（工商管理专业论文）氧气公司连续型生产调度系统研究.pdf

华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 i 摘摘 要要 对工业生产进行自动化控制和自动化管理成为当今时代工业发展的主题。企业 网络的开放化，企业信息的集成化，企业管理的最优化将是将是企业以后发展的方 向。生产管理作为 erp 的一项重要内容，也受到了企业的重视。生产调度作为过程 控制与生产管理之间的重要信息传输纽带，在管控一体化的网络发展模式中，占据 着越来越重要的位置，它是生产管理的基础，信息系统的源头。 本文研究了基于总线的连续生产过程调度与决策支持系统，文中利用中央控制 站实现生产过程的自动化管理，完成监控、调度、协调生产过程的任务。本文进行 了以下几个方面的研究工作：本文在回顾了工业网络的发展趋势、计算机集成过程 系统(cips, computer integrated process systems)于工业改造中的应用意义、调度决 策的研究意义之后，探讨流程工业 cips 的功能结构和实现 cips 的关键技术，并根 据 cips 中生产调度系统的特点，给出 cips 的生产调度系统的系统结构模型。本文 重点以氧气公司生产过程自动化改造项目为背景，构建了基于总线的分布式多层现 场总线网络结构基础之上的连续生产调度与决策支持系统的系统结构，论述基于总 线的连续生产调度与决策支持系统的软硬件设计与系统实现。最后，本文在讨论计 算机集成过程系统中常用的调度方法之后，提出调度决策支持系统集成数据挖掘的 思想，探索用数据挖掘方法解决氧气厂连续生产过程中的调度决策问题。 关健词：关健词： 生产调度；计算机集成过程系统；决策支持；数据挖掘 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 ii abstract automatic control and management in industrial production has become the key topic in industrial development today. the opening of enterprise network, the integration of enterprise information and the optimization of enterprise management will be the trend of enterprise development. production management, an important component of erp, is emphasized by enterprise. production scheduling, an important information bridge which links process control to production management, the basement of production management and the source of information systems, is taking more and more important place in the networked-development mode of integration of management and control. this thesis focuses on a canbus-based continuous production scheduling and decision support system, in which a central control station is used to implement automatic management of production process and to fulfill the tasks of monitoring, scheduling, harmonizing the production process. the involved work is presented as follows: after reviewing the trend of industrial control network development, the applied significance of cips in industrial reconstruction, and the researchful meanings of scheduling decision, this thesis discusses the functional structure of cips in continuous industry and the main technologies of cipss realization, and presents the system structure model of the production scheduling systems of cips based on the analysis of the traits of production scheduling systems of cips. with the background of the production process automatic reconstruction project of oxygen plant, this thesis emphatically constructs the system structure of the fieldbus continuous production scheduling and decision support system based on distributed multilayer fieldbus network framework, and dissertates the software and hardware design and system implementation of the system. last, on the base of discussion of the normal methods of production scheduling of cips, this thesis puts forward the idea of integration of scheduling decision support system (dss) and data mining (dm), and tries to solve the problems of scheduling decision in continuous production process of the oxygen plant by data mining methods. keywords: production scheduling, cips, decision support, data mining 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：刘昕 日期： 2008 年 2 月 2 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 。 (请在以上方框内打 “ ” ) 学位论文作者签名: 指导教师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 1 引引 言言 1.1 选题背景选题背景 连续性生产企业在中国国民经济中占有举足轻重的地位。在连续生产模式下，单 一产品的生产永不停止，产品是连续不断地经过加工设备，产品一般不存在客户化1。 从行业分布上来说，连续生产的行业主要有能源、化工等企业。其生产过程特 点可概括如下： （1）从生产方式上看，连续生产过程及其产品相对稳定，生产周期 长，生产设备种类单调，更换周期长，有极强的结构化特征； （2）从生产优化方面， 连续生产过程往往以现有过程为着眼点，通过优化调度和操作等手段使过程在安 全、平稳条件下根据需求进行优化生产； （3）从运行和控制机制方面来看，连续生 产过程不仅过程机理复杂， 信息不完备， 外部干扰因素较多， 且具有较大的时变性； （4）在故障等突发事件的处理方面，连续生产过程由于生产的强相关和单系列特 点，导致处理非常复杂2。 1.1.1 项目的来源与研究意义项目的来源与研究意义 武汉钢铁集团氧气有限公司，是为冶金系统配套的能源企业，其用途是提供冶 炼所需的工业气体，主要产品为氧气、氮气及氩气，另有配套的空气压缩站若干。 企业主要生产成本为电耗，其占总成本的 95%。以 2007 年为例，电力成本约 6.5 亿元，为集团公司最大用能单位。 对于能源系统来说，由于不存在产品库存，其最大的矛盾在于产品生产量与使 用量之间的差值。如果供大于求，将不可避免导致能源的浪费；如果供不应求，将 直接影响冶炼系统的生产。如何尽量避免这种不利情况的发生，主要依靠其生产调 度系统来指挥调节生产。对工业气体企业而言，产品质量表现为气体压力及纯度， 随着用户对产品质量要求的不断提高，传统的人工调度生产过程的方法已经不能适 应生产发展的要求。所以，充分利用现代计算机技术、自动计量及自动管理功能， 这是实现气体生产过程现代化及优化生产的必然要求。 工业气体生产过程大致如图 1-1 所示： 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 图 1-1 工业气体产品生产示意图 产品输送方式依靠各种不同的管道，形成复杂的管网系统，如图 1-2、图 1-3、 图 1-4、图 1-5 所示： 图 1-2 氧气产品输送示意图 氧气 炼铁低压系统 炼钢高压系统 1#高炉 4#高炉 6#高炉 8#高炉（在建） 一炼钢 二炼钢 三炼钢 四炼钢 小用户系统 一热轧 轧板 高速线材 金属资源 其它用户 2#高炉 5#高炉 7#高炉 高速重轨 9#高炉（规划） csp 二热轧 1580mm 热轧 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3 图 1-3 氮气产品输送示意图 图 1-4 氩气产品输送示意图 图 1-5 空气产品输送示意图 一冷轧 氮气 炼铁低压系统 炼钢低压系统 1#高炉 4#高炉 6#高炉 8#高炉（在建） 一炼钢 轧钢低压系统 二冷轧 三冷轧（在建） 一硅钢 炼铁高压系统 炼钢高压系统小用户系统 三硅钢（在建） 二硅钢 能源动力 技控公司 其他用户 二热轧 一热轧 2#高炉 5#高炉 7#高炉 9#高炉（规划） 1580mm 热轧 四炼钢 三炼钢 二炼钢 csp 氩气 一炼钢 二炼钢 三炼钢 四炼钢 空气 炼铁系统 炼钢系统 轧钢系统 其他用户 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 4 从以上示意图可以看出，氩气系统用户较少，压力等级单一，产品质量要求相 同，生产调度简单；空气系统由于整个公司用户采用环网布置，相对较单。生产调 度的主要矛盾集中在氧气、氮气系统。 企业在进行信息化的过程中，要经历基础级过程自动化、生产调度指挥及生产 管理决策三个阶段。在实现基础级过程自动化以后，需要进一步挖掘检测数据的信 息资源，利用计算机网络技术实现数据共享，以更好地服务于生产3。生产调度属 于策略和运作层，是解决生产计划和生产控制中的调度问题，有效地配置有限资源 以达到一定的目的4。 由于公司的单套设备均为引进德国 linde 公司的成套设备，所以在基础级过 程自动化方面，已经具备了相当完善的条件。所以，在此基础上，公司投入巨资， 建成了以调度为中心， 以数据为基础， 集中监测生产现场设备运转状况及工艺参数， 能迅速指挥、调度生产的，控制、调度一体化的生产调度与决策支持系统，使整个 生产过程处于受控状态。 1.1.2 国内外研究发展趋势国内外研究发展趋势 在现代工业生产中，自动化技术是保证工业生产高质、高效、安全运行的重要 手段。随着现代科技的迅猛发展，自动化技术也经历了若干次重要突破。 首先在五、六十年代，以模拟信号为主的电子装置和自动化仪表组成的监控系 统取代传统的电气传动控制系统。 然后是在七、 八十年代， dcs （distributed control system，集散控制系统）的出现，把大量分散的单回路测控系统通过计算机进行集 中统一管理，用各种 i/o 功能模拟代替控制室仪表，利用计算机实现回路调节、工 况连锁、参数显示、数据储存等多种功能。从而实现了工业控制技术的飞跃。进入 九十年代以来，现场总线（field bus）技术迅速崛起并趋向成熟，控制系统功能也 全面转入现场智能仪表，以此为特征的 fcs（field bus control system，现场总线控 制系统）正在以 dcs 为基础，并进一步取代 dcs 并推动着工业控制技术的又一次 飞跃5678。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 5 随着现代化工业的不断发展，人们对生产过程的控制提出了更高的要求，需要 获取更多的来自现场的信息，实现对现场监测和控制，并将现场数据融入管理、决 策及商务等各个层次的信息交换与集成，以提高生产效率。现场总线技术便是顺应 这一需求而发展起来的新型技术，它将专用微处理器植入传统的测量控制仪表，使 其具有数字计算和数字通信的能力。采用双绞线或光纤等作为总线，把多个测量控 制仪表连接成网络系统，按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量 控制设备间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，在生 产现场、在微机化控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统9，在生产现 场形成全分布式自动控制系统10。新型的现场总线控制系统(fcs)突破了 dcs 系统 中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭的、专用的解决方 案变成基于公开化、标准化的解决方案，同时把 dcs 系统集中与分散相结合的集 散系统结构变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场的智 能设备本身便可实现控制功能。现场总线控制系统顺应了控制系统向分散化、网络 化和智能化的发展趋势，现己成为控制系统发展的主流方向11。 can 是控制局域网络（controller area network）的简称，正是现今流行的一种 较为先进的、性能出色的现场总线技术。由于其高性能、高可靠性、及独特的设计， can 越来越受到人们的重视。由于 can 总线本身的特点，其应用范围目前逐渐由 只局限于汽车工业，而向过程工业、机械工业、数控机床及传感器等领域发展团。 它是一种有效支持分布式控制系统或实时控制的串行通信网络，具有突出的可靠 性、实时性和灵活性。其总线规范己被定为国际标准 is011898，被公认为是目前最 具有发展前途的现场总线之一9。 互联网及其相关技术已经极大地改变了企业的经营方式，它使信息通信贯穿整 个社会，遍及全球。在制造加工工业中，新技术的方向是建立在 intranet/ internet 基础卜的开放式的、 透明的商业运作， 用以取代传统的卖方驱动体系。 企业决策层、 生产管理者乃至经销商和用户都需要了解生产线上的生产信息，以太网、tcp/ ip 为这种需求提供了高效的实现技术。过程控制和自动化领域的每个组成部分，从嵌 入式系统到场地总线，都认识到以太网和 tcp/ ip 的重要性。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 6 基于网络的分布式监控，多服务器多客户端结构可以很容易的建立分布式应用 的方案。这种具有高度伸缩性的结构可以应用在小到一台服务器一个客户端的小系 统，也可以应用在多服务器多客户端的大系统上。客户端只需要 ie 浏览器，通过 ie，可以配置、察看和分析所有能源信息。 工业控制网络发展的趋势和要求:（1）工业网络体系的原则，即开放性； （2） 工业控制的方向，即与 internet 或 intranet 集成； （3）高性能工业网络的要求，即更 高的带宽； （4）新的工业网络体系。而目前发展起来的现场总线技术与以太网技术 是现在工业控制网络的焦点问题，它们的相互结合，可以为工业控制网络产生新的 活力12。 1973 年美国约瑟夫哈林顿(joseph harrington)博士首次提出计算机集成制造 (cim, computer integrated manufacturing)的概念。1986 年，欧共体把 cims 概念拓 宽到流程工业，即在连续型生产过程中实施 cims 计划，也称为计算机集成过程系 统(cips, computer integrated process systems)。 随着计算机技术的迅猛发展，特别是 90 年代以来，在日益激烈的市场竞争推 动下，cims 的理论与实践都得到很大的发展。由于流程工业基础自动化水平相对 较高，据专家预测，在流程工业中实现综合自动化所取得的经济效益和社会效益， 会比离散型工业的 cims 的效益更明显和迅速。由此流程工业 cips 将成为信息时 代改造传统工业的必然模式13。 cips 的研究与实践结果表明， 单纯提高生产装置的控制水平， 寻求局部最优的 投入产出比远远低于提高整体调度水平的投入产出比。研究面向生产调度与过程控 制整体考虑的集成技术，从而能够实现生产调度与过程控制的综合优化方法，提高 流程工业生产过程的柔性，以适应多变市场的需要，具有重要的理论意义，特别是 对发展适合我国国情的 cims 具有重要的应用价值。 调度问题是一类应用广泛的运筹学问题。一般来说，对于调度决策的要求，是 希望在满足一定技术与资源约束的前提下对一系列活动进行排序，并确定适当的执 行时间段，以保证各类活动得以经济合理地安排执行14 15。 在现代制造生产领域，调度以其所处的独特地位受到了日益广泛的重视。生产调 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 7 度作为连接工厂计划层和实时设备控制层的中间环节，在 cim 中的位置正处于整个 体系结构的中间，发挥两方面的作用：一方面接受企业决策层的综合生产计划，经静 态的计划分解后向下面的设备控制层发布调度指令；另一方面，接受设备控制层上报 的实时状态信息，依此进行动态调度来改变部分设定值，并把计划执行情况上报企业 决策层。它直接影响生产成本和资源的合理利用。因此，调度决策水平的提高成为现 在制造企业中决定生产经营过程能否稳定高效地运转地决定因素之一16。 1. 2 研究目的、研究内容与研究方法研究目的、研究内容与研究方法 1） 研究目的研究目的 (1) 以生产管理理论为分析框架，对生产管理及调度管理决策进行系统研究，为 企业进行生产及调度管理决策提供科学的指导。 (2) 提高我国企业在调度管理方面利用信息资源的能力，增强企业竞争力。 (3) 丰富生产管理理论的内容。 2） 研究内容研究内容 本论文对生产管理及调度决策进行了深入而系统地研究，主要内容包括： (4) 企业生产管理及调度决策的特点分析。 (5) 从生产管理成本理论的角度对调度管理的内涵进行分析。 (6) 以在线监测系统为决策框架，将数据信息相结合用于决策分析。 (7) 将生产管理与生产调度通过系统整合建立决策模型。 3） 研究方法研究方法 本学位论文以项目研究与理论研究为主，将生产管理、生产成本理论、现代计 算机辅助管理理论、与企业生产管理实际情况应用于建立生产调度与决策模型的构 建。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 8 1.3 论文的结构安排论文的结构安排 第一章介绍本文的研究背景、目的意义，工业控制网络的发展趋势，cips 对于 工业改造的应用意义和调度决策的研究意义。 并且阐述了 can 总线的基本概念和性 能特点，分析了 can 的网络分层结构、帧结构和通信过程描述。 第二章介绍流程工业的 cims 即 cips 的功能结构， 探讨实现 cips 的关键技术， 然后针对 cips 的生产调度系统进行研究， 分析了 cips 的生产调度系统的特点之后， 给出 cips 的生产调度系统结构的构架模型。 第三章针对氧气公司生产调度的具体情况，探讨和分析基于网络的分布式多层 现场总线网络结构基础之上的连续生产调度与决策支持系统的结构构架。其中讲述 了氧气公司调度系统建设的思想、计算机网络规划和系统功能结构。同时，详细讲 述了该系统的软件主要功能模块设计、通信设计、数据库设计以及系统实现。 第四章概述数据挖掘的基本概念、数据挖掘的主要功能和数据挖掘应用技术。 在讨论 cips 常用调度方法之后，提出调度 dss 集成 dm 思想。进一步探索用数据 挖掘方法解决氧气公司连续生产过程中的调度决策问题。 第五章为结束语。总结本系统的主要特点及其实用价值。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 9 2 cips 中的生产调度系统中的生产调度系统 2.1 引言引言 工业气体生产属于连续制造工业，具备生产规模庞大、环节衔接紧密、生产过 程复杂而稳定等连续工业自身的特点。相对于 cims，cips 所需的技术基础与技术 手段有较大的差异。离散制造工业的生产自动化是围绕设计和制造展开的，连续过 程工业则是以管理和控制为核心，追求管理控制一体化，其生产的管理与控制是以 生产调度的方式，并由生产调度室来完成的。因而，其生产是以调度为核心的17。 伴随着流程工业 cips 将成为信息时代改造传统工业的必然模式， 在研究氧气公司的 生产调度系统之前我们很有必要研究一下 cips 中的生产调度系统。 2.2 流程工业的流程工业的 cims-cips 2.2.1 流程工业的流程工业的 cims cims 是英文 computer integrated manufacturing systems 的缩写，直译为计算机 集成制造系统18。cims 的含义是采用计算机技术、通讯技术、自动化技术以及有关 生产技术，建立全企业或全厂的包括经营决策、管理信息、生产调度、监督控制和 直接控制在内的管理及控制全部生产活动的综合自动化系统，从而达到提高企业经 济效益和竟争能力的目的。计算机集成制造系统 cims 首先是在离散制造工业中发 展起来的19，然而在实际中还存在着大量连续过程工业，如石油、化工、钢铁、能 源等多个行业。离散制造工业所形成的“自动化孤岛”所带来的种种弊端，在连续过 程工业中显得更为突出，因此 cims 由离散制造工业向连续过程工业的扩展就成为 历史的必然。后者又称为计算机集成过程系统，即 cips (computer integrated process systems)20。 流程工业是连续性生产过程，如炼油、化工、电力等。近几十年来各类生产过程都 已发生了显著的变化， 其主要特征是生产规模的大型化和生产过程的连续化。 在市场经 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 10 济的激烈竞争中，为了保证生产的高效稳定运行，并获取最大可能的经济效益，原来简 单的、局部的、常规的控制和仅凭经验的管理就不能满足现代化生产的要求了。企业的 管理者和控制工程师们面临的问题是： 如何根据市场上原料供应和产品需求的变化进行 经营决策和组织生产； 如何在生产计划改变下对生产过程进行控制， 以便最大限度地发 挥生产设备的柔性；如何估计那些无法在线测量而又对整个操作极为重要的工艺参数。 计算机技术、网络通信技术、控制理论、大系统理论以及生产工艺技术理论的发展，并 按 cim 的思想将各种技术集成起来，使上述问题的解决成为可能。尤其是工业气体之 类的企业， 由于产品无库存， 或者仅仅微量库存， 对生产调度的要求就更高： 供过于求， 意味着成本的大幅提高和能源的浪费；供不应求，意味着无法满足用户需求，影响用户 的生产，严重时直接破坏用户生产秩序。 2.2.2 cips 的功能结构的功能结构 图 2-1 表示氧气公司 cips 的功能结构模型，图中间部分是功能层次，它是一种 递阶结构，共分为四层，顶层为经营决策层，层 3 为管理信息系统，层 2 为生产调 度系统，层 1 为 dcs 系统。实现上述功能的两个支撑系统是数据库管理系统和计算 机网络系统。图的左侧表示所需信息，右侧是支持信息集成的数据库管理系统。 图 2-1 cips 功能结构模型 产品策略 生产计划 关 系 数 据 库 系 统 实 时 数 据 库 决策信息经营决策系统 层 4 决策层 管理信息 管理信息系统 层 3 管理层 调度信息生产调度系统 层 2 调度层 监控操作dcs 系统 层 1 控制层 生产过程 调度指令 生产控制 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 11 经营决策系统是顶层功能，依据企业内部和外部信息对企业产品策略、中长远 目标发展规划和企业经营提出决策支持。管理信息系统功能，又可细分为经营管理、 生产管理和人文管理，对厂级、车间、各科室的生产和业务信息实现集成管理，并 依据经营决策指令制定和落实年、季、月综合计划。生产计划是综合计划的核心， 管理信息系统将月计划指令下达给生产调度系统。生产调度系统完成生产计划分解， 同时根据生产的实际情况形成调度指令，即时地指挥生产，组织日常均衡生产和处 理异常事件。dcs 系统实现对生产过程运行状态的检测、监视、常规控制和传统的 先进控制。系统根据调度指令，由操作人员实现生产过程操作优化、先进控制、故 障诊断等功能。当调度指令变化时，使生产装置的过程操作在保证质量的前提下始 终处于最佳工作点附近。 从上述可知，功能结构模型体现了多级递阶控制思想和多层跨平台概念，各功 能层次所涉及的内容、范围不同，因而执行的频率亦不同，赖于实现的系统平台亦 不相同21。 2.2.3 实现实现 cips 的关键技术的关键技术 实现 cips 需要解决两大类的技术问题：其一是建立集成的环境；其二是实现上 述各种功能的相关技术。 (1)计算机网络系统是整个系统集成的物质基础， 采用什么样的计算机体系结构， 是主从结构还是 client/server 结构；采用什么样的网络系统、网络拓扑、通讯协议、 通信传输速率、传输介质等，均是建立计算机集成环境所必须解决的问题。必须对 技术的先进性和成熟程度、系统的开放性、可扩展性、网络传输响应的快速性、可 靠性、实用性以及经济性等多方面考虑来确定21。 (2)数据库管理系统。 信息集成是 cips 的核心，而数据库管理系统则是信息集成 的基础，由于流程工业本身的特点，有大量的反映生产过程状态和用户使用状态的 实时测量的数据需要进行处理、管理，以便能够有效的加以利用。因此，实时数据 库管理系统是采用实时数据对生产过程和使用情况进行监督控制、生产状态分析、 评价的基础。因而流程工业信息集成环境中需要同时设置关系数据库和实时数据库 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 12 管理系统，作为全系统信息的集散地。而且这两个数据库既可独立操作，又可协同 动作，及时并行或交叉地处理来自本公司和全体用户的各种信息，真正做到信息集 成与共享22。 其间的关系如图 2-2 所示。 图 2-2 数据库环境 (3)各种接口技术，诸如关系数据库的接口、各种应用软件(管理软件和先进控制 软件等)与数据库的接口、各应用软件之间以及异种计算机和异种网络互连的接口等 都是集成系统成败的重要环节。 (4)生产计划/调度的科学化是连续性生产过程实现在一定限度的生产柔性的关 键，是一被学术界和工业界广泛重视的研究课题。由于连续性生产过程的高度复杂 性的特点，必须将生产工艺机理建模与系统工程理论紧密结合起来，去寻找解决这 一问题的办法。实践结果表明，基于全流程模拟，结合应用线性规划、非线性规划 或动态规划的方法建立计算机辅助生产计划/调度系统，实现优化排产和优化调度是 一种有效的途径。 (5)过程操作优化是流程工业适应市场个方面叙述的是监控系统的功能和需要的 技术支持。 生产计划 生产调度 dcs 生产过程 实时数据库 关系数据库 人机界面 决策支持 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 13 (6)先进控制，针对流程工业中关键的难控对象研究各种控制算法，如推理控制、 预测控制、智能控制等。 2.3 cips 中的生产调度系统中的生产调度系统 2.3.1 连续型生产过程与离散型生产过程调度系统的区别连续型生产过程与离散型生产过程调度系统的区别 连续型生产过程生产调度系统和离散型生产过程调度系统有着很大的不同。针 对离散加工过程的生产调度系统，相继产生物料资源规划(mrp )、制造资源规划 (mrp-11)和企业资源规划(erp)、适时生产(jit)等，这一切都是基于产品和部件所构 成的数据，即物料单(bom)、工艺数据和设备状况数据，将市场对产品的需求转变 为对加工过程和外购原材料、零部件的需求。上述模型建模的理论基础是规划论、 排队论、库存论及网络理论。应用计算机技术完成主生产计划、物料需求计划、能 力平衡计划、采购和库存控制等，使企业对市场应变能力从管理角度得以优化生产 计划和优化生产调度的实现23。 但是，由于连续生产过程系统内部包含诸多化学、物理过程，流程工业生产调 度更加复杂，特别是对生产调度方法的实时性、协调性和可靠性提出了更高的要求， 因此，基于从 bom 等一列离散变量概念出发，生成的 mrp、mrp-ii、erp、jit 等 优化生产计划/调度的方法及模型基本上不再适用。必须根据连续过程特点，构筑新 的寻优思路及框架。 2.3.2 连续型生产过程调度系统的特征连续型生产过程调度系统的特征 与离散加工过程相比，连续生产过程生产计划/调度系统有如下特征： (1)流程工业生产过程包括了信息流、物质流、能量流，而且伴随着复杂的物理 化学反应，以及突变性和不确定性等因素，是一个十分复杂的大系统13，对这类生 产过程的描述，不仅需要“等待”、“传输”、“加工时间”、“存储”等概念，此外还需要 增加“反应率”、“分离率”、“合成率”、“传热”、“传质”等与连续过程相关的概念。这 应该说是连续过程区别于离散过程的最基本特征。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 14 (2)为了对连续过程进行系统分析，对生产过程及产品质量进行控制，建立过程 模型是必不可少的。建立相应描述连续过程模型的目的正是为了给连续过程生产计 划/调度优化提供反映化学、物理过程的约束条件。连续过程优化模型必须基于系统 的过程模型，只有这样，才能把连续过程最重要的过程的物理、化学约束反映在优 化模型中。优化模型如不和过程模型相结合，则这种“优化”将被认为是极不充分的。 (3)从系统变量的时间特征角度分析，连续过程的生产调度系统的特征是，系统 是混杂的，离散决策变量与连续决策变量共存。系统内既包含连续过程变量，如生 产过程就是连续的;同时也包含离散过程变量，如生产方案的切换、调度指令的下达、 随机事件的引入、生产装置的切换等等都是离散的。所以连续过程的生产计划/调度 系统是混杂系统。还必须指出，这种混杂既包括“级间混杂”，也包括“同级混杂”。 (4)连续过程 cims 中生产调度是根据上级计划指令、市场需求、原料供应及储 运情况，进行生产方案设定、系统优化指挥装置操作。因而这个系统是一个递阶结 构的大系统，在系统分解/协调优化过程中，“基于过程模型”和“系统混杂”的处理方 法将不仅体现于同级之中，也将体现于递阶层次之间。并且要强调生产过程的整体 性，要求把不同装置和生产过程连接在一起成为一个整体。各个设备的优化不等于 全厂处于最优，因而在求取全局最优的过程中有时会得到相互冲突的结论。 (5)流程工业常常处于十分恶劣的生产环境，因而生产的安全性被放在最重要的 位置，对一些关健设备和关键生产过程必须有故障预报，和非正常情况下的顺序自 启停和连锁保护系统，以保证人身和设备的安全。 2.3.3 cips 中生产调度系统的特征中生产调度系统的特征 生产调度居于 cips 四个层次的中间，是管理系统一体化的接合部，上面是企业 的决策管理层， 下面是生产过程的监督控制层。 生产调度是实施 cips 的关键， 因此， 无论是生产调度理论的研究，还是应用系统的开发都受到学术界和企业界的关注。 目前实际生产中进行的管理和调度还主要依靠具有丰富实践经验的管理人员和调度 人员13。 企业经营决策及管理层是对企业生产发展及年度和季度经营作出决策。企业经 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 15 营决策确定后，生产计划部门则根据该决策指令及市场对产品需求和原料供应具体 情况及预测，并根据生产装置的运行情况，编制季度及月度生产计划。计划编制原 理同样要基于过程模型，编制计划方案应该是多个，然后从中择优。生产调度系统 接受月计划指令，生产调度优化过程也要基于过程模型。但在编制日滚动调度作业 计划时，及时反馈，只有这样，才能实现实用的按日滚动的调度作业计划。 氧气公司连续过程生产调度系统原理性框架结构如图 2-3 所示23 24。 图 2-3 调度框架 集团公司 生产经营 计划 氧气公司 生产计划 月生产经营计划 日生产作业调度 生产统计 生产装置/设备 氧气公司 临时计划 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 16 3 连续生产过程调度与决策系统设计与实现连续生产过程调度与决策系统设计与实现 3.1 系统建设的思想系统建设的思想 3.1.1 公司现有调度业务流程分析公司现有调度业务流程分析 氧气公司调度主要工作要求：在集团公司总调和能源动力公司调度的领导下， 完成当班各项生产任务和领导交办的各项工作；根据日计划和领导要求，处理日常 生产事务，保证生产顺利进行；根据产品质量要求和计划要求组织好工作，确保最 终产品合格；合理安排当班的相关设备运行工作，控制大型设备有计划开停车；深 入现场随时掌握生产、设备维护检修情况，及时与有关部门联系，组织解决生产中 的疑难问题；发生人身、设备事故，及时向相关领导回报，积极组织抢救、抢修， 配合有关部门排除故障，恢复生产；搞好岗位交接班，填写有关记录。 氧气公司生产组织管理机构，其相互关系和信息传递如图 3-1 所示: 集团公司总调 氧气公司调度 运行车间 能源动力公司调度 班组 维护车间 班组 用户单位调度相关领导 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 17 图 3-1 生产组织管理机构关联图 氧气公司调度业务流程：集团公司将每月总体生产计划在上月月底下发，氧气 公司根据计划，分解后对各车间下达月生产任务，并交给调度，调度根据每天的调 度会制定日生产计划（参考月计划） ，将调度指令下达给生产车间执行生产计划， 生产车间按调度令组织生产，同时质检车间根据计划每日记录的有关质量统计台 帐，维护车间与设备管理部门按调度令安排相关设备检修工作，统计组根据前日生 产情况统计汇总，有助于做出下个月的生产计划。 氧气公司现有调度业务流程图如下图 3-2 所示: 图 3-2 氧气公司现有调度业务流程 公司调度 日生产报表日生产计划 月生产计划 运行管理统计管理 集团公司月计划 生产月报 运行车间 组织生产 车间报表 质检台帐 质检车间检修计划 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 18 3.1.2 需求分析需求分析 随着信息化的高速发展，信息化管理越来越多的深入到社会生活的每个方面， 技术的、经济的、组织的、社会的，来的这么深远而又激烈，它使得一种全新的管 理模式出现，并正改写着传统的管理规则，信息技术的革命正深入影响到企业的战 略、文化、组织设计、流程再造等，归跟结底，信息技术就是一种管理竞争力。 过去，氧气公司调度是以手工作业为主的管理环境。主要存在的问题如下： (1)不可靠性。人工填写的有关数据表格不可靠或不精确，甚至会出现造假现象， 不利于正确的认识生产状态。这些数据己失去了科学分析生产的价值。 (2)滞后性。生产信息不能及时的反馈给调度人员和上层领导，长期以来，由于 软件开发的滞后，仍在使用传统的工作单、报表或台帐记录各种生产信息，经逐级 整理后上报，有一定的信息滞后时间。 (3)无经验模式。由于已经保留的人工填写的历史数据的不可靠性，无法从历史 数据中找寻影响生产效率的关键因素。 (4)效率低。因为并没有实时监控整个生产系统，对于生产过程中的动态信息， 虽然在各车间的控制系统中均有记录，但调度组只能通过电话与各车间联络，每班 或 4 小时车间上报一次记录数据，不仅效率低而且无法及时有效地控制。 企业的生产管理总是围绕着生产流程和相关的信息流进行的。合理有效的生产 管理可以降低生产成本，提高工作效率，改善产品的质量，而这个合理的生产管理 依赖于生产过程本身的各种信息25。 3.1.3 系统建设的策略系统建设的策略 调度是企业管理在生产领域中具体的指挥、控制、监督者26。我们将中央控制 站，设于氧气公司调度室。作为综合信息自动管理级，职能是远程监控，监视现场 级的工作状态，以图形、表格、曲线显示，协调各现场工作站工作，向现场操作员 提供系统运行监督信息等。中央控制站职能分析图如图 3-3 所示。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 19 图 3-3 中央控制站职能分析图 3.2 系统网络规划系统网络规划 3.2.1 生产信息的共享模型生产信息的共享模型 伴随着信息技术的进步，供应链信息共享的研究与实践不仅对生产调度与库存 控制产生了影响，而且对产品和工序质量产生了影响。我们量化和比较有关过程和 产品质量的不同信息共享策略后，结果表明实时信息共享可能会带来生产质量的巨 大改善。为了实现氧气公司生产管理的改进，必须实现生产系统的信息共享，使得 工艺、管理、生产各部门实时地进行信息交互，以助于各设备之间的协调和上层领 导的决策。 随着计算机网络技术的不断发展，越来越多的企业建成了自己的网络系统，这 为加快信息传播速度、实现信息共享奠定了良好的基础25。在这种情况下，构建网 络系统，实现生产控制实时信息与管理系统有机结合，对于引进先进管理技术、实 现企业运行的全局化具有重要的意义。 上级决策层 信息管理：分解生产计划；监视和维护生产动态；基 础信息管理 指挥调度：下达调度指令；协调生产；处理/完成异常 报告；信息交换和处理 制氧机系统空气系统管网输送系统 用户 情况 监测 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 20 氧气公司的网络构建如图 3-4 所示： 图 3-4 氧气公司的网络构建示意图 3.2.2 分布式多层现场总线网络结构分布式多层现场总线网络结构 为了完成中央控制站监控、调度、协调生产过程的任务，我们本着先进性、实 用性、开放性的原则，采用工业计算机与现场各种仪器仪表相结合的分布式多层现 场总线网络结构，如图 3-5 所示： 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 21 图 3-5 氧气公司分布式多层现场总线网络结构 最上层为决策层，以方便氧气公司领导和相关管理部门通过 internet/intranet 了 解生产信息并进行决策。 第二层为中央控制站，以主服务器为核心，作为综合信息自动管理级，职能是 远程监视，以图形、表格、趋势曲线显示，协调各现场工作站，向调度人员提供系 统运行监督信息等。中央控制站利用 tcp/ip 协议，通过网卡接入决策层，也就是 公司内部 intranet，或直接接入 internet 与决策层互联，方便公司和部门领导决策。 第三层为各生产运行站所（含各空压站和制氧机组） 、外部管网、用户使用情 况以及报表系统，它们根据工艺要求，利用数据采集模块和现场仪表采集的数据， 对各运行参量进行监视，通过总线与中央控制站进行生产信息交换。 第四层为现场执行层，通过各种传感设备进行现场信息采集，和通过各执行机 决策层 主服务器 中央控制器 ups 电源打印机 空压站 制氧机组管网数据用户数据报表系统 智能 仪表 i/o 智能 仪表 i/o 智能 仪表 i/o 智能 仪表 i/o internet/intranet 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 22 构对现场设备进行控制。氧气公司单台套设备生产过程已经大量采用了 foxboro 公司的 i/a 控制系统，因此在本方案中将充分利用现有的设备进行通讯设置。这样 不仅可大大降低改造设备成本和施工成本，而且也可将改造对生产运行的影响降到 最低限度。 为了保证网络通讯的可靠性，本系统中采用双线冗余的结构，组成两个冗余的 总线网络，并且互为对方的热备份。通过多层总线网络来实现系统的信息交互、综 合和共享，实现统一的人机交互界面跨平台的数据库访问。因此可以真正做到局域 和远程信息的实时监控，数据资源的综合共享，以及全局事件快速处理和一体化的 科学管理。 3.3 系统设计方案系统设计方案 氧