一生追着工业难题跑
——记中国工程院院士、工业自动化专家孙优贤
本报记者 林晓晖 孟琳
■ 本报记者 林晓晖 孟琳
熟悉孙优贤的人,喜欢把他形容成一台“发动机”。
这位年过八旬的中国工程院院士、我国工业自动化领域的重要开拓者,嗓门亮、语速快,说到高兴处爽朗大笑,做起事来风风火火,连握手都带着一股劲,让年轻人暗自咧嘴。几十年了,这台“发动机”依然劲头十足。
翻开一本书,给汽车加满油,按下家里的电灯开关,这些寻常动作的背后,都连着复杂的工业生产。一张纸的厚薄、一箱汽油的品质、发电厂燃料的利用效率,都离不开对温度、压力、流量的精确控制。
孙优贤和团队造出的,正是一座为这些生产过程提供支撑的“看不见的工厂”——控制系统。算法、软件、硬件等,从这里走向钢铁、炼油、化工、发电、造纸领域的庞大机器,为越来越多的中国工厂装上自己的“大脑”。
“要造中国自己的工业控制系统”
孙优贤的故事,要从一个连一块像样的控制仪表都造不出来的年代说起。
20世纪50年代初,新中国成立不久,工业基础薄弱。1956年,国家发出“向科学进军”的号召。在制定十二年科学规划时,自动化技术与原子弹、导弹等一道,被科学家们列为最重要、最紧急的发展领域。
但现实是,当时中国自动化装备和系统的技术,大多数被国外垄断。化工厂、炼油厂、造纸厂……车间里的关键装置,几乎清一色是进口货。
“一个设备坏了,维修需要等很长时间;用了很长时间,旧了没办法替换。”那种滋味,像一把火烧得人坐不住。“国家的工业发展等不起啊。”说起这些,孙优贤的语气里仍带着焦灼。
在德国斯图加特大学进修的时候,孙优贤第一次真切见识到了差距:四座大型精馏塔连成一个塔系的实验装置,系统复杂,精度极高——国际上在这个领域发表的文章,必须先用这套装置做验证。他服气,也较上了劲。
1987年3月,孙优贤谢绝国外一流高校的聘请,回到祖国,在浙江大学任教,也暗自立下志愿:把中国的工业自动化水平,追赶到国际先进水平。
浙江大学教授王文海记得,当时很多企业的控制装备及系统经常出毛病,“毛病五花八门,系统运行着运行着,卡住了;某个回路怎么调,都达不到设计要求;有时候死机,有时候相互干扰……”团队修了一处,又冒出一处毛病,仿佛永远修不到头。
工业发展要从源头解决问题。大家心里憋起了一股劲:“我们要做一套包括控制装备和控制软件、属于中国自己的工业控制系统。”孙优贤说。
决定了,就干。孙优贤一向是个等不得的人,“遇到问题,冲上去解决才是。”
学生们至今记得他的一次“亲身示范”——早年,为编写《化工自动化》教材,孙优贤和导师周春晖等专家赴四川调研。去泸州的路上,经过隆昌,赶上涨大水,他们被困在山中的宾馆里,连续几天收不到外界的消息,也不知道前方的路况。
眼看着周老先生的身体渐渐吃不消,孙优贤二话不说,脱掉外衣,穿着短裤、背心,“扑通”跳进了水里,游到被淹的公路上探水情。
孙优贤记得,头一回,举起手也露不出水面,说明还不能走;第二天,手露出来了;第三天,胸口露出来了。“水退下去了!”大家心里终于有了底。
水情,是这样一次一次探出来的。自动化控制系统的路,也是这样一步一步蹚出来的。
孙优贤做科研,有他自己的一套办法。王文海说:“孙老师总是先认准问题,再找解决问题的方法:自己擅长的,就上手做;不熟悉的,就学,或者找懂的人一起做。他相信,问题总能找到解决办法,不能让原有的专业和方法把自己框住。”
于是,师生们做控制软件,也做控制硬件、编程工具和仪表组件,跨涉多个学科,知识欠缺,就一样样补齐,这支队伍,就这样在实战中一点点成长起来。
经过持续攻关,1988年7月,孙优贤和团队研制出“以微机为核心的造纸机计算机控制装备及系统”,在此基础上,团队继续拓展工业控制系统的研发和应用。
系统做出来了,他们又发现,一家造纸厂里运行良好的系统,搬到另一家,往往要改动许多地方。设备、工艺、控制要求各不相同,每接一个新项目,都要重新花不少工夫。
“过去是替一座工厂解决问题,专门为某种工业装备打造一套控制系统,显然并不划算。”他们决定,再往前走一步,做成套专用控制装备及平台。
造纸、炼油、化工,生产过程千差万别,控制系统中却有许多共同的功能。“我们可以把这些共性提炼出来,形成能够重复使用的算法软件和硬件。”孙优贤畅想。
这条路又走了多年。孙优贤和团队完成的“高端控制装备及系统的设计开发平台研究与应用”成果,获得2013年度国家科学技术进步奖一等奖。随后,又研制出“高安全成套专用控制装置及系统”获得2016年度国家科学技术进步奖二等奖。
参与合作的上海电气负责人黄建民说,他们终于建成了自主可控、安全可信的设计开发平台,摆脱了受国外公司束缚的局面。
孙优贤打了个比方:“这个平台,就像母鸡生蛋。”
平台就是那只“母鸡”,不断开发出适应不同生产需求的高端控制装备及系统,就是一枚枚“蛋”,可以送往钢铁、冶金、能源、化工等领域。技术能够复制、套用、复用,用户也有了更多选择。
讲到这里,他又爽朗地笑起来:“‘母鸡’产下适应各种环境的‘蛋’,煎炒蒸煮任你挑选!”
驻扎厂里的“孙老师”
从山东省济宁市兖州区的煤矿井口坐“电梯”往下去,大约深三四百米。
下到井底,眼前一片漆黑。每人一顶头盔、一盏头灯,背着沉甸甸的蓄电池包,灯柱晃过去,只能照亮脚前方寸之地。而离采煤工作面,还有一两公里路,得换上高帮套鞋,深一脚浅一脚地蹚着积水过去。
那一年,孙优贤已经70岁了。同行的弟子、浙江大学教授陈积明一直捏一把汗:下到三四百米的井下,还要步行那么远,积水的地方又湿又滑,万一老师摔一跤怎么办?
孙优贤坚持要下井。团队承接的课题里,就有一部分是这座深井矿的自动化内容:采矿设备的自动化改造,井下的瓦斯监测、人员定位,煤矿应急救援的软件系统,还有煤提升到井上之后的选煤环节。“研发恶劣环境下的控制系统,你必须亲眼看看煤是怎么挖出来的,设备是怎么运转的,工人是在什么样的环境里操作的。”孙优贤这样解释。
自动化设备要真正用起来,必须对工艺和使用的现场足够熟悉,才能适配对象——这是孙优贤常挂在嘴边的一句话,也是他年轻时跟随周春晖先生学习养成的习惯。
造纸,就是他年轻时下功夫最深的一个现场——那是门精细活,纸的厚薄、水分、灰分稍有变化,都会影响产品质量与生产过程。
嘉兴民丰造纸厂的车间里,80多米长的造纸机上,一只只烘缸、一张张铜网还有各种设备前后相接。
纸浆在铜网上脱水成形,再经过压榨、烘干,才成为成品。纸张的定量、水分稍有偏差,便可能影响质量;生产控制一旦失稳,还可能断纸——“砰”的一声,白纸满天飞。
有一回出了故障,老师傅们两天两夜找不到毛病,干着急:“好端端的,怎么纸就拉不出来了呢?”
江南七月,高温似火。孙优贤带着学生李平,穿上民丰厂的工服,钻到移动的铜网下面,爬过来、爬过去,为的是看清楚铜网上纸浆脱离下的水流速度。“下面都是纸浆里的流水,像淋雨一样。”盯着一滴滴水流的速度、水流变化的曲线,最终,他们发现,是网前箱压力和纸浆在网上分布不均的问题。
那段时间,孙优贤和学生们就驻扎在厂里。每天早上七点半进厂,那时工人还没换班;晚上睡前,所有车间的造纸机,他都要检查一遍。厂里上上下下,都记得这位和他们同甘共苦的“孙老师”。
驻厂近二十年,孙优贤和团队先后完成超薄型纸、薄型纸、中型纸、厚型纸、超厚型纸等几乎全部纸种的自动化技术攻关。
他们啃下的“硬骨头”——超薄型电容器纸获得国家金奖后,厂里给每名职工奖励50块。当时,孙优贤一个月的工资也就53块5。民丰造纸厂授予他“名誉职工”称号,嘉兴市授予他“荣誉市民”称号。这些称号,他至今念念不忘。
线路布设时,爬上10多米的高空,孙优贤和学生们穿着短裤汗衫,在温度高达五六十摄氏度的天花板隔层里作业;建造精馏塔的时候,他和同事一起骑着三轮车到杭州钢铁厂,吭哧吭哧地锯断并运回一批批六米长的不锈钢管,作为精馏塔的主体;有时候看工人师傅吃饭去了,他拿起电焊机就上手……这些都没有人觉得奇怪——孙优贤常常说,自己是牛背上长大的孩子,干活,天经地义。
想到自己的导师周春晖,这位赫赫有名的中国化工自动化学科的开拓者,也经常蹲在工厂里。孙优贤还是学生时,去各地下厂,身边常有周老师。老师带着他们看设备、问工艺,和工人一起琢磨生产中遇到的难题。
数不清的工厂和车间里,留下师生的足迹。真实的工业制造需求永远来自一线——这是周春晖教给孙优贤,孙优贤又教给学生的第一课。
精度是控制的灵魂
在庞大而精密的工业控制系统里,差之毫厘,可能谬以千里。一套连续运行的大型工业装置,任何一次控制失准,都可能酿成大祸。
孙优贤提起在兰州炼油厂催化裂化装置的一次经历。两塔控制系统调试时,相连塔体的两个变量产生共振,催化剂从塔顶喷了出来。厂里紧急动员,工人整整清扫了一天。“控制系统发生共振是很危险的。”多年后说起那一幕,他的语气仍会沉下来。
“精度是控制的灵魂。”孙优贤说。
所以,他很不喜欢含含糊糊的“漂亮话”。“现在很多研究报告写得天花乱坠,国际领先、世界领先。”说到这里,他会追问:“你说国际领先,精度是多少,第二名是哪个国家哪个单位的?那他们的精度是多少?”
王文海与孙优贤一起做了二十多年研究,他记得最多的一次,一个半月里,孙优贤和他一起对着一份报告修改了68次。
“孙老师脑子非常快,想到一些思路,就立刻要修改。”王文海说。有时孙优贤有了新想法,看看时间,已是深夜,便没给学生打电话。不过,老先生最多憋到第二天清早。七点多钟,学生的电话就响了,“昨晚讨论过的事,我又有了一个更好的主意!”
孙优贤的备课笔记,也比课本厚两倍多。备一节课,先花三到四倍的时间准备,计算、推导、例子,都得在课前弄清楚。他的教学生涯里,没有发生过计算推理失误,也就是老师们说的“挂黑板”。学生交来的报告要反复打磨,他自己走上讲台,同样得准备周全。
严厉归严厉,孙优贤却从不用自己的框框“套住”学生。研究该往哪里走,他指点方向、把握大局;具体怎么走,年轻人又有很大的探索余地。
数学专业出身的贺诗波,刚转到孙优贤门下时,工程基础比较薄弱,心里有些忐忑。孙优贤看出他的顾虑,没有急着让他补课,而是先问了一句:“你数学里最拿手的是什么?”贺诗波说,是建模和优化。孙优贤点点头:“那我们就从这儿往前走。”
他根据贺诗波的长处,帮助他确定了传感器网络等研究方向:传感器怎样布局,才能覆盖需要监测的范围;节点的能量、通信等资源有限,又该怎样分配、使用。这些工业场景里的问题,恰恰需要数学建模和优化方法。
后来,贺诗波又想把工业网络的研究往更深处推,走进网络科学。通信系统是一张网,人与人的联系是一张网,工业控制系统内部的连接,也能放到网络的框架里研究。
但是那时,他们对具体怎么应用,还没有想得十分清楚。孙优贤仍然支持。“工业系统越来越复杂,要理解许多设备、环节相互连接、彼此影响后的行为,就需要这样的探索。”已经成为浙江大学教授的贺诗波记得,老师看重的是其中的潜在价值,而不是短期产出。
如今,设备越连越多,系统越来越复杂,怎样防范故障、抵御网络攻击,让工厂运转得更安全、更可靠,仍有许多难题要解。孙优贤牵挂着这些,也牵挂着中国自己的核心工业软件。“关键技术要掌握在自己手里,中国工业的‘大脑’还要更聪明、更可靠。我要做的事还有很多。”
这台86岁的“发动机”,还在轰鸣。