打造高端控制裝備的“腦庫”
http://www.199rrr.com 2014-01-20 11:04 來源：浙大新聞辦
“中國發展自動化不能搞‘空中樓閣’，工業裝備需要聰明的‘大腦’，我們課題組覺得必須要解決這個問題。我們從2003年起組成課題組進行攻關，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的設計開發平臺。基于這一平臺，我們隨后源源不斷地研發出了鋼鐵、冶金、能源、化工、國防等領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。”——孫優賢
自動控制技術是20世紀發展最快的技術，也被認為是21世紀影響社會發展的最重要的高技術之一。人類生活的各個領域，都離不開自動控制技術。在發電、冶煉、化工等等這樣的大型生產過程中，裝備越來越復雜，所有傳統工業生產中依賴于人工操作的程序，現在，都交給了“控制系統”這個“大腦”，“控制系統”的強弱，不僅直接決定了企業的生產規模，也直接決定了產品的質量和生產安全。
我國的重大裝備制造業起步于上世紀五六十年代，半個多世紀以來，與之配套的高端控制裝備幾乎完全被國外壟斷，尤其是平臺性核心技術的缺失，成為中國工業大而不強、受制于人的關鍵之“痛”，也對國家經濟和產業安全帶來威脅。
“設備的‘身體’進來了，‘大腦’還在人家手上，我們要改變這樣的局面。”本世紀初，以孫優賢院士為核心的科研團隊，在近三十年服務大中型企業生產自動化技術升級的基礎上，瞄準高端控制裝備及系統的高安全性、高可靠性、高適應性和大規模化等四大難題，聯合上海電氣集團股份有限公司、杭州優穩自動化系統有限公司、杭州哲達科技股份有限公司等高端裝備制造和應用企業，完成了面向重大工程配套的高端控制裝備及系統的設計開發平臺的研發。
上篇：研制可以下“蛋”的“母機”
“平臺的技術和一般的技術不一樣，平臺的技術可以復制、可以套用、可以重用，因此這個技術非常重要。”孫優賢說。平臺系統，科學家們形象地稱之“母機”。
浙江大學玉泉校區的控制工程大樓，團隊非常重要的實驗平臺安置在這里。高端控制裝備硬件平臺實驗室、高端控制裝備軟件平臺實驗室、高端控制系統先進控制平臺實驗室、高端控制系統優化平臺實驗室中，實驗設備一年365天、每天24小時不間斷運行。實驗設備模擬的，正是一個個真實場景的大型工業現場的“大腦中樞”，教授們稱它們為“桌面工廠”。在新技術正式上馬前，研究人員先要在這里進行控制系統和控制裝備的設計，模擬真實現場的各種工況，完成各種安全性、穩定性和精準度測試。
課題組經過十余年的技術開發和應用研究，研制成功了高端控制裝備及系統的設計開發平臺，為石化、冶金、化工、能源各個行業的重大裝備的高端控制系統，提供硬件平臺、軟件平臺、先控與優化平臺等一體化的技術支撐。
王文海研究員從1985年起就在浙江大學學習和工作。當時，我國大型企業的高端控制裝備全部依賴進口，研究生階段，他跑得最多的就是全國各大造紙廠，控制系統發生各種問題的時候，企業就會找他去“救急”。但是，“即使做的是控制系統，如果你不掌握控制裝備的核心技術，也會受到各種制約。”設備一壞，昂貴的修理費和漫長的等待周期，這不單是一個成本問題，更隱含安全問題。“國外企業提供的軟件硬件中，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，就會使國家遭受經濟和安全的影響。”
做自主可控的硬件平臺和軟件平臺，簡單了說，就是做一套普適于各種重大工業控制裝備的工業控制計算機系統和設計編程平臺環境。在硬件平臺方面，課題組解決了控制裝備冗余容錯、性能在線監控、高適應性智能模塊等技術，能適應各種惡劣的工業環境和復雜的控制對象進行工作；在軟件平臺設計中，課題組實現了多領域工程對象模型、集群分布式實時數據庫和集成編程開發環境，能針對不同行業進行算法的定制封裝、重構復用以及云更新，同時，還能支持控制算法的多用戶協同編程、遠程維護，并實現了安全控制與防范。
上海電氣集團股份有限公司是中國最大的綜合性裝備制造業集團之一，產品覆蓋火力發電機組、核電機組、風電、重型裝備、輸配電等領域，年銷售額近800億元。“控制系統是機械裝備的關鍵部分，過去我們都是用進口裝備來武裝我們自己的裝備，但是價格貴，受到制約也多。”曾任集團中央研究院院長，現任上海電氣集團自動化事業部部長的黃建民，10年來已經和浙大的科學家們結成了老朋友，他的一個夢想，就是創造一個自主品牌的高端控制系統。“我們找到了浙江大學，在浙江大學的支持下，形成了自主的硬件軟件開發系統，結束了受國外公司束縛的局面。我們生產的火電、環保、污水處理項目裝備，在很多地方建成了推廣示范項目。最近，公司即將在山西建設一個秸稈焚燒發電工程，在新疆啟動一項石化尾氣發電工程。“上海電氣有做大型裝備的傳統優勢，還有電子產品制造產業化的經驗和專長，與他們進行專業互補行業協同后，我們也得到了加強。”王文海說。
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高爐TRT裝置，是利用高爐煤氣余壓余熱進行發電的能量回收裝置。TRT裝置能給鋼鐵企業帶來顯著的經濟效益，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。
作為我國西南地區最大的煉鐵企業，柳鋼煉鐵廠今年剛剛完成了年1000萬噸鐵的產量。從2004年上馬第一臺高爐TRT開始，到現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5億度。“TRT裝備能節能降噪，它80年代就出現了，但是裝備做得再好，沒有可靠的控制系統和裝備，我們絕不敢上馬。”柳鋼煉鐵廠分管設備的副廠長張洪波說。
在楊春節教授眼中，特大型高爐TRT裝置是復雜工業系統的典型代表，TRT一直是他的研究主攻方向，10多年間，課題組設計的智能運行控制方法不斷升級，在高爐頂壓穩定性、TRT升速過程平穩性、緊急切換安全性方面都已優于國際同類控制系統。實施結果表明，采用國外控制系統的TRT爐頂壓力波動在3kPa左右，而楊春節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間由8秒縮短為2秒以內。這一高精準的控制技術，推動了高爐TRT裝置在國內迅速推廣應用，顯著促進了我國鋼鐵行業的節能、降耗、減排。
TRT運行前的調試階段，楊春節教授必然會出現在現場。10年來，調試控制設備的速度越來越快，10年前，調試花了兩個月，去年最新上馬的TRT調試，只調試了5天，就實現了并網發電。“這速度創造了我們這里的一個奇跡，”柳鋼煉鐵廠副廠長張洪波說，“這是科學家和我們長期合作形成的默契。”
“工業實際多年無法攻克的難題，往往蘊含了國際前沿的學術問題。”這是課題組劉興高教授常說的一句話，劉老師長期瞄準的方向，是高端控制裝置及系統的先進控制與優化平臺，并以冶金、石化、煤化等領域的重大通用裝備——空氣分離裝置，作為典型的復雜工業應用對象。空氣分離裝置的國際難題是動態建模難、節能優化難、高純控制難，許多美國、日本的大科學家傾注了一輩子心血在這一研究領域。10多年來，劉興高教授理論研究與應用研究相結合，在國際上首次報道了內部熱耦合精餾的反向響應和獨特的波動現象，建立了非線性波動模型，從本質上找到了高效節能過程難以控制的原因所在；同時，在國際上率先提出了確保產品質量和最大效能下、可控可操作的一體化優化設計方法，首次設計出了99.999%的超高純熱耦合控制方案，得到了多種高效的節能潛力優化方法和生產潛力優化方法，成功解決了以上國際難題，形成了具有我國自主知識產權的優化控制系列核心技術，處于國際領先水平，多項發明技術授權國際空分行業龍頭公司實施應用。
2012年2月，由張鈸院士領銜的自動化領域國家重點實驗室評估專家組評價：高端控制裝備及系統的設計開發平臺，為解決控制裝備高可靠性、高適應性、高安全性與大規模技術難題，攻克了高端控制裝備及系統設計關鍵技術，形成具有自主知識產權的核心技術體系，并在重大工程中得到應用，打破了國外在此方面的市場壟斷和技術封鎖，起到了不可替代的作用。張鈸院士闡釋：“這個評價是對這個實驗室此項代表性成果的獨特評價，其他實驗室雖然也搞了很多應用，也取得了很好的經濟效益，但是只有這個實驗室最后形成了系列高端產品，打破國外的市場和技術壟斷，所以評估組同意使用‘不可替代’這個詞。”
“把重大裝備當中的核心問題、關鍵問題和卡脖子的問題解決了，重大裝備的發展就起來了，這是我的一項責任。把這個項目完成好，是我們共同的心愿。”孫優賢院士說。
浙江大學孫優賢團隊的高端控制裝備研發成果，已經有2500套成功應用于大型高爐TRT裝置、空氣分離裝置、火電機組及各行業工業裝置，其中包括我國寶鋼集團最大的5000立方高爐，韓國現代制鐵集團最大的5250立方高爐；成果的技術性能指標全面優于國外主流控制系統，達到同類技術的領先水平；產品已出口美國、德國、日本、韓國等多個國家，具有國際市場競爭優勢。形成授權發明專利65項，軟件著作權30項，SCI、EI論文108篇，專著、編著4本；近三年新增產值189.1億元，創造經濟效益72.9億。
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