牛绍华、萧德云：过程控制的知识和技能结构

类型分类：: 科普知识

数据分类：: 单相导轨开关电源

牛绍华、萧德云：过程控制的知识和技能结构

发布日期：2022-07-16 点击率：41

过程控制的应用知识和技能具有鲜明的层次结构，不妨从老子《道德经》中“道”、“法”、“术”和“器”的角度，对过程控制的知识层次结构和应用范围作个诠释。

“道”是万事万物的自然规律和发展方向，即“天道”；“法”是循道而行、为达目标所遵循的方法和技能，即“人法”；“术”是为使“人法”得到实施所采取的技术技巧和手段；“器”是为使“术”取得更完美、更有效结果所必需的工具。《道德经》论述的“道”、“法”、“术”和“器”四个层次与过程控制的知识层次是可以一一对应起来的。

“器”(Devices, Instruments, Control Systems)，如传感器、变送器、调节阀、PID控制器、DCS、PLC、SIS和MPC控制模块等毫无疑问都属于“器”的层次范畴。“工欲善其事，必先利其器”，过程控制工程师应该熟悉这些必需之器的功用，做到得心应手。但这些“器”各自有专门的技术工种负责，因此过程控制工程师对“器”的掌握一定要基于需求，适可而止，“有所为，而有所不为，”一个优秀的过程控制工程师不一定要求能熟练地搭建MPC与DCS通讯系统。

“术”(Methods, Tricks, Procedures)，常见的控制算法和手段，比如回路整定、数据处理、数据分析、信号变换、信号补偿、“三传一反”、压缩机动态特性等都属于“术”的层次范畴。“术”的特点是知之为知之，不知为不知，可教可学。但是这些“术”的知识必须有选择性地掌握，懂得取舍，必要的知识既要知其然也要知其所以然，熟悉其应用场景，融会贯通。然而，一个过程控制工程师不需要像数据科学家那样对各种数据分析算法了如指掌，也不需要像一个工艺工程师那样熟悉精馏塔的塔板特性，有些知识可以临时抱佛脚，或虚心向团队里的相关专家求教。

“器”和“术”都是易学易用的，熟练掌握常见和常用的“术”是维持控制系统正常运行的必需，是对过程控制工程师的基本要求。但很多过程控制工程师花费大量时间在“术”和“器”上，比如PID回路整定或DCS组态微调，乐此不疲，忘记了“术”和“器”是为了更高层次的任务。一个有问题的控制回路很难通过整定PID参数来改善其控制性能；一个物料不平衡的工艺过程不可能靠增加几个控制器来达到整体稳定。通常情况下，局部的改善或改进是难以补救整体方案固有的缺陷，也很难修补整体方案缺陷带来的祸害。

“法”(Skills, Methodologies)，是过程控制工程师应具备的特质，也就是具有上分析问题的能力和解决问题的技能，具体来说就是控制方案的分析和设计，以及控制问故障的诊断和排除。“法”是行之有效的最佳实践，要达到“法”的高度，必须对“术”和“器”能灵活应用。需要多年知行合一的修真苦炼，不但要学习成功的经验，也要接触足够多的失败案例，反中求正，不蹈覆辙。理论和实践存在很大区别，前者只谈什么是正确的，后者更需要知道什么是错误的。比如在Matlab里仿真一个PID回路是简单的，但在DCS上实现一个能够24/7连续工作的PID控制回路就相对难了，因为它要应对各种想得到和想不到的应用需求和故障场景，很难做到万无一失。

工艺流程是对过程控制工程师的最大挑战，其一生可能要面对数不清的陌生工艺流程，不可能全部精通，面对一个陌生工艺流程往往会感到无从入手。实际上，工艺流程的动态因果关系分析或过渡过程分析对所有的过程类型都是适用的，比如精馏塔与压缩机的工艺分析，其手段和方法是高度一致的，控制方案的设计或故障问题的诊断与排除同样也有共同的法则可循。掌握这些方法和法则，方可变被动为主动，以不变应万变。一个资深的过程控制工程师，眼中看到的不仅仅是流程上的管、线、炉、塔，更重要的是深知一个个流动的测量变量以及它们之间的因果关系和动态响应。

“道”(Strategies, Philosophies)，修炼到极致的人方可得“道”。“道”是一种直觉、一种本能，是从必然王国进入到自由王国。虽然实际问题千变万化，但万变不离其宗，宗即是“道”，悟道之人，触类旁通，举重若轻。悟道需要努力、机遇和天分，需要持之以恒的身体力行。工作团队里有一位得“道”高人，团队水平会很快提升。当然，得“道”之人应该乐于分享，独乐乐不如众乐乐。

大“道”至简，高明的控制方案往往是意外的简单，比如有时一个小小的反馈机制可以取代复杂的物料和热量平衡计算。一个完美的控制方案有时需要跳到盒子之外，比如一个简单的、合理的工艺改进可以大大简化控制方案。大巧似拙，有时候慢便是快，比如老老实实用测试和建模的方法整定PID参数，往往比貌似简便快捷的“曲线试凑法”更可信、更可靠，而且可能事半功倍。这样的境界通常必须是理论与实践融会贯通的前提下收放自如、游刃有余的结果。

上述这些关于“道”、“法”、“术”和“器”的论说，是对过程控制知识层次结构的很好诠注。

新书《过程控制-工程分析与最佳实践》

作者：牛绍华、萧德云
牛绍华(Steve S. Niu)，1985年毕业于清华大学自动化系，获学士学位，1994年获加拿大Alberta大学过程控制博士学位。毕业后在加拿大和瑞典从事10年的学术研究，后进入加拿大和美国石油公司从事25年的过程控制工作。长期的一线现场工作涵盖了过程控制的几乎所有方面，从研究、开发到应用，从项目管理、产品管理、项目执行到运行维护。25年间设计并实施了数百种控制解决方案，包括基层控制、先进控制、压缩机控制、动态仿真、实时优化等，涉及的生产过程包含上游油气生产、炼油、石化、化工和造纸等，区域跨越欧亚美非各洲，项目规模从小型控制改进课题到数十亿美元的大型工程。

萧德云，清华大学自动化系教授、博士生导师，主要从事连续过程行业的建模与辨识、故障诊断和安全评估、多传感器信息融合、过程控制系统、流程工业CIMS(计算机集成制造系统)等方面的教学和科学研究。出版的著作包括“过程辨识”和“系统辨识理论及应用”等，主要译著有F.G.Shinskey的“过程控制系统—应用、设计和整定(第3版和第4版)”。

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