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毕业设计外文译文
AnnualReviewsinControl31（2007）211一20
工序自动化的未来发展趋势
作者：
Sirkka-LiisaJamsa-Jounela
赫尔辛基科技大学加工过程控制与自动化实验室，Kemistintie1，芬兰的埃斯波，FI-02150
摘要
近年来，工业生产中工序自动化的重要性已经日益凸显。
在高度工业化的国家，借助于工序自动化技术，可以以提高产品质量，掌握全系列产品，增加过程的安全性和设备的可用性，有效地利用了资源和降低排放量。
在快速发展中国家，大规模生产成为工序自动化应用的主要动机。
对于工序自动化应用的最大需求是在化工、发电和石化等行业;而在制药行业中，对于硬件、标准的流程自动化的软件和服务的需求也在急速增长。
自动化技术在工业生产过程中的重要性在不断提高。
在操作方面，信息、通信和自动化技术之间的传统障碍正在逐渐消失。
而最新的技术，包括无线网络，现场总线系统和资产管理系统，大大提高提高了工艺系统的效率。
在控制系统建模、分析和设计中，新的应用领域，如生物技术和微控制系统的出现，对未来的理论工作带来了新的挑战。
在本文中，对目前行业发展中对自动化的要求，以及工序自动化的未来发展趋势，加以介绍和讨论。
关键词：
工序自动化;未来的发展趋势。
1.简介
在评估未来的自动化需求时的出发点是，一方面，全球经济的发展和趋势，以及另一方面是它们在社会和经济的发展中的体现。
全球风险管理将在未来变得越来越重要。
特别地，为了遏制经济，环境，能源和基础设施相关的风险，更好地控制和预期是必要的。
面对气候变化和日益稀缺的原材料，世界正需要寻找和开发新的环境和能源解决方案。
世界上的水供应也需要发展。
国际竞争和全球性的商业环境已经遍布各地。
业务营运及资本市场是动态的，他们寻求在开放竞争中提供最佳成功机会的环境。
另外在业务和生产里，研究与开发也在寻求最好的操作环境。
在未来几年，经济，组织和科技的发展趋势会导致自动化技术发生显著的变化。
通过开发技术，可以解决满足社会和行业的基本需求的问题。
技术的发展有助于保持目前的竞争优势，并在许多新的领域创造新的竞争优势，从而进一步提高繁荣和福祉。
高科技应用的发展，进一步促进了网络之间业务的公司，大学和研究机构，以及公共部门的决策者引进新的合作模式。
对于跨学科的研究领域，例如材料的开发，需要在具备物理，化学，生物材料，电子，通讯，编程和自动化的专业知识。
全球化对不同国家和文化之间的互动带来也新的问题和挑战。
因此，过程工业自动化的重要性在最近几年急剧增加。
它已成为整个化工，石油，天然气和生物技术行业领域里的一种推动力。
创新的仪器仪表系统可以控制复杂的流程，确保流程的可靠性和安全性，并且先进的维修策略为其提供了支持。
在化学和生物产业的成本压力的持续增加的情况下，为以提高生产力没有过多可选择的方案，公司需要采取综合办法解决质量，成本和时间的问题，而自动化工程将发挥重要的作用。
工序过程的控制，能确保工厂连续工作，在该厂可预见的获得最大收益的范围内，达到使用更少的能源制造出更多在可靠性，产量和质量均一致的产品（班森，1997年）。
这项技术将有助于提高生产效率，提高产品质量，加快系统的改造和翻新活动以增加灵活性。
在本文中，将介绍和讨论目前的适应自动化需求的行业发展趋势，以及工序自动化的未来发展趋势。
本文的结构如下：
在第2节介绍截止2010年，包括行业，地区，产品和服务的工业生产过程自动化市场的发展。
在第3节中对未来的自动化技术的发展趋势，如生产和经营，工业通信技术的融合方面，进行了讨论。
文章最后介绍工序自动化的最新成果和未来的应用趋势。
2.截止2010年，制造业自动化市场的发展
2.1各行业市场的发展
巴塞尔（瑞士北部一城市）咨询公司的报告指出，在2005年和2010年之间整个世界工序自动化的市场规模以平均每年的增长率为5.1％的速度增长，2010年已达到94.2十亿美元。
对工序自动化的需求量最大的是在化工、发电、石化和五金等行业，对标准流程自动化的软件和服务的需求量增长最快的是在制药行业。
下图1展示了未来整个世界工序自动化在个人应用领域的市场发展，可见硬件中所占的份额有望继续缩小。
2.2全球各地区市场的发展
北美的工序自动化市场在全球处于领先地位。
亚太和东欧从西欧和北美赢得了一定市场份额。
中国是亚洲自动化市场增长的引擎，尽管其工厂自动化水平还处于较低的水平。
印度也正在获得全球市场的份额。
在高度工业化的国家，工序自动化有助于掌握全系列产品，以提高产品质量，提高生产过程的安全性和设备的耐用性，有效地利用资源和降低排放量。
在快速发展中的国家，大规模生产是工序自动化应用的主要动机，质量和环境保护方面也开始变得越来越重要。
2.2.1产品和服务市场的发展
购买于2000年的自动化设备中约39.3％用于工艺过程控制，而集成在各种加工工艺技术的机器中所有的传感器，测量设备和执行器中有60.7%用于工艺过程控制。
到2010年全球控制硬件在总硬件的份额萎缩至35.8％。
智能设备正在普及，控制设备和控制系统也正变得更便宜，他们正日益成为普通市场产品。
可以看出，现场总线通讯和以太网/TCP-IP组件的增长尤为强劲，前者预计将达到年增长8.2％的速度，后者的速度为17％左右。
外部工程需求在全球所占的份额将继续增加，预计从2000年的13.9％上升到2010年的15.5％。
工程支出预计将进一步增加，尤其是在那些工业基础行业。
工厂合理化和优化的趋势，以及生产现场和企业级信息系统的自动化系统集成度的提高，将进一步增加其在工厂总项目成本的份额。
3.未来自动化技术的发展趋势
3.1工业通讯技术的当前状态
通信技术的演进对工业自动化系统的结构变化有强大影响力。
截至目前为止，根据“计算机集成制造（CIM）”的概念，支持工厂自动化系统的通信支持结构已被确定。
在这种分层结构中，不同层次的功能模块设备工作方式被确定为每个设备是专为完成特定的任务，在相同层次的设备使用特定的网络互连，即这些同层次的设备执行相同的任务。
然而，这些设备最近已开始包括一个以上的功能或模块，这增加了设备的自动化的智力水平。
一些传统上被用于测量的设备现在也要支持例如维护和监控等任务。
这意味着传统的分层结构将被分布式通信体系结构所取代。
但是，传统的分层结构仍然存在，在大多数的过程控制策略中这也是可取的。
下面将给出在最重要的工业中低层协议（即ISO模式）的一个简单的调查。
此外，也将对目前基本的以及新兴的高层数据规范（ISO模式）作做一些介绍。
3.1.1低层次的通信协议
最广泛使用的工业网络可分为三大类：
传统的现场总线，基于以太网的网络和无线网络，以安装的现场总线节点的数量为衡量标准PROFIBUS（约14万个节点）和Interbus（约7万个节点）在自动化领域保持全球领先地位。
现场总线也同样具有一个良好的商业地位。
现场总线技术在工业自动化已经达到了一个稳定的阶段，并能满足当地工业通信领域的企业当前的技术要求。
HART和FF总线已经打开现场智能的大门，它不仅能对过程变量进行敏捷的监测和管理，也能对自身的工作状况进行检测和诊断。
下一个阶段是扩大对周围的仪器的诊断能力。
随着这种趋势继续下去，将会实现智能预测，使人们大大受益。
我们将能了解更多有关工业生产过程中的状况，这将使早期发现潜在的问题并解决效率和利润低下的问题。
因此，将从异常情况的事后处理转为防止异常情况的发生。
数据传输需求的增加也逐渐使目前流行的办公网络更加青睐基于工业环境以太网的网络技术。
一些组织（例如IAONA（工业自动化网络联盟））正在推广以太网在工业自动化中的应用。
在这些应用中，现场总线标准也包含基于以太网的通信网络，它履行的是较低层的以太网协议，主要在对这些网络有的实时性要求的区域发展。
目前，IECWG11（国际电工委员会）工作组正在定义RTE需求的概念。
符合IEC61784标准的基于以太网的工业网络是：
如同以太网的发展方式一样，无线通信架构也已经开始时适用于工业用途。
但是，目前有没有被广泛接受的确定的无线现场总线。
然而，越来越多支持使用IEEE802.11办公室标准的无线局域网（WLAN）技术正在发展。
另一个有趣的发展领域，包括基于IEEE802.15.1/BT标准和目前正在开发的IEEE802.15.4/ZigBee标准（IEEE，2003年）的蓝牙无线通信网络，形成了新的无线个人区域网络技术（WPAN）。
无线通信对加工工业能提供很多帮助，该技术具备很多诱人的功能，例如它降低了大型化工厂对复杂和昂贵的布线的需求。
在生产车间的维修人员可以与控制中心保持联系。
那些孤立的机器设备，例如位于山上远程站点的泵站，也可以集成在一起，以实现自动化控制。
无线通信技术还有灵活适用的优势，如易用性、可视化、参数化及通过远程链接诊断都是很重要的考虑因素。
3.1.2高层数据规格
自动化设备的通信可能要进行不同类型数据的交换，如加工过程的测量、控制、诊断、监测和历史记录等不同类型的数据，为了管理这些不同类型的数据，通信协议栈定义了高层次的架构，实现了信息资源的集成，以及产品规格数据、网络安全和保障数据的规范。
OpenO＆M倡议联合工作组推动实现了工艺操作和维护的信息标准，该联合工作组主要有以下三个产业组织：
MIMOSA（资产管理信息标准）,OPC基金会（数据传输标准）和ISASP95（企业控制系统集成标准委员会）。
其中，OPC标准（最严格的既定的标准之一），还能使用如Web服务的最先进的技术，它提供安全的数据交换的能力，并实现可扩展标记语言（XML）封装数据的应用。
另一方面，传统的现场总线（如Profibus和FoundationFieldbus）定义了独立于制造商现场设备的集成的FDT/DTM概念，。
3.2.生产和经营一体化
在不同的加工工业领域的制造厂必须看做这样一个生产系统：
加工（即物质转化的过程），入厂物流（材料运输），工厂（物理载体），自动化（自动运行）和生产组织（人工控制，监督，管理）是组成要素。
生产组织是该生产系统的合作的过程。
实现优化意味着这个生产体系各组件的最佳配置，这种集成方法正越来越多地扩展到具备较完整的更能创造价值的生产链的生产网络，它通常还包括供应商和客户。
为了解决今天的产品制造流程的复杂性问题，需要在整个组织实行信息，通信和自动化技术在水平和垂直的近乎无缝的整合一体化。
在业界的流行语是无缝通信。
通常定位在企业资源规划（ERP）和控制系统水平的制造执行系统（MES）在业界的流行语是无缝通信。
通常定位在企业资源规划（ERP）和控制系统水平的制造执行系统（MES）。
在制造业中众所周知的生产控制系统（MES）有ABB工业IT生产计划，霍尼韦尔的ExperionPKS-Optivision，美卓DNAMES，迪易通TIPS和西门子SIMATICIT系统。
企业资源规划系统（ERP）的主要模块是主生产计划，物料需求计划，物流和客户服务管理,ERP系统的市场领导者是德国的SAPAGI2Technolgies公司，以及相应ASPAGAPO系统是供应链管理市场上最常见的APS系统。
工厂优化，以及通过提高的在生产现场和企业级的信息系统的自动化系统集成度，将成为在此类企业中制造过程自动化的主要目标。
4.工序自动化的最新成就和未来的应用趋势
4.1加工过程控制和MPC
工业模型预测控制在连续加工工业中已经成为一个标准的多变量控制解决方案，现已覆盖90％以上的多变量控制的工业应用。
其能够取得成功的原因是它能够处理多变量系统的输入和输出的约束。
Richalet等人首次描述了MPC控制的应用，他们所开发名为IDCOM的软件。
而代表了第一代MPC技术的还有壳牌石油公司的工程师制订的动态矩阵控制（DMC）算法。
制造工业中一个成功的工业控制器系统必须保持尽可能接近的制约。
第二代MPC的算法，如QDMC，提供了系统的方法来实现这些输入和输出的限制，但有没有明确的方法来处理不可行的解决方案。
第三代MPC区分不同级别的约束（硬，软，排名）算法，提供了一个机制，以实现从一个不可行的解决方案中恢复，从实时变化的控制结构提供了一组丰富的反馈选项以解决问题，并允许更广泛的加工过程（稳定，集成和不稳定）和控制器动态变化范围。
由于这些MPC供应商日益激烈的竞争和兼并，开始产生了两个主要的第四代MPC产品：
由Honeywell提供的RMPCT，以及AspenTechnology提供的DMC-plus，它们如具有解决优先控制目标，提高包括QP和经济目标，直接考虑模型的不确定性（鲁棒控制设计）的稳态目标优化的灵活性，并根据预测误差的方法和子空间的方法提高识别技术等多个优化的功能。
MPC技术被成功应用的许多例子已被媒体报道，他们大多数被应用在炼油领域，但在石化和化工行业也被广泛应用。
已经获得长足增长的领域包括纸浆和的纸和食品加工等行业，第一个全覆盖的基于多变量MPC预测控制技术造纸生产线已经诞生（佚名，2007年）。
非线性MPC技术被应用最广泛的是在化学品、聚合物、空气和天然气处理等领域，NMPC应用程序的大小和范围通常远小于线性MPC应用程序。
加工过程控制的主要发展一般集中在针对系统和控制理论的领域，如在非线性最优控制，结合状态和参数估计的非线性系统，非线性系统中鲁棒性分析和强大的合成方法，空间分解、权力下放和横向协调的大规模非线性网络状突起和离散连续混合控制理论，强调与同样复杂的离散以及连续的系统。
对于最新的加工过程控制的未来的发展趋势，参见Dochain等人的著作（2006）。
4.2人工智能方法的应用
在制造工业中的人工智能方法的大多数为单元流程设计应用在生产链的开头，尤其是在制浆、矿物和金属加工行业。
这些工艺程序的一个典型特征是构建详细的机理模型所涉及的困难，日益增加的国际竞争正迫使加工工业变得更高效，并且更加强调高品质的高端产品的重要性。
可以发现最成功的AI应用是在高端产品的质量控制领域，在该控制领域的一个小的改进可以为企业带来对其竞争对手的重大竞争优势。
人工智能技术在实时过程控制的重要性，已经被许多公开发表的文章所强调了，尤其是据报道MM流程就是受益于于人工智能技术的应用。
4.3过程监测与故障诊断
产品质量在线监测和预测，防止加工过程干扰是生产更高质量的产品，优化生产链，从而提高了工作效率的关键问题。
产品质量在线监测和预测，防止加工过程干扰是生产更高质量的产品，优化生产链，从而提高了工作效率的关键问题。
现代化工厂的复杂性和集成度的不断提高意味着潜在的经济损失可能会更大，而故障诊断会变得更加困难。
据估计，在美国石油化工行业，加工进程异常情况的处理不当导致每年20亿美元的经济损失。
因此，异常情况处理被看作是未来在制定和实施新的控制系统时的挑战。
Venkatasubramanian等人在2003发表了特别是适用于化学过程监测方法的文章。
他们根据根据所用的工艺知识的形式对这些监测方法进行了分类。
一类是过程模型的基础上，既包括定性的因果模型和定量分析方法。
另一类是基于历史过程，既包括定性（如以规则为基础）和定量方法（神经网络和多元统计方法）。
.Komulainen等人在其著作里介绍了此类监测方法成功应用的许多例子。
4.4运营商和运营商支持系统的新的扩展作用
近年来，加工工业中已明确开发和实施了新的自动化和信息技术，以保持竞争力，这促使了当今大量数据的测量成为现实。
同时，技术已经变得很发达，而工厂操作人员的数量已减少，从而使他们的工作要承担更多的责任。
在紧急情况下，所作出的决策一定要迅速，因此所有相关信息必须能够容易和方便地获取。
最近有一项研究，分析了在两个芬兰造纸厂中操作者支持系统的功能和使用。
工厂的自动化系统包括由不同的供应商提供的多种解决方案，它已经被使用了一定的时间。
该生产线具有以下的过程控制和信息管理系统：
工艺过程控制，机器控制，质量控制，网络检测，工艺分析，生产计划，条件和运行性能监控系统。
该自动化系统涉及了一百多家不同的运营商。
最关键和最广泛使用的系统是工艺过程控制，质量控制和监测，以及生产规划系统。
根据这项研究，由于实用性问题和运营商的系统知识贫乏，只有30％至40％的现有目前安装在生产现场的操作支持系统被实际应用。
在关键的情况下影响决策过程的信息，就是所谓的隐性知识。
确保隐性知识以大量成组的形式保留在旧运营商中，特别是在欧洲，将会成为加工工业的另一个挑战。
在未来，支持决策的知识有效管理会因此变得越来越重要。
工艺过程控制系统发展的一个明显趋势是将会具备知识和信息管理的功能。
知识与绩效支持系统将被集成为过程控制系统的一部分，使其成为支持在整个生产线的操作的最佳解决方案。
人类和机器之间相互作用的研究是控制技术应用的一个重要方面，且涉及了技术问题和对社会的影响。
人机关系研究包含人类利用、控制或监督工具、机器或技术系统的所有情况。
它促进人机系统的分析、设计、建模和评估（HMS），包括决策制定和认知过程，对真实和虚拟环境中人的行为的模拟，设计方法学，任务分配共享和工作设计，智能接口，人类的运营商的支持，工作组织，以及选择和培训标准。
在过去的几十年里，出现了从更多面向HMS主题的硬件，到更多软件和系统的转变。
信息是一种非常重要的资产，可以为任何组织提供重大利益和竞争优势，包括复杂的生产技术。
在面临复杂的加工过程的情况下，综合信息系统的设计是非常重要的。
目前也有一个明显的趋势是使用所谓的数据仓库的方法，其中的数据可以用于查询，报告和数据分析，提取相关信息的当前状态的生产，并支持决策过程的控制和优化操作技术。
重点是关注通过整个企业的材料和信息流，其中OSS跟随者加工过程流经整个企业，而不是专注于独立处理单元中的单独任务。
信息集成方法的主要功能不仅是可以进行数据的分析和挖掘，还能支持人机互动。
5.结论
自动化技术在加工工业中的重要性正与日俱增。
在操作方面，信息、通信和自动化技术之间的障碍在逐渐消失。
包括无线网络、现场总线系统和资产管理系统的最新技术，正在提高工艺系统的效率。
在未来，多数行业的大型工厂将主要强调的是资产的优化，这种优化包括资本创办、工厂操作和产品的分配。
工艺过程控制显然发挥了关键的作用。
为了寻求灵活性，行业正朝着生产各类中间产品的方向转移。
一般工厂都较小，往往会更接近于客户。
驱使这种情况发生的关键因素是产品定制的规模、质量要求、服务和效果。
未来的目标是建立敏捷工厂，该类工厂具有在生产大量单一产品时的经济性，以及在一定范围内能够满足几乎所有的产品生产需要的灵活性。
因此，对工艺过程控制的依赖性将会继续增加。
巨型分布式系统的设计，对控制理论提出了新的挑战。
在控制工程中，一个关键的问题是设计高度复杂系统的应用程序，如对于耦合的复杂和庞大的异构系统，涉及到不同的学科知识和不同类型的信息。
据报道，目前需要一种新的建模方法，该建模方法能提供一个框架，在该框架中具备可结合现有的建模技术的关于工序的先验知识。
设计控制器的方法也应该准备使用这个模型。
对涉及数量极其庞大的交互控制回路的网络系统的控制，大量的自处理系统的协调，以及对巨大的不确定性处理，将成为未来研究的焦点。
对生物技术和微控制等新的应用领域的建模、分析和设计，将成为未来的理论工作面临的新挑战。
参考资料
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