“中國發(fā)展自動(dòng)化不能搞‘空中樓閣’，工業(yè)裝備需要聰明的‘大腦’，我們課題組覺(jué)得必須要解決這個(gè)問(wèn)題。我們從2003年起組成課題組進(jìn)行攻關(guān)，開(kāi)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(kāi)發(fā)平臺?；谶@一平臺，我們隨后源源不斷地研發(fā)出了鋼鐵、冶金、能源、化工、國防等領(lǐng)域各類(lèi)重大裝備與重大工程所急需的高端控制裝備及系統。”
 

——孫優(yōu)賢
 

  自動(dòng)控制技術(shù)是20世紀發(fā)展最快的技術(shù)，也被認為是21世紀影響社會(huì )發(fā)展的最重要的高技術(shù)之一。人類(lèi)生活的各個(gè)領(lǐng)域，都離不開(kāi)自動(dòng)控制技術(shù)。在發(fā)電、冶煉、化工等等這樣的大型生產(chǎn)過(guò)程中，裝備越來(lái)越復雜，所有傳統工業(yè)生產(chǎn)中依賴(lài)于人工操作的程序，現在，都交給了“控制系統”這個(gè)“大腦”，“控制系統”的強弱，不僅直接決定了企業(yè)的生產(chǎn)規模，也直接決定了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)安全。

  我國的重大裝備制造業(yè)起步于上世紀五六十年代，半個(gè)多世紀以來(lái)，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(shù)的缺失，成為中國工業(yè)大而不強、受制于人的關(guān)鍵之“痛”，也對國家經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)安全帶來(lái)威脅。

  “設備的‘身體’進(jìn)來(lái)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(yōu)賢院士為核心的科研團隊，在近三十年服務(wù)大中型企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)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?；人拇箅y題，聯(lián)合上海電氣集團股份有限公司、杭州優(yōu)穩自動(dòng)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(yè)，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(kāi)發(fā)平臺的研發(fā)。
上篇：研制可以下“蛋”的“母機”

  “平臺的技術(shù)和一般的技術(shù)不一樣，平臺的技術(shù)可以復制、可以套用、可以重用，因此這個(gè)技術(shù)非常重要。”孫優(yōu)賢說(shuō)。平臺系統，科學(xué)家們形象地稱(chēng)之“母機”。

  浙江大學(xué)玉泉校區的控制工程大樓，團隊非常重要的實(shí)驗平臺安置在這里。高端控制裝備硬件平臺實(shí)驗室、高端控制裝備軟件平臺實(shí)驗室、高端控制系統先進(jìn)控制平臺實(shí)驗室、高端控制系統優(yōu)化平臺實(shí)驗室中，實(shí)驗設備一年365天、每天24小時(shí)不間斷運行。實(shí)驗設備模擬的，正是一個(gè)個(gè)真實(shí)場(chǎng)景的大型工業(yè)現場(chǎng)的“大腦中樞”，教授們稱(chēng)它們?yōu)?ldquo;桌面工廠(chǎng)”。在新技術(shù)正式上馬前，研究人員先要在這里進(jìn)行控制系統和控制裝備的設計，模擬真實(shí)現場(chǎng)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(jīng)過(guò)十余年的技術(shù)開(kāi)發(fā)和應用研究，研制成功了高端控制裝備及系統的設計開(kāi)發(fā)平臺，為石化、冶金、化工、能源各個(gè)行業(yè)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(yōu)化平臺等一體化的技術(shù)支撐。
王文海研究員從1985年起就在浙江大學(xué)學(xué)習和工作。當時(shí)，我國大型企業(yè)的高端控制裝備全部依賴(lài)進(jìn)口，研究生階段，他跑得最多的就是全國各大造紙廠(chǎng)，控制系統發(fā)生各種問(wèn)題的時(shí)候，企業(yè)就會(huì )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(shù)，也會(huì )受到各種制約。”設備一壞，昂貴的修理費和漫長(cháng)的等待周期，這不單是一個(gè)成本問(wèn)題，更隱含安全問(wèn)題。“國外企業(yè)提供的軟件硬件中，有可能包含一些bug漏洞或隱性的暗門(mén)，這些東西一旦被觸發(fā)，就會(huì )使國家遭受經(jīng)濟和安全的影響。”

  做自主可控的硬件平臺和軟件平臺，簡(jiǎn)單了說(shuō)，就是做一套普適于各種重大工業(yè)控制裝備的工業(yè)控制計算機系統和設計編程平臺環(huán)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(xiàn)監控、高適應性智能模塊等技術(shù)，能適應各種惡劣的工業(yè)環(huán)境和復雜的控制對象進(jìn)行工作；在軟件平臺設計中，課題組實(shí)現了多領(lǐng)域工程對象模型、集群分布式實(shí)時(shí)數據庫和集成編程開(kāi)發(fā)環(huán)境，能針對不同行業(yè)進(jìn)行算法的定制封裝、重構復用以及云更新，同時(shí)，還能支持控制算法的多用戶(hù)協(xié)同編程、遠程維護，并實(shí)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(yè)集團之一，產(chǎn)品覆蓋火力發(fā)電機組、核電機組、風(fēng)電、重型裝備、輸配電等領(lǐng)域，年銷(xiāo)售額近800億元。“控制系統是機械裝備的關(guān)鍵部分，過(guò)去我們都是用進(jìn)口裝備來(lái)武裝我們自己的裝備，但是價(jià)格貴，受到制約也多。”曾任集團中央研究院院長(cháng)，現任上海電氣集團自動(dòng)化事業(yè)部部長(cháng)的黃建民，10年來(lái)已經(jīng)和浙大的科學(xué)家們結成了老朋友，他的一個(gè)夢(mèng)想，就是創(chuàng )造一個(gè)自主品牌的高端控制系統。“我們找到了浙江大學(xué)，在浙江大學(xué)的支持下，形成了自主的硬件軟件開(kāi)發(fā)系統，結束了受?chē)夤臼`的局面。我們生產(chǎn)的火電、環(huán)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(gè)秸稈焚燒發(fā)電工程，在新疆啟動(dòng)一項石化尾氣發(fā)電工程。“上海電氣有做大型裝備的傳統優(yōu)勢，還有電子產(chǎn)品制造產(chǎn)業(yè)化的經(jīng)驗和專(zhuān)長(cháng)，與他們進(jìn)行專(zhuān)業(yè)互補行業(yè)協(xié)同后，我們也得到了加強。”王文海說(shuō)。

  下篇：控制系統讓裝備更加“聰明能干”

  高爐TRT裝置，是利用高爐煤氣余壓余熱進(jìn)行發(fā)電的能量回收裝置。TRT裝置能給鋼鐵企業(yè)帶來(lái)顯著(zhù)的經(jīng)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(chǎn)。

  作為我國西南地區最大的煉鐵企業(yè)，柳鋼煉鐵廠(chǎng)今年剛剛完成了年1000萬(wàn)噸鐵的產(chǎn)量。從2004年上馬第一臺高爐TRT開(kāi)始，到現在煉鐵廠(chǎng)每造一座高爐，就要上馬TRT裝置。采用TRT裝置，柳鋼煉鐵廠(chǎng)每年回收電能超過(guò)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(méi)有可靠的控制系統和裝備，我們絕不敢上馬。”柳鋼煉鐵廠(chǎng)分管設備的副廠(chǎng)長(cháng)張洪波說(shuō)。

  在楊春節教授眼中，特大型高爐TRT裝置是復雜工業(yè)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(guò)程平穩性、緊急切換安全性方面都已優(yōu)于國際同類(lèi)控制系統。實(shí)施結果表明，采用國外控制系統的TRT爐頂壓力波動(dòng)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(shí)間由8秒縮短為2秒以?xún)?。這一高精準的控制技術(shù)，推動(dòng)了高爐TRT裝置在國內迅速推廣應用，顯著(zhù)促進(jìn)了我國鋼鐵行業(yè)的節能、降耗、減排。

  TRT運行前的調試階段，楊春節教授必然會(huì )出現在現場(chǎng)。10年來(lái)，調試控制設備的速度越來(lái)越快，10年前，調試花了兩個(gè)月，去年最新上馬的TRT調試，只調試了5天，就實(shí)現了并網(wǎng)發(fā)電。“這速度創(chuàng )造了我們這里的一個(gè)奇跡，”柳鋼煉鐵廠(chǎng)副廠(chǎng)長(cháng)張洪波說(shuō)，“這是科學(xué)家和我們長(cháng)期合作形成的默契。”

  “工業(yè)實(shí)際多年無(wú)法攻克的難題，往往蘊含了國際前沿的學(xué)術(shù)問(wèn)題。”這是課題組劉興高教授常說(shuō)的一句話(huà)，劉老師長(cháng)期瞄準的方向，是高端控制裝置及系統的先進(jìn)控制與優(yōu)化平臺，并以冶金、石化、煤化等領(lǐng)域的重大通用裝備——空氣分離裝置，作為典型的復雜工業(yè)應用對象?？諝夥蛛x裝置的國際難題是動(dòng)態(tài)建模難、節能優(yōu)化難、高純控制難，許多美國、日本的大科學(xué)家傾注了一輩子心血在這一研究領(lǐng)域。10多年來(lái)，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(dòng)現象，建立了非線(xiàn)性波動(dòng)模型，從本質(zhì)上找到了高效節能過(guò)程難以控制的原因所在；同時(shí)，在國際上率先提出了確保產(chǎn)品質(zhì)量和最大效能下、可控可操作的一體化優(yōu)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(yōu)化方法和生產(chǎn)潛力優(yōu)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(chǎn)權的優(yōu)化控制系列核心技術(shù)，處于國際領(lǐng)先水平，多項發(fā)明技術(shù)授權國際空分行業(yè)龍頭公司實(shí)施應用。

  2012年2月，由張鈸院士領(lǐng)銜的自動(dòng)化領(lǐng)域國家重點(diǎn)實(shí)驗室評估專(zhuān)家組評價(jià)：高端控制裝備及系統的設計開(kāi)發(fā)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(shù)難題，攻克了高端控制裝備及系統設計關(guān)鍵技術(shù)，形成具有自主知識產(chǎn)權的核心技術(shù)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(chǎng)壟斷和技術(shù)封鎖，起到了不可替代的作用。張鈸院士闡釋?zhuān)?ldquo;這個(gè)評價(jià)是對這個(gè)實(shí)驗室此項代表性成果的獨特評價(jià)，其他實(shí)驗室雖然也搞了很多應用，也取得了很好的經(jīng)濟效益，但是只有這個(gè)實(shí)驗室最后形成了系列高端產(chǎn)品，打破國外的市場(chǎng)和技術(shù)壟斷，所以評估組同意使用‘不可替代’這個(gè)詞。”

  “把重大裝備當中的核心問(wèn)題、關(guān)鍵問(wèn)題和卡脖子的問(wèn)題解決了，重大裝備的發(fā)展就起來(lái)了，這是我的一項責任。把這個(gè)項目完成好，是我們共同的心愿。”孫優(yōu)賢院士說(shuō)。

  浙江大學(xué)孫優(yōu)賢團隊的高端控制裝備研發(fā)成果，已經(jīng)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(yè)工業(yè)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(shù)性能指標全面優(yōu)于國外主流控制系統，達到同類(lèi)技術(shù)的領(lǐng)先水平；產(chǎn)品已出口美國、德國、日本、韓國等多個(gè)國家，具有國際市場(chǎng)競爭優(yōu)勢。形成授權發(fā)明專(zhuān)利65項，軟件著(zhù)作權30項，SCI、EI論文108篇，專(zhuān)著(zhù)、編著(zhù)4本；近三年新增產(chǎn)值189.1億元，創(chuàng )造經(jīng)濟效益72.9億。（文 周煒/攝影 盧紹慶）