打造高端控制装备的“脑库”

　　“中国发展自动化不能搞‘空中楼阁’，工业装备需要聪明的‘大脑’，我们课题组觉得必须要解决这个问题。我们从2003年起组成课题组进行攻关，开始研究为重大装备与重大工程配套的高端控制装备及系统的设计开发平台。基于这一平台，我们随后源源不断地研发出了钢铁、冶金、能源、化工、国防等领域各类重大装备与重大工程所急需的高端控制装备及系统。”——孙优贤

　　自动控制技术是20世纪发展最快的技术，也被认为是21世纪影响社会发展的最重要的高技术之一。人类生活的各个领域，都离不开自动控制技术。在发电、冶炼、化工等等这样的大型生产过程中，装备越来越复杂，所有传统工业生产中依赖于人工操作的程序，现在，都交给了“控制系统”这个“大脑”，“控制系统”的强弱，不仅直接决定了企业的生产规模，也直接决定了产品的质量和生产安全。

　　我国的重大装备制造业起步于上世纪五六十年代，半个多世纪以来，与之配套的高端控制装备几乎完全被国外垄断，尤其是平台性核心技术的缺失，成为中国工业大而不强、受制于人的关键之“痛”，也对国家经济和产业安全带来威胁。

　　“设备的‘身体’进来了，‘大脑’还在人家手上，我们要改变这样的局面。”本世纪初，以孙优贤院士为核心的科研团队，在近三十年服务大中型企业生产自动化技术升级的基础上，瞄准高端控制装备及系统的高安全性、高可靠性、高适应性和大规模化等四大难题，联合上海电气集团股份有限公司、杭州优稳自动化系统有限公司、杭州哲达科技股份有限公司等高端装备制造和应用企业，完成了面向重大工程配套的高端控制装备及系统的设计开发平台的研发。

　　上篇：研制可以下“蛋”的“母机”

　　“平台的技术和一般的技术不一样，平台的技术可以复制、可以套用、可以重用，因此这个技术非常重要。”孙优贤说。平台系统，科学家们形象地称之“母机”。

　　浙江大学玉泉校区的控制工程大楼，团队非常重要的实验平台安置在这里。高端控制装备硬件平台实验室、高端控制装备软件平台实验室、高端控制系统先进控制平台实验室、高端控制系统优化平台实验室中，实验设备一年365天、每天24小时不间断运行。实验设备模拟的，正是一个个真实场景的大型工业现场的“大脑中枢”，教授们称它们为“桌面工厂”。在新技术正式上马前，研究人员先要在这里进行控制系统和控制装备的设计，模拟真实现场的各种工况，完成各种安全性、稳定性和精准度测试。

　　课题组经过十余年的技术开发和应用研究，研制成功了高端控制装备及系统的设计开发平台，为石化、冶金、化工、能源各个行业的重大装备的高端控制系统，提供硬件平台、软件平台、先控与优化平台等一体化的技术支撑。

　　王文海研究员从1985年起就在浙江大学学习和工作。当时，我国大型企业的高端控制装备全部依赖进口，研究生阶段，他跑得最多的就是全国各大造纸厂，控制系统发生各种问题的时候，企业就会找他去“救急”。但是，“即使做的是控制系统，如果你不掌握控制装备的核心技术，也会受到各种制约。”设备一坏，昂贵的修理费和漫长的等待周期，这不单是一个成本问题，更隐含安全问题。“国外企业提供的软件硬件中，有可能包含一些bug漏洞或隐性的暗门，这些东西一旦被触发，就会使国家遭受经济和安全的影响。”

　　做自主可控的硬件平台和软件平台，简单了说，就是做一套普适于各种重大工业控制装备的工业控制计算机系统和设计编程平台环境。在硬件平台方面，课题组解决了控制装备冗余容错、性能在线监控、高适应性智能模块等技术，能适应各种恶劣的工业环境和复杂的控制对象进行工作；在软件平台设计中，课题组实现了多领域工程对象模型、集群分布式实时数据库和集成编程开发环境，能针对不同行业进行算法的定制封装、重构复用以及云更新，同时，还能支持控制算法的多用户协同编程、远程维护，并实现了安全控制与防范。

　　上海电气集团股份有限公司是中国最大的综合性装备制造业集团之一，产品覆盖火力发电机组、核电机组、风电、重型装备、输配电等领域，年销售额近800亿元。“控制系统是机械装备的关键部分，过去我们都是用进口装备来武装我们自己的装备，但是价格贵，受到制约也多。”曾任集团中央研究院院长，现任上海电气集团自动化事业部部长的黄建民，10年来已经和浙大的科学家们结成了老朋友，他的一个梦想，就是创造一个自主品牌的高端控制系统。“我们找到了浙江大学，在浙江大学的支持下，形成了自主的硬件软件开发系统，结束了受国外公司束缚的局面。我们生产的火电、环保、污水处理项目装备，在很多地方建成了推广示范项目。最近，公司即将在山西建设一个秸秆焚烧发电工程，在新疆启动一项石化尾气发电工程。“上海电气有做大型装备的传统优势，还有电子产品制造产业化的经验和专长，与他们进行专业互补行业协同后，我们也得到了加强。”王文海说。

　　下篇：控制系统让装备更加“聪明能干”

　　高炉TRT装置，是利用高炉煤气余压余热进行发电的能量回收装置。TRT装置能给钢铁企业带来显著的经济效益，但前提是TRT装置必须具有高安全性、高可靠性，绝不能影响高炉生产。

　　作为我国西南地区最大的炼铁企业，柳钢炼铁厂今年刚刚完成了年1000万吨铁的产量。从2004年上马第一台高炉TRT开始，到现在炼铁厂每造一座高炉，就要上马TRT装置。采用TRT装置，柳钢炼铁厂每年回收电能超过5亿度。“TRT装备能节能降噪，它80年代就出现了，但是装备做得再好，没有可靠的控制系统和装备，我们绝不敢上马。”柳钢炼铁厂分管设备的副厂长张洪波说。

　　在杨春节教授眼中，特大型高炉TRT装置是复杂工业系统的典型代表，TRT一直是他的研究主攻方向，10多年间，课题组设计的智能运行控制方法不断升级，在高炉顶压稳定性、TRT升速过程平稳性、紧急切换安全性方面都已优于国际同类控制系统。实施结果表明，采用国外控制系统的TRT炉顶压力波动在3kPa左右，而杨春节教授则把这一误差缩小到了1.5kPa，并将TRT装置紧急切换峰值时间由8秒缩短为2秒以内。这一高精准的控制技术，推动了高炉TRT装置在国内迅速推广应用，显著促进了我国钢铁行业的节能、降耗、减排。

　　TRT运行前的调试阶段，杨春节教授必然会出现在现场。10年来，调试控制设备的速度越来越快，10年前，调试花了两个月，去年最新上马的TRT调试，只调试了5天，就实现了并网发电。“这速度创造了我们这里的一个奇迹，”柳钢炼铁厂副厂长张洪波说，“这是科学家和我们长期合作形成的默契。”

　　“工业实际多年无法攻克的难题，往往蕴含了国际前沿的学术问题。”这是课题组刘兴高教授常说的一句话，刘老师长期瞄准的方向，是高端控制装置及系统的先进控制与优化平台，并以冶金、石化、煤化等领域的重大通用装备——空气分离装置，作为典型的复杂工业应用对象。空气分离装置的国际难题是动态建模难、节能优化难、高纯控制难，许多美国、日本的大科学家倾注了一辈子心血在这一研究领域。10多年来，刘兴高教授理论研究与应用研究相结合，在国际上首次报道了内部热耦合精馏的反向响应和独特的波动现象，建立了非线性波动模型，从本质上找到了高效节能过程难以控制的原因所在；同时，在国际上率先提出了确保产品质量和最大效能下、可控可操作的一体化优化设计方法，首次设计出了99.999%的超高纯热耦合控制方案，得到了多种高效的节能潜力优化方法和生产潜力优化方法，成功解决了以上国际难题，形成了具有我国自主知识产权的优化控制系列核心技术，处于国际领先水平，多项发明技术授权国际空分行业龙头公司实施应用。

　　2012年2月，由张钹院士领衔的自动化领域国家重点实验室评估专家组评价：高端控制装备及系统的设计开发平台，为解决控制装备高可靠性、高适应性、高安全性与大规模技术难题，攻克了高端控制装备及系统设计关键技术，形成具有自主知识产权的核心技术体系，并在重大工程中得到应用，打破了国外在此方面的市场垄断和技术封锁，起到了不可替代的作用。张钹院士阐释：“这个评价是对这个实验室此项代表性成果的独特评价，其他实验室虽然也搞了很多应用，也取得了很好的经济效益，但是只有这个实验室最后形成了系列高端产品，打破国外的市场和技术垄断，所以评估组同意使用‘不可替代’这个词。”

　　“把重大装备当中的核心问题、关键问题和卡脖子的问题解决了，重大装备的发展就起来了，这是我的一项责任。把这个项目完成好，是我们共同的心愿。”孙优贤院士说。

　　浙江大学孙优贤团队的高端控制装备研发成果，已经有2500套成功应用于大型高炉TRT装置、空气分离装置、火电机组及各行业工业装置，其中包括我国宝钢集团最大的5000立方高炉，韩国现代制铁集团最大的5250立方高炉；成果的技术性能指标全面优于国外主流控制系统，达到同类技术的领先水平；产品已出口美国、德国、日本、韩国等多个国家，具有国际市场竞争优势。形成授权发明专利65项，软件著作权30项，SCI、EI论文108篇，专著、编著4本；近三年新增产值189.1亿元，创造经济效益72.9亿。