來說，單入單出控制器、RTO 實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的主要構(gòu)成，其中RTO 系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制與計(jì)劃調(diào)度有關(guān)的質(zhì)量變量、消耗變量、效率變量，對(duì)生產(chǎn)制造過程中的質(zhì)控量、消耗、效率等進(jìn)行控制，將其中的某項(xiàng)單個(gè)變量作為決策變量，形成控制系統(tǒng)設(shè)定值。RTO 的使用需要本身存在穩(wěn)態(tài)模型C（x，u，p）作為約束條件，對(duì)目標(biāo)函數(shù)F（x，u，p）作為一般經(jīng)濟(jì)效益函數(shù)。

圖1 石化生產(chǎn)線普遍采用的運(yùn)行控制與優(yōu)化系統(tǒng)

由于圖1中的系統(tǒng)采用靜態(tài)模型，若所跟蹤控制的系統(tǒng)發(fā)生工況變化，或者遭受外部干擾，則必須要等待被控過程形成新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，才可以優(yōu)化。由此可見，這一控制理論在實(shí)際應(yīng)用過程中存在較強(qiáng)的滯后性，而生產(chǎn)制造的工程具備動(dòng)態(tài)化特征，在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生頻繁的負(fù)荷變化、批次間歇生產(chǎn)等；采用這一控制原理與方法，無法實(shí)現(xiàn)變化性、全局性的優(yōu)化運(yùn)行。

1.3 控制與優(yōu)化理論受到的挑戰(zhàn)

上述兩種控制與優(yōu)化理論及其系統(tǒng)，就是全流程控制系統(tǒng)提出之前的常見控制系統(tǒng)。提出全流程優(yōu)化控制系統(tǒng)之前，控制與優(yōu)化理論的應(yīng)用，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)制造各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)控與運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估，只需要獲取運(yùn)行狀態(tài)，將運(yùn)行狀態(tài)反饋給工作人員即可，由工作人員根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)與專業(yè)知識(shí)做出決策，操控系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)與制作的過程進(jìn)行調(diào)控，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)與制作過程的優(yōu)化。全流程優(yōu)化控制系統(tǒng)提出之后，其不僅具備運(yùn)行過程監(jiān)控功能，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)與制作運(yùn)行過程的全流程監(jiān)控，且可以利用核心技術(shù)感知運(yùn)行狀態(tài)、評(píng)估與預(yù)測運(yùn)行狀態(tài)的變化、可視化呈現(xiàn)運(yùn)行過程，呈現(xiàn)具有一定專業(yè)性的決策建議。這種功能豐富、控制穩(wěn)定的系統(tǒng)，對(duì)原本控制與優(yōu)化理論造成了嚴(yán)重沖擊。

2 生產(chǎn)制造全流程優(yōu)化控制系統(tǒng)及其應(yīng)用

2.1 生產(chǎn)制造全流程優(yōu)化控制

為了更好地探索生產(chǎn)制造的全流程優(yōu)化控制，本次引入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)制造業(yè)全流程智能優(yōu)化控制系統(tǒng)作為案例。工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)制造業(yè)生產(chǎn)流程控制，主要以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)獲取的大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，利用工況識(shí)別技術(shù)、智能感知技術(shù)、高性能智能自動(dòng)控制技術(shù)、遠(yuǎn)程移動(dòng)監(jiān)控技術(shù)、可視化技術(shù)、AI 技術(shù)、全流程多工序的協(xié)同優(yōu)化控制技術(shù)，充分滿足多工況、復(fù)雜化生產(chǎn)制造過程的流程優(yōu)化控制需求。這一控制系統(tǒng)的提出與應(yīng)用，能夠彌補(bǔ)上述兩種控制與優(yōu)化方法的不足，為生產(chǎn)制造控制提供技術(shù)支持。案例中全流程優(yōu)化控制系統(tǒng)的具體構(gòu)成及其功能如下。

（1）智能感知與工況識(shí)別系統(tǒng)。此系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集數(shù)據(jù)資料，以大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)時(shí)識(shí)別工業(yè)生產(chǎn)流程，識(shí)別工況的變化。這一子系統(tǒng)利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)資料，將原本的人工輸入化驗(yàn)資料、輸入單向數(shù)據(jù)、分析工況運(yùn)行情況等過程進(jìn)行調(diào)整，形成了全新的多源異構(gòu)的工業(yè)大數(shù)據(jù)匯聚集合，借助人工智能與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)時(shí)分析傳遞過來的數(shù)據(jù)，預(yù)測工況變化、分析工況變化之后引起的生產(chǎn)制造過程變化，實(shí)現(xiàn)預(yù)測、感知、溯源等功能。

（2）高性能的智能自動(dòng)控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)是以大數(shù)據(jù)技術(shù)為核心驅(qū)動(dòng)技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)制造進(jìn)行感知與工況識(shí)別的系統(tǒng)，能夠及時(shí)感知到生產(chǎn)條件的變化，根據(jù)自適應(yīng)機(jī)制生成控制回路的設(shè)定值，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定值的跟蹤控制，完成對(duì)生產(chǎn)制造運(yùn)行過程的優(yōu)化控制。這一系統(tǒng)能夠?qū)ιa(chǎn)制造的工況進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控，將監(jiān)控結(jié)果以可視化的形式呈現(xiàn)出來，使工作人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)工況異常。一旦工況異常，則會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)自由化控制機(jī)制，排除異常工況；同時(shí)進(jìn)行自愈控制，維護(hù)生產(chǎn)制造的安全運(yùn)行狀態(tài)。

（3）生產(chǎn)制造全流程的多個(gè)工序協(xié)同控制系統(tǒng)。協(xié)同控制系統(tǒng)，主要是負(fù)責(zé)本案例中生產(chǎn)制造過程各個(gè)流程工序的協(xié)調(diào)，對(duì)各流程工序運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測與分析，生成產(chǎn)品的質(zhì)量、單位時(shí)間產(chǎn)量、產(chǎn)品成本、產(chǎn)品排放工藝等各指標(biāo)參數(shù)，形成自適應(yīng)的運(yùn)行指標(biāo)目標(biāo)數(shù)值。目標(biāo)數(shù)值可以作為生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化跟蹤運(yùn)行依據(jù)，以此完成自優(yōu)化、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)，形成生產(chǎn)過程中各流程的協(xié)同控制與優(yōu)化。

（4）遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)控制與優(yōu)化理論提出的。傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程控制僅是本地局域內(nèi)的生產(chǎn)過程監(jiān)控，以PLC 技術(shù)作為控制核心，工作人員在控制室獲取生產(chǎn)過程的監(jiān)控信息，了解生產(chǎn)與制作的運(yùn)行狀態(tài)。但是這種系統(tǒng)功能局限性較強(qiáng)，也不符合全流程控制需要。因此，技術(shù)人員在全流程控制系統(tǒng)中引入遠(yuǎn)程控制技術(shù)、高清設(shè)想監(jiān)控設(shè)備、可視化技術(shù)、工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)等，能夠?qū)ιa(chǎn)與制作工程進(jìn)行全過程監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控，還可以將監(jiān)控信息通過可視化的形式展示出來，具備監(jiān)控、回溯、預(yù)測等功能，充分解決了原本控制中需要停留在控制室才可以監(jiān)控的局限性。在這樣的系統(tǒng)功能支持之下，工作人員可以隨時(shí)隨地利用智能手機(jī)觀看生產(chǎn)與制作的全流程運(yùn)行情況，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了無人值守、移動(dòng)遠(yuǎn)程控制、移動(dòng)決策。

（5）AI 系統(tǒng)。AI 系統(tǒng)是具有較強(qiáng)智能的自動(dòng)化、智能化控制系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)控制與優(yōu)化系統(tǒng)中需要人工操作與決策的情況，全流程控制系統(tǒng)中具備AI模塊，可以根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控結(jié)果、回溯情況，為工作人員提供遠(yuǎn)程控制的建議，進(jìn)一步加強(qiáng)人機(jī)交互，有效解決了部分工作人員專業(yè)能力不足的情況，提高了生產(chǎn)制造全流程控制的整體水平。

2.2 基于全流程優(yōu)化控制的生產(chǎn)制造控制系統(tǒng)優(yōu)化

在實(shí)際生產(chǎn)與控制的應(yīng)用中，工作人員搭建全流程的優(yōu)化控制系統(tǒng)，需要連接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，設(shè)置驅(qū)動(dòng)集中式ERP、MES 系統(tǒng)，形成分散式的大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，將機(jī)電設(shè)備、產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量、產(chǎn)品生產(chǎn)的材料消耗、運(yùn)行能源消耗等聯(lián)系起來，間距數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)孿生功能，能夠滿足可視化監(jiān)控、運(yùn)行過程預(yù)測與回溯需求。

（1）加強(qiáng)生產(chǎn)與制作機(jī)電設(shè)備控制，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)智能化控制。在應(yīng)用中，可以將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與生產(chǎn)制造過程中搭建機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)聯(lián)系起來，采用工業(yè)大數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與預(yù)測，遠(yuǎn)程移動(dòng)監(jiān)控機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行溫度、振動(dòng)服務(wù)、油液狀態(tài)等進(jìn)行感知與記錄，智能識(shí)別設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)理完成自動(dòng)化控制、智能運(yùn)維等工作。

（2）加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量控制，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量智能化管控，感知產(chǎn)品質(zhì)量的有關(guān)信息，包括：設(shè)備控制參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量檢測結(jié)果、訂單的完成情況、材料的信息、崗位操作的情況、生產(chǎn)鏈的數(shù)據(jù)等，智能分析產(chǎn)品的質(zhì)量。

（3）加強(qiáng)能源消耗的控制，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)物料智能化管控。全流程優(yōu)化控制系統(tǒng)中有動(dòng)態(tài)監(jiān)控功能，可以實(shí)時(shí)感知物料、能源的消耗情況，同時(shí)借助工業(yè)大數(shù)據(jù)感知設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、能源消耗變化，自動(dòng)化記錄與分析能耗情況，形成能耗折線圖，構(gòu)建能耗能效分析模型。

3 結(jié)語

全流程優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)原本控制與優(yōu)化方法造成挑戰(zhàn)，其以全流程、全自動(dòng)、全方位的優(yōu)化控制原理為支撐，在實(shí)際運(yùn)行的過程中能夠有效降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)制造流水線的運(yùn)行效率，充分發(fā)揮生產(chǎn)制造各環(huán)節(jié)的機(jī)電設(shè)備效能，極大程度上滿足了生產(chǎn)制造的需求。在今后的生產(chǎn)制造發(fā)展中，建議立足具體環(huán)境，確定生產(chǎn)制造需求，充分考慮生產(chǎn)制造的成本、材料、產(chǎn)量、消耗與質(zhì)量等方面要求，引入全流程控制系統(tǒng)，將生產(chǎn)制造現(xiàn)場的各流水線、機(jī)電設(shè)備銜接起來，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造全流程的集成化管理、智能化控制，滿足生產(chǎn)制造企業(yè)的高效節(jié)能生產(chǎn)需求。