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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 單相導軌開關電源

牛紹華、蕭德云：過程控制的知識和技能結構

發布日期：2022-07-16 點擊率：51

過程控制的應用知識和技能具有鮮明的層次結構，不妨從老子《道德經》中“道”、“法”、“術”和“器”的角度，對過程控制的知識層次結構和應用范圍作個詮釋。

“道”是萬事萬物的自然規律和發展方向，即“天道”；“法”是循道而行、為達目標所遵循的方法和技能，即“人法”；“術”是為使“人法”得到實施所采取的技術技巧和手段；“器”是為使“術”取得更完美、更有效結果所必需的工具。《道德經》論述的“道”、“法”、“術”和“器”四個層次與過程控制的知識層次是可以一一對應起來的。

“器”(Devices, Instruments, Control Systems)，如傳感器、變送器、調節閥、PID控制器、DCS、PLC、SIS和MPC控制模塊等毫無疑問都屬于“器”的層次范疇。“工欲善其事，必先利其器”，過程控制工程師應該熟悉這些必需之器的功用，做到得心應手。但這些“器”各自有專門的技術工種負責，因此過程控制工程師對“器”的掌握一定要基于需求，適可而止，“有所為，而有所不為，”一個優秀的過程控制工程師不一定要求能熟練地搭建MPC與DCS通訊系統。

“術”(Methods, Tricks, Procedures)，常見的控制算法和手段，比如回路整定、數據處理、數據分析、信號變換、信號補償、“三傳一反”、壓縮機動態特性等都屬于“術”的層次范疇。“術”的特點是知之為知之，不知為不知，可教可學。但是這些“術”的知識必須有選擇性地掌握，懂得取舍，必要的知識既要知其然也要知其所以然，熟悉其應用場景，融會貫通。然而，一個過程控制工程師不需要像數據科學家那樣對各種數據分析算法了如指掌，也不需要像一個工藝工程師那樣熟悉精餾塔的塔板特性，有些知識可以臨時抱佛腳，或虛心向團隊里的相關專家求教。

“器”和“術”都是易學易用的，熟練掌握常見和常用的“術”是維持控制系統正常運行的必需，是對過程控制工程師的基本要求。但很多過程控制工程師花費大量時間在“術”和“器”上，比如PID回路整定或DCS組態微調，樂此不疲，忘記了“術”和“器”是為了更高層次的任務。一個有問題的控制回路很難通過整定PID參數來改善其控制性能；一個物料不平衡的工藝過程不可能靠增加幾個控制器來達到整體穩定。通常情況下，局部的改善或改進是難以補救整體方案固有的缺陷，也很難修補整體方案缺陷帶來的禍害。

“法”(Skills, Methodologies)，是過程控制工程師應具備的特質，也就是具有上分析問題的能力和解決問題的技能，具體來說就是控制方案的分析和設計，以及控制問故障的診斷和排除。“法”是行之有效的最佳實踐，要達到“法”的高度，必須對“術”和“器”能靈活應用。需要多年知行合一的修真苦煉，不但要學習成功的經驗，也要接觸足夠多的失敗案例，反中求正，不蹈覆轍。理論和實踐存在很大區別，前者只談什么是正確的，后者更需要知道什么是錯誤的。比如在Matlab里仿真一個PID回路是簡單的，但在DCS上實現一個能夠24/7連續工作的PID控制回路就相對難了，因為它要應對各種想得到和想不到的應用需求和故障場景，很難做到萬無一失。

工藝流程是對過程控制工程師的最大挑戰，其一生可能要面對數不清的陌生工藝流程，不可能全部精通，面對一個陌生工藝流程往往會感到無從入手。實際上，工藝流程的動態因果關系分析或過渡過程分析對所有的過程類型都是適用的，比如精餾塔與壓縮機的工藝分析，其手段和方法是高度一致的，控制方案的設計或故障問題的診斷與排除同樣也有共同的法則可循。掌握這些方法和法則，方可變被動為主動，以不變應萬變。一個資深的過程控制工程師，眼中看到的不僅僅是流程上的管、線、爐、塔，更重要的是深知一個個流動的測量變量以及它們之間的因果關系和動態響應。

“道”(Strategies, Philosophies)，修煉到極致的人方可得“道”。“道”是一種直覺、一種本能，是從必然王國進入到自由王國。雖然實際問題千變萬化，但萬變不離其宗，宗即是“道”，悟道之人，觸類旁通，舉重若輕。悟道需要努力、機遇和天分，需要持之以恒的身體力行。工作團隊里有一位得“道”高人，團隊水平會很快提升。當然，得“道”之人應該樂于分享，獨樂樂不如眾樂樂。

大“道”至簡，高明的控制方案往往是意外的簡單，比如有時一個小小的反饋機制可以取代復雜的物料和熱量平衡計算。一個完美的控制方案有時需要跳到盒子之外，比如一個簡單的、合理的工藝改進可以大大簡化控制方案。大巧似拙，有時候慢便是快，比如老老實實用測試和建模的方法整定PID參數，往往比貌似簡便快捷的“曲線試湊法”更可信、更可靠，而且可能事半功倍。這樣的境界通常必須是理論與實踐融會貫通的前提下收放自如、游刃有余的結果。

上述這些關于“道”、“法”、“術”和“器”的論說，是對過程控制知識層次結構的很好詮注。

新書《過程控制-工程分析與最佳實踐》

作者：牛紹華、蕭德云
牛紹華(Steve S. Niu)，1985年畢業于清華大學自動化系，獲學士學位，1994年獲加拿大Alberta大學過程控制博士學位。畢業后在加拿大和瑞典從事10年的學術研究，后進入加拿大和美國石油公司從事25年的過程控制工作。長期的一線現場工作涵蓋了過程控制的幾乎所有方面，從研究、開發到應用，從項目管理、產品管理、項目執行到運行維護。25年間設計并實施了數百種控制解決方案，包括基層控制、先進控制、壓縮機控制、動態仿真、實時優化等，涉及的生產過程包含上游油氣生產、煉油、石化、化工和造紙等，區域跨越歐亞美非各洲，項目規模從小型控制改進課題到數十億美元的大型工程。

蕭德云，清華大學自動化系教授、博士生導師，主要從事連續過程行業的建模與辨識、故障診斷和安全評估、多傳感器信息融合、過程控制系統、流程工業CIMS(計算機集成制造系統)等方面的教學和科學研究。出版的著作包括“過程辨識”和“系統辨識理論及應用”等，主要譯著有F.G.Shinskey的“過程控制系統—應用、設計和整定(第3版和第4版)”。

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