（控制科学与工程专业论文）炼厂生产调度问题研究.pdf

浙江大学博上学位论文 摘要 生产调度在流程工业企业中起着承上启下的关键作用，是生产经营的核心， 它决定了生产过程是否能够顺利进行，影响到企业的生产成本和资源的合理利用。 炼油生产企业( 以下简称为炼厂r e f i n e r y ) 是流程工业的典型代表，激烈的市场 竞争促使炼厂提高利润和减小成本的压力越来越大。由于炼厂生产调度优化方案 能减少原油采购、运输、加工和存储成本，充分利用生产加工能力，提高资源利 用效率，增加生产收率，满足需求和最大化利润，因而生产调度问题成为研究的 热点问题。但由于炼厂生产调度问题具有复杂性、不确定性、非线性、多目标和 多约束等特点，而成为研究的难点问题。以往的研究一般以炼厂中某一生产环节 如罐区存储、装置加工、原油和成品油调合等作为调度对象，丽没有从全厂角度 整体考虑调度目标，但局部生产优化不等于全厂最优，因而无法达到全局优化。 本文对炼厂调度问题的研究主要包括以下几个方面： ( 1 ) 基于供应链管理的思想，以市场产品需求为基础，建立了以利润最大 化为调度总目标的炼厂全局调度模型，提出了分解协调的炼厂调度模型策略，将 炼厂整体调度模型按工艺和物料流程分解为调合调度模型、生产装置调度模型和 原油调度模型三个子模型，建立有效的约束条件，使生产调合、装置生产和原油 储运三部分的调度目标之和与炼厂整体目标相同，结合启发式方法进行简化，运 用多种数学方法进行求解，通过解决子调度问题，从而获得全厂生产调度方案实 现全局生产目标。 ( 2 )由于调合调度是有约束的非线性优化问题，用一般的方法很难得到优 化解，在建立调合调度模型的基础上，利用粒子群优化( p s o ) 算法可以解决具有 连续变量和离散变量非线性优化问题的特点，提出了基于p $ o 求解调合调度模型 的算法，缛到了具有不确定性调合调度闯题的优化解，汽油调合的计算结果说明 了算法求解调合调度模型能得到有效和满意的解。 ( 3 ) 炼油生产装置及其相互之间的结构复杂性，使得炼油生产装置调度问 题成为难题，以装置总加工成本最小化为目标，在满足各种约束的条件下，综合 i l 摘要 考虑了装置的运行及库存，以调合调度模型得到的调合组份量为装置生产目标， 建立了炼油生产装置调度模型，为了得到优化调度方案合理安排生产，使用一种 基于启发式的求解装置调度模型的算法，仿真结果验证了模型的有效性。 ( 4 ) 对于包括油轮卸载原油、原油在码头和厂内的存储、原油从码头到厂 内的输送、原油混合及到精馏装置输送等环节的原油调度问题，以生产装置调度 模型得到的混合原油进料量作为原油调度需要满足的目标，建立了原油调度模型， 提出了一种基于启发式求解原油调度模型的算法，以降低模型求解的规模和难度， 仿真结果证明了原油调度模型的有效性。 ( 5 ) 在成品油的运输、存储和销售等过程中，由于成品油的存储、运输、 需求和销售相互之间存在关联制约关系，如果没有好的调度方案，很容易出现油 品库存不足或过剩、车辆调配不周等不合理状况，会显著增加油品的运输、销售 成本及各种管理费用。根据成品油销售、运输和存储的特点，针对以前只对油库 和加油站进行研究的不足，建立了从炼厂到油库到加油站的成品油储运网络调度 模型，使用一种启发式与有向图结合的求解方法，通过仿真验证了模型的有效性。 最后，在总结全文的基础上，指出了炼厂生产调度有待深入研究的若干问题。 关键词：炼厂生产调度；调合调度；装置生产调度；原油调度；成品油储运调度 数学模型；p s o 算法；基于启发式的方法 塑坚茎兰壁主兰些笙苎 ! ! ! a b s t r a c t s s c h e d u l i n gi st h ek e yo fm a n u f a c t u r i n ge x e e u t i n gs y s t e m ( m e s ) ，w h i c hl i n k s p r o c e s sc o n t r o ls y s t e ma n db u s i n e s sm a n a g e m e n ts y s t e mi np r o c e s si n d u s t r y i t d e t e r m i n e sw h e t h e rp r o d u c t i o np r o c e s si sr u n n i n gs m o o t h l y , i n f l u e n c e sp r o d u c t i o nc o s t a n dr e a s o n a b l eu t i l i z a t i o no fr e s o u r c e s i ti so i lr e f m e r yt h a ti so n eo ft h et y p i c a l r e p r e s e n t a t i v e so fp r o c e s si n d u s t r y t h er e f i n e r i e sh a v et om a k eg r e a te f f o r t s t o i n c r e a s ep r o f i t sw h i l ed e c r e a s ec o s t su n d e rm a r k e tc o m p e t i t i o n t h eo p t i m a ls o l u t i o n o fr e f i n e r yp r o d u c t i o n s c h e d u l i n gc a nr e d u c et h ec o s t so fp u r c h a s e ，t r a n s p o r t a t i o n ， s t o r a g e ，a n dm a k et h eb e s to fp r o d u c t i o nc a p a c i t y , i m p r o v ee f f i c i e n c yo fr e s o u r c e u t l i z a t i o na n dc a p a c i t yr a t i o ，m e e td e m a n d sa n dm a x i m i z ep r o f i t s ，t h e r e f i n e r y p r o d u c t i o ns c h e d u l i n gp r o b l e mr e c e i v e ss i g n i f i c a n ta t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r h o w e v e l t h er e f i n e r ys c h e d u l i n gp r o b l e mi sd i f f i c u l tt os o l v ef o ri t sc o m p l e x i t y , u n c e r t a i n t n n o n l i n e a r i t y , m u l t i - o b j e c t i v e sa n dm u l t i c o n t r a i n t s i nm a n yl i t e r a t u r e s ，s c h e d u l i n g o b j e c tw a so n es e c t i o no fp r o d u c t i o np r o c e s si nr e f i n e r ys u c ha st a n kf a r ms t o r a g e ， p r o d u c t i o nu n i tp r o c e s s ，c r u d eo i lo rp r o d u c t sb l e n d i n g ，b u te n t i r er e f i n e r yw e r en o t c o n s i d e r da st h es c h e d u l i n gt a r g e t i ti so b v i o u st h a tl o c a lp r o d u c t i o no p t i m i z a t i o nd o e s n o ta c h i e v eg l o b a lr e f i n e r yo p t i m i z a t i o n t h em a i nw o r k so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do i lt h es u p p l yc h a i nm a n a g e m e n ta n dd e m a n d so fp r o d u c t si nm a r k e t ， t h es c h e d u l i n gm o d e lo fe n t i r er e f i n e r yi sd e v e l o p e dt om a k em a x i m u mp r o f i ta n dt h e s t r i l t e g yo fd e c o m p o s i t i o na n dc o o r d i n a t i o no fo v e r a l lr e f i n e r ys c h e d u l i n gp r o b l e m si s p r o p o s e d m o r e o v e r , a c c o r d i n gt o o i lr e f i n e r i n gp r i n c i p l ea n dm a t e r i a lf l o w s ，t h e s c h e d u l i n gm o d e lo ft o t a lr e f i n e r yi sd e c o m p o s e di n t ob l e n d i n gs c h e d u l i n gm o d e l ， p r o d u c t i o nu n i ts c h e d u l i n gm o d e la n dc r u d eo i ls c h e d u l i n gm o d e l b ya v a i l a b l e c o n s t r a i n tc o n d i t i o n s ，t h es c h e d u l i n gt a r g e to fe n t i r er e f i n e r yc o i n c i d e sw i t ht h es u mo f t h es c h e d u l i n gt a r g e t so ft h r e ef o r e n a m e ds u h m o d e l s d i f f e r e n tm a t h e m a t i c a lm o t h e d s a r eu s e dt os o l v et h es u b m o d e l sw h i l eu s i n gh e u r i s t i cm o t h e d st os i m p l i f y t h u st h e a b s t r a c t s s o l u t i o no fe n t i r er e f i n e r yp r o d u c t i o n s c h e d u l i n gi so b t a i n e dt oa c h i e v et h eg l o b a l o p t i m i z a t i o n ( 2 ) a sb l e n d i n gs c h e d u l i n gb e i n gc o n s t r a i n t e dn o n l i n e a ro p t i m i z a t i o np r o b l e m ，i t i sd i f f i c u l tt oo b t a i no p t i m u ms o l u t i o nb yg e n e r a lm e t h o d s i nt h i sd i s s e r t a t i o n b a s e d o nt h ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( p s o ) a l g o r i t h m ，w h i c hi sa b l et os o l v et h e n o n l i n e a ro p t i m i z a t i o np r o b l e mw i t hb o t h c o n t i n u o u sa n dd i s c r e t ev a r i a b l e s 。t h e a l g o r i t h mf o rt h eb l e n d i n gs c h e d u l i n gm o d e li sp r o p o s e da n dt oo b t a i ns o l u t i o no ft h e b l e n d i n gs c h e d u l i n gp r o b l e mu n d e ru n c e r t a i n t y t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e d a l g o r i t h mi se x p e r i e n t a l l yc o n f i r m e db yt h ee x a m p l eo fg a s o l i n eb l e n d i n g ( 3 ) t h ep r o d u c t i o nu n i ts c h e d u l i n gp r o b l e mi sv e r yd i f f i c u l ts i n c ec o m p l e x s t r u c t u r e sa m o n gp r o d u c t i o nu n i t s t og e tt h em i n i m u mo ft o t a lp r o c e s sc o s to fu n i t s ， s a t i s f yt h em a i nc o n s t r a i n t sa n dc o n s i d e rr u n u i n ga n ds t o r a g eo fu n i t s ，t a k et h e b l e n d i n gc o m p o n e n t so f b l e n d i n gs c h e d u l i n gm o d e lf o rp r o d u c t i o nt a r g e t so fu n i t s ，t h e p r o d u c t i o nu n i ts c h e d u l i n gm o d e li sd e v e l o p e d ah e u r i s t i c - b a s e dm a t h e m a t i c a l p r o g r a m m i n ga l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt oo b t a i nt h eo p t i m u ms o l u t i o no fs u c hm o d e lt o a r r a n g ep r o d u c t i o nr e a s o n a b l yt h e r e s u l t so f a ne x a m p l ei l l u s t r a t et h a ti ti se f f e c t i v e ( 4 ) c r u d eo i ls c h e d u l i n gp r o b l e mi n c l u d e sv e s s e lu n l o a d i n g ，s t o r a g ei np o r ta n d r e f i n e r yt a n k s ，d e l i v e r yf r o mp o r tt or e f i n e r yt a n k s ，b l e n d i n go fc r u d eo i l s ，d e l i v e r y f r o mc h a r g et a n k st od i s t i l l a t i o nu n i t s t ot a k et h eb l e n d i n gc r u d eo i lo f p r o d u c t i o nu n i t s c h e d u l i n gm o d e lf o rt a r g e to fc r u d eo i ls c h e d u l i n g ，t h ec r u d eo i ls c h e d u l i n gm o d e li s d e v e l o p e d a na l g o r i t h mb a s e dh e u r i s t i cm o t h e di sp r o p o s e dt o s o l v et h ec r u d eo i l s c h e d u l i n gm o d e l ，w h i c hm a yd e c r e a s et h es i z ea n dc o m p l e x i t yo ft h ep r o b l e m t h e r e s u l t so fa ne x a m p l ei l l u s t r a t et h a tt h ec r u d eo i ls c h e d u l i n gm o d e li se f f e c t i v e ( 5 ) t h ea s s o c i a t i o na n dr e s t r i c t i o na r ea m o n gt h ep r o c e s so fs t o r a g e ，t r a n s p o r t a t i o n ， d e m a n da n dd i s t r i b u t i o no f p r o d u c t s w i t h o u tr e a s o n a b l es o l u t i o n ，s h o r t a g eo f p r o d u c t s t o r a g e a n di m p e r f e c tv e h i c l e a r r a n g e m e n tw o u l dh a p p e n ，a n d t h ec o s to f t r a n s p o r t a t i o n ，d i s t r i b u t i o na n dm a n a g e m e n tw o u l di n c r e a s ed r a m a t i c a l l y c o n s i d e r t h e s ef a c t o r s ，t h es c h e d u l i n gm o d e lo ft h es t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kw h i c hi s f r o mr e f i n e r yt od e p o tt og a ss t a t i o ni sd e v e l o p e dt oi n s t e a do f t h em o d e lo n l yb e t w e e n 浙江大学博十学位论文 v d e p o ta n dg a ss t a t i o n am o t h e dc o m b i n e dh e u r i s t i ca n dd i r e c t e dg r a p h i sp r o p o s e dt o s o m et h i sm o d e la n di sp r o v e dt ob ev a l i d f i n a l l y , as u m m a r yi sc o n c l u d e da n dt h ef u t u r es c h e d u l i n gs t u d yd i r e c t i o n sa r e i n d i c m e di nt h i sd i s s e r t a t i o n k e yw o r d ：r e f i n e r yp r o d u c t i o ns c h e d u l i n g ，b l e n d i n gs c h e d u l i n g ，u n i ts c h e d u l i n g ，c r u d e o i ls c h e d u l i n g ，p r o d u c ts t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ns c h e d u l i n g ，m a t h e m a t i c s m o d e l ，p s oa l g o r i t h m ，h e u r i s t i c - b a s e da l g o r i t h m 浙江大学博上学位论文 致谢 值此论文完成之际，衷心地感谢我的导师荣网教授对我多年孜孜不倦的教育 和指导。荣老师渊博的知识、敏锐的洞察力、严谨的治学态度、深厚的理论素养 以及组织管理才能为我树立了学习的楷模，他创造了一个宽松和谐的研究环境和 氛围，对我的关心、帮助和鼓励使我终生难忘。 感谢王树青教授多年来的教诲，王老师诲人不倦的长者风范，对事业的执著 和人生的感悟，总是让人如沐春风，富有哲理给人以启发和鼓舞。 感谢王宁教授对我的关心和帮助，使我受益匪浅。 感谢张建民、金晓明、张泉灵和冯毅萍等老师对我在学习和工作中的热情指 导和帮助。 感谢实验室的赵向海、宋洁蔚、王达、张惠良、李荣雨、朱炜、黄海、谢磊、 王晓初、高峰、张奇然、吴剑强、张建明、吕品晶、裴瑞凌、王旭、罗春鹏、吴 玉成、顾海杰、章建栋、靳碧、方红飞、刘进峰、黄睿、李笕列、吴华兵、王强、 邵纪东、徐忠勇和吴婕等同学在生活和学习上给予我的热心帮助，留下了美好的 回忆。 对所有关心和帮助过我的同学和朋友表示衷心的感谢。 衷心感谢我的父母和岳父母、妻子杨晓庆女士和儿子赵明阳对我的关心、理 解和支持。 赵小强 2 0 0 5 年l o 月于求是园 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 摘要：针对流程工业的生产特点，介绍了c i p s 的体系结构和调度的重要作用，分 析了流程工业生产调度问题的研究应用现状，并对炼厂调度问题进行了探讨，介 绍并比较了应用于流程上业生产调度问题的主要方法及其优缺点，最后简要介绍 了本文的结构和主要研究内容。 关键词：流程工业；生产调度；炼厂调度；综述 1 1 引言 面临全球化市场的激烈竞争和客户的多样化需求，企业需要迫切解决的问题 是如何在竞争中立于不败之地，这就必须从需求出发，结合企业自身的特点和现 状，及时调整企业的生产经营活动，使生产方案、产品结构和产品质量等各方面 更符合实际要求，以人力、物力、财力消耗尽可能少的生产方式，把投入生产过 程的各种生产要素有效地结合起来，形成有机体系，使生产能均衡、稳定、安全 地进行，最大限度发挥资源的效能，即以投入少产出多的最经济生产方式，达到 降低生产成本和实现企业经济效益最大化的目标。 生产调度是企业管理的重要职能，是生产经营运作的核心部分，随着科学技 术的进步和工业的迅速发展，生产调度在企业中的地位和作用愈来愈重要，调度 对于合理组织生产，协调解决生产关系方面存在的问题，搞好企业生产经营活动， 有着重要的意义。生产调度是经济管理与生产技术相结合的一项综合性很强的专 业工作，是连接生产各个环节、搞好生产综合平衡的枢纽，它围绕企业生产经营 目标，对企业生产活动进行有效组织、指挥、控制和调节【l0 0 1 ，根据市场需求变化 和产品订货，积极调整生产结构，及时应对和解决生产中的各种矛盾和问题，以 保证整个生产经营活动的正常进行，大力增加适销对路产品的生产，以满足市场 的需要，保证按品种、质量、数量、期限和成本完成企业的生产任务，确保企业 生产目标的顺利实现。由于调度在企业生产中的重要性，调度问题历来为人们所 2 第一章绪论 关注而一直成为研究的热点问题。 流程工业包括化工、炼油、冶金、造纸、电力、制药、食品等行业5 1 ，各行 业间的生产经营模式不完全相同，如电力行业几乎不需要销售管理与产品质量管 理，但对设备管理、测量技术、实时监控、故障预测和诊断、紧急情况处理等方 面的要求却很高，电厂的事故停机常常会带来巨大的经济损失，而化工行业多数 需要运输管理，啤酒企业重视瓶箱的租借和流转管理，制药行业则重视原料、产 品的质量控制、批号跟踪、还有独特的g m p 管理。但流程工业一般都具有复杂性、 不确定性、非线性、多目标、多约束、多资源相互协调等特点。 流程工业企业根据市场的需求预测、原材料与能源的供给情况、生产加工能 力与生产环境的要求，综合考虑企业的管理成本以及生产过程中成品、半成品的 成本等，利用物料流和能量流等各种数据和信息进行平衡分析，运用各种有效方 法对企业的生产经营进行优化设计，提供相关预测和决策信息，合理分配有限资 源，解决冲突，确保企业的利润最大f 4 7 ，利用生产过程全局性和整体性的思想， 确定企业的生产目标，制定企业的生产计划，协调企业各局部生产过程，从而达 到企业总体最优目标 9 2 】。由于局部生产优化不等于全厂处于最优，流程工业生产 对象复杂多变，生产过程中众多因素相互关联、相互制约，生产调度可通过在生 产过程中中间产品的存储对各个装置相互冲突的目标进行解耦，以获得全局的最 优，同时为了适应激烈的市场竞争，对生产调度的实时性、协调性和可靠性提出 了很高的要求。 流程工业生产调度是连接计划和生产的关键活动，起着承上启下的作用，图 1 1 体现了它们三者之间的关系1 2 8 1 。生产调度完成生产计划分解，以生产作业计 划为依据，围绕企业的生产经营目标，从生产全局出发，结合生产流程的实际情 况和生产能力，进行优化排产，合理调配物料和能源 8 ”，为生产装薰提供生产控 制的指标，及时调整各装置间物流的分配，协调和均衡各装置的生产，使各生产 环节能有效配合和紧密衔接，形成并传达优化调度指令，同时通过及时掌握生产 动态，有效地协调，确保企业计划的完成【8 2 f 12 2 j 。最优控制是在线寻求最佳的操 作条件，稳定生产；最优调度是合理调度原料、中间产品和能源，以及恰当地处 理某个环节出现的故障，保持均衡生产，提高企业的经济效益；最优计划决策是 根据市场情况、订货合同，编制生产计划，减少库存，谋求获取最大的经济效益。 浙江大学博上学位论文 晟优计划决策 最优调度 最优控制 生产( 年度、季度、月) 计划决策 t 士 最优生产调度 t 上 生产装置实时调优( 协调) i |分布式控制系统 i ： l 生产过程 i 调优控制层 图1 1 生产计划、调度和生产控制三者的关系 流程工业生产调度研究在过去2 0 年得到了学术界和工业界的极大关注，这是 由于一方面市场竞争促使企业提高效率和减小成本的压力越来越大，另一方面相 关建模和优化技术的进步及计算能力的增强【9 j 。生产调度研究可分为建模和调度 算法设计两部分，建模包括调度模型、调度规则和目标函数等，算法包括算法设 计、算法复杂性、算法收敛性和优化质量等”。生产调度作为生产系统的核心和 关键，综合应用管理、优化、自动化和计算机等技术来建立一个优化调度系统， 分配有限资源，使生产约束得到满足，生产代价最小【9 2 【9 5 】，生产调度目标包经济 指标和性能指标【1 1 8 】，最终体现为成本最低或利润最大。流程工业生产调度需要的 信息有：从原材料投入到产品产出整个生产过程的状态数据；原材料、半成品、 备品备件等的品种、规格、质量和数量情况；生产设备状况、运输车辆的安排； 产品销售：库存以及国内外市场需求变化情况等；水电汽的供应和使用情况；人 员的配备等。在满足作业优先级、设备能力、交付日期等各种生产约束的前提下， 生产调度在生产过程中实现人员、材料、机器等资源的有效配置及使用顺序，以 达到生产费用最低的目标【3 ”，即对生产活动的排序、时间安排和所需资源的分配 【2 5 】，解决冲突，达到企业目标的最优化。由于流程工业企业生产过程中存在大量 的离散变量和连续变量，各种约束条件众多。因而调度问题是混杂系统调度问题， 所以流程工业生产调度问题是多约束、多目标、随机不确定优化问题，是n p ( n o n p o l y n o m i a l ) 完全问题，求解规模随问题的增大呈指数增长，需要应用许 多简化的假设或多种方法相结合才能产生有效的解决方案。 一 计一 一r 4 第一章绪论 生产调度的方法可分为基于模型的调度和基于规则的调度两大类。基于模型 的调度在定义调度问题的基础上建立调度模型，基于该模型运用一定的调度算法 进行求解，根据定的性能指标进行寻优，对规模小、相对简单的问题能得到令 人满意的最优解，但随着问题规模的增大，将难以求得最优解；基于规则的调度 根据一定的规则或策略来确定生产过程中的下一步操作，通过应用各种调度规则， 能够为规则适用范围内的问题产生合理的解决方案，其特点是不必进行大量的计 算，有了合适的规则以后可以很快地生成调度方案。如炼厂调度问题可通过建立 混合整数优化模型求解，而在化工和制药中配方管理很重要，其调度可以按照复 杂的设备分配规则来执行2 5 1 。将生产工艺机理建模与系统工程理论紧密结合起 来，基于全流程模拟，结合应用人工智能技术、线性规划、非线性规划或动态规 划方法等集成技术建立生产调度系统，是实现解决生产优化调度问题的有效途径 和主要手段【10 4 】 1 2 2 1 。 扶工程实际需要出发，如何使生产过程处于最优状态，以达到节能、高产和 优质的目的，寻求满足约束条件的快速有效的优化算法更具有现实意义，为此提 出了多种解决调度问题的方法【9 5 【9 9 。如果生产调度完全由人工处理，会造成企业 高库存、低效的资金利用和操作成本增加【2 “，而好的计划调度系统做出的决策能 使每吨产品增加1 0 美元利润，e x x o n 公司估计可减少生产费用2 、库存2 0 1 6 。 因此建立有效的生产调度模型，寻找有效的调度方法，来改进和提高生产调度方 案，可大大提高生产效率和资源利用率，增强企业的竞争能力。 1 2 流程工业综合自动化c i p s 企业要在激烈竞争的市场中生存发展，获取经济效益，在竞争中处于优势地 位，必须要生产出满足市场需求的有竞争力的产品，及时高效地生产，不断降低 生产成本是企业追求的目标，随着信息技术和管理技术的快速发展，越来越多的 企业采用计算机集成制造( c i m s ) 的思想和方法进行组织和管理，在流程工业中 c i m s 称为c i p s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dp r o c e s ss y s t c m ) 。 由于流程工业具有技术密集、资金密集、生产规模大、流程连续、过程复杂 等特点，需要克服非线性、纯滞后、多变量、多扰动影响，对生产过程控制要求 浙江大学博十学位论文 图1 2 流程工业c i p s 功能层次 高，需要在信息集成的基础上，使企业生产过程中的人机构、技术和经营管理， 以及物流、信息流和资金流有机集成，实现决策、管理和控制功能的一体化，达 到提高生产柔性并优化运行 ”0 ，从而使企业活动实现计算机化、信息化、智能化 和集成化，增强企业在市场中的敏捷性、柔性和鲁棒性，从而提高企业的市场应 变能力和竞争能力13 4 1 ，也决定了流程工业c i p s 的体系结构特征【1 33 1 。按照c i m s 的思想和流程工业的特点，传统c i p s 的体系结构按功能一般划分为五层，功能 结构如图1 2 所示，自上而下依次是：决策层、管理层、调度层、监控层和控制 层，各层作用分别为1 2 2 】： ( 1 ) 经营决策系统：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。 ( 2 ) 生产管理系统：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年、季、月综合计划。 ( 3 ) 生产调度系统：完成生产计划分解，将年、月生产计划分解成旬、周、 五日、三日或日作业调度计划，以形成调度指令，即时指挥生产。 ( 4 ) 过程监控系统：根据调度指令完成过程优化操作、先进控制、故障诊 断、过程仿真等功能。 ( 5 ) d c s 系统：完成对生产过程的监测和控制。 第一章绪论 在此c i p s 框架中，调度是以经营决策层、综合计划层与操作优化层、直接 控制层之间的一个纽带和重要环节，但c i p s 中优化调度要面对时l 副尺度不一的 双向任务 8 3 】，因而系统开发遇到很大困难。 虽然这种传统c i p s 递阶体系结构在流程工业发展过程中发挥了重要的作用， 但由于这种体系结构将生产与管理过程分开考虑，忽视了生产过程中物流、能源 及设备的在线控制与管理，不仅层次多，结构复杂，对于环境变化的快速响应能 力差，实施成本高，不便形成平台技术，难于推广，而且由于中间层次涉及大量 既有生产性质又有管理性质的信息，造成概念混乱和标准难以统- - 1 9 。为了克服 这些缺点，1 9 9 0 年美国a m r ( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h ) 提出了企业e r p 、 m e s 、p c s 三层结构，在多个行业企业获得成功应用，这种c i p s 体系结构模式 也使企业管理从传统的金字塔模式向扁平化模式转变，因而满足了企业流程再造 和快速响应的要求【8 1 。 采用e r p m e s p c s 的c i p s 体系结构将企业生产经营分为以设备综合控制为 核心的过程控制系统( p c s ) 、以财务分析与决策为核心的企业资源计划( e r p ) 和以生产过程运行优化为核心的制造执行系统( m e s ) ，如图1 3 所示： 图1 3c i p s 三层体系结构 c i p s 三层体系结构的p c s 、m e s 、e r p 各自有以下特点： ( 1 ) 最下层的过程控制系统p c s 聚焦于生产过程的设备，实时监控生产设 浙江大学博士学位论文 备的运行状况，控制整个生产过程。p c s 通过现场执行机构、传感器、在线分析 仪、d c s 等对全厂的生产过程进行监控并及时获取数据向m e s 和e r p 传输需要 的数据，同时接受它们的指令和控制要求进行生产调整。 ( 2 ) 中间层的制造执行系统m e s 着限于整个生产过程管理，考虑生产过程 的整体平衡，注重生产过程的运行管理，注重产品和批次，以分钟、小时为单位 跟踪产品的制造过程。m e s 起着将从生产过程中产生的信息、从生产管理中产生 的信息和从经营管理活动中产生的信息进行交换、加工、传递的作用，是生产过 程控制与管理信息集成的主要桥梁和纽带，m e s 要完成生产计划调度与统计、生 产过程成本控制、产品质量控制与管理、设备安全控制与管理、生产数据采集与 处理等功能 1 2 3 。作为综合自动化系统的中心环节，m e s 在整个c 1 p s 中起着承上 启下的作用，是c i p s 技术发展的关键5 1 ，调度作为m e s 中最重要的功能之一 在企业经营生产管理中发挥指挥的作用。 ( 3 ) 最上层的经营计划系统e r p 以产品的生产和销售为处理对象，聚焦于 订货、交货期、成本和顾客的关系等，以月、周、日为单位，以面向市场为管理 中心，随时了解和控制产品的最终成本，使企业内部信息得到充分共享，为企业 提供了对质量控制、适应变化、客户满意度、效绩等关键问题的实时分析能力。 e r p 强调了对企业内部的人、财、物等资源的全面管理，并成为指导和修正生产 活动的标准，通过运用科学方法对企业产、供、销、人、财、物等各个环节进行 有效地计划、组织和控制，使它们得以协调发展，从而达到企业整体盈利的目标， 实现对企业的动态控制和各种资源的集成与优化，提升基础管理水平，为企业提 供全方位的解决方案，满足企业利用一切市场资源快速高效地进行生产经营的需 求，适应企业在市场竞争的需要，以期进一步提高效率和在市场上获得竞争优势。 c i p s 充分利用企业内、外部的各种信息量，实现企业内部资源的共享和协同， 将经营管理与生产控制有机地结合起来，是集组织模型、企业规范和信息技术、 实施方法为一体的综合管理应用体系，保证了信息的集成性、实时性、完整性和 统一性，它使得企业的管理核心从“在正确的时间制造和销售正确的产品”转移 到了“在最佳的时间和地点，获得企业的最大利润”，并可使管理人员按照设定的 目标去寻找一种最佳的方案并迅速执行，这样就可紧紧跟踪、并以最快的速度执 行这些变化，甚至可超前于市场的需求变化，快速作出正确的决策，以其灵活性 第一章鳞论 来适应市场的不断变化，达到使得各业务流程无缝平滑地衔接，从而提高管理的 效率和业务的精确度，降低交易成本，提高企业的盈利能力，为企业带来更大的 经济效益。而生产调度作为m e s 的重要组成部分，在c i p s 中起着承上启下的作 用，是沟通生产过程控制和管理的纽带，是企业获取经济效益的所在 1 2 2 】。 1 3 炼厂生产调度特点 工业一般可分为离散工业和流程工业，它们分别具有表1 1 所示的特点 3 ，流 程工业生产是按照一定的工艺流程连续不断地将原料通过一系列设备和装置进行 表1 1 流程工业与离散工业特点对比 流程工业离散工业 产品类型商品定制 产品品种少多 每种产品的需求大 小 与市场关系 每种产品成本低尚 获得定单价格、运输运输、产品特性 运输成本局低 新产品少多 路径固定变化 布局通过产品通过功能 柔性低高 生产设备专门 通用 产品加工 劳动强度低高 资金强度高低 切换次数同低 中间产品低局 产量高低 环境需求高低 质量 危险有几乎没有 质量测量长短 生产库存定单 长期计划能力产品设计 计划 短期计划可利用能力可利用人员 开始点计划有效能力有效材料 产量变化率有时高大多低 扩展通过配方 物料单 物流 副产品扩散+ 收敛收敛 批量跟踪大多必要大多不必要 浙江大学博士学位论文9 混合、分离、粉碎、加热、成型等物理或化学反应加工处理成具有高附加值产品 的过程。 作为流程工业生产典型代表的炼油生产企业为了适应市场需求变化，近年来 趋向于采取面向市场策略，不仅要组织大批量生产，也组织多品种小批量生产， 生产过程中一定限度的柔性是靠改变各装置间物流的分配和装雹运行的工作点即 工艺操作参数来实现的，这使企业能更好地为市场和消费者提供多元化和个性化 的产品，满足市场的多元化需求8 3 ，实现提高企业经营管理水平和经济效益的目 的。与离散工业生产特点相比，炼油企业生产具有以下特点【8 7 1 1 9 7 5 【1 0 8 】 1 1 2 】【1 1 9 1 【1 2 5 】【1 2 7 ： ( i ) 生产工艺流程基本不变，生产过程连续且紧密关联，前一个生产装置的 产品一般是后续生产装置的原料，各工序先后次序紧凑、严格，物料和能量的供 给要求连续、及时、可靠，生产受装置加工能力所限，是面向库存的少品种、大 批量生产。 ( 2 ) 生产工艺复杂，工序繁多，生产流程长，整个生产过程是由许多相j 互联 结的生产环节组成，从原油进入原油罐起，依次到常减压蒸馏装置、催化裂化装 置、焦化装置、重整装置、m t b e 、烷基化装置等，直到中间产品罐区、半成品 罐区、涠品调合、成品罐区、产品检验、成品油出厂等，构成生产的全过程，生 产过程涉及各种化学变化与物理变化，并伴随着物质和能量的转换与传递，生产 控制技术要求高，由于生产过程中能量流交错使用、物流的循环，使得生产装置 间耦合严重。 ( 3 ) 产生大量数据与信息，这些数据和信息实时性强，一般有几千个检测点， 几百个控制回路，有些变量不能实测得到，有些可测变量精度难以提高且滞后较 大。 ( 4 ) 产品结构复杂，除了主产品外，还会产生大量副产品和中间产品，产品 与产品间关联性较大，一套生产装置单股进料可以有多个出料，产品种类繁多， 性质规格各不相同，同一类产品根据规格可以分为不同的品种，不同规格的产品 相互混合能产生更多规格的产品，如油品调合。 ( 5 ) 对产品的存储和运输要求较高，大部分产品不允许混装，存储和运输过 程中需要保持一定的温度和压力。 第一章绪论 ( 6 ) 生产加工过程需要消耗大量的能量，对公用工程要求较高，需要大量不 同形式的水、电、汽、风等能源的供应。 ( 7 ) 生产以安全、稳定、长周期、满负荷、优质、均衡、高产、低耗和减少 污染为主要目标，是企业获取效益的首要保证。 由于炼厂生产具有多样性、复杂性和综合性等特点，生产中既有专业分工， 又有协作配合，产、供、销、运、储错综复杂，因此通过计划调度、优化操作、 先进控制等各种手段实现过程优化生产，特别是加强生产调度管理，充分发挥生 产调度的作用，是适应炼厂生产经营管理特点和组织生产过程的客观需要，也是 获得最大经济效益的保证。炼厂生产特性决定了其调度具有以下特征删】： ( 1 )生产主要是基于市场的需求预测、原材料的供应情况以及生产装置的 加工能力来进行的，因此生产调度与生产计划、需求预测及销售的关系非常紧密。 ( 2 ) 生产过程存在大量的离散变量和连续变量，因而是混杂系统调度问题， 可行的调度方案是其生产调度首先应达到的目标。 ( 3 ) 炼厂强调生产过程的全局性和整体性，各个装置的生产