间歇化工过程.ppt

6间歇化工过程 间歇化工过程 6 1间歇过程与连续过程6 3间歇过程的最优时间表 间歇化工过程 前言 前言 连续 离散 间歇 最终产品输出形式 历史 间歇化工过程 第一节 间歇过程与连续过程 间歇化工过程 非连续化工过程 间歇过程通常被定义为 将有限量的物料 按规定的加工顺序 在一个或多个设备中加工 以获得有限量产品的加工过程 如果需要更多的产品 必须重复该过程 间歇化工过程 图6 1典型间歇化工过程 一 间歇化工特点 间歇与连续过程在有关部门的应用情况 一 间歇化工特点 间歇过程主要特点 技术密集性 渗透多方面知识动态性 操作参数随时间不断改变多样性 原料产品昂贵或便宜 产品交货日期紧迫或宽裕柔韧性 多功能生产装置生产多种化学品不确定性 有的反应机理复杂面对整个反应过程缺乏了解 二 间歇过程与连续过程的比较 动态特性 操作条件及产品质量均随时间而变化 稳态操作 操作条件及产品质量均不会随时间而变化 二 间歇过程与连续过程的比较 原料必须按配方规定的加工任务和顺序 在合适的设备中进行加工 原料连续加入 各加工任务同时进行 二 间歇过程与连续过程的比较 瓶颈问题随产品及操作策略而改变 通过详细的系统分析 可找到瓶颈问题 二 间歇过程与连续过程的比较 设备尺寸的设计不是很精确 必须可生产多个产品 设备尺寸精确 二 间歇过程与连续过程的比较 连续过程安全系统不能够应用于间歇过程 降低系统的停车时间 以避免因停车造成经济损失 二 间歇过程与连续过程的比较 为小批量 高附加值的化学品而设计 一个生产周期只产一批产品 为需求量很大的特定产品而设计 原料连续加入 产品连续产出 二 间歇过程与连续过程的比较 设备尺寸的设计不是很精确 必须可生产多个产品 设备尺寸精确 二 间歇过程与连续过程的比较 间歇过程必须对整个生产过程 进行有效的排序或进行生产时间表安排 由于间歇过程的柔韧性和弹性 它适合于市场供求不稳定的产品的生产 排序对连续生产基本无影响 连续过程则适合于市场供求稳定的产品的生产 对于市场需求量很大的产品 其初始阶段一般也是用间歇过程生产的 三 间歇过程的基本概念 单纯的间歇设备 TBU 半连续设备 SCU 中间存贮设备 IS 1 间歇过程的设备 三 间歇过程的基本概念 2 间歇过程的分类 根据生产产品的数量 三 间歇过程的基本概念 2 间歇过程的分类 根据生产流程的结构 1 间歇过程的操作方式间歇设备或间歇级的基本操作顺序是 三 间歇过程的基本概念 三 间歇过程的基本概念 若间歇级j的循环时间等于TL 则该间歇级构成了间歇操作过程的 瓶颈 因此把它称为 时间限制级 三 间歇过程的基本概念 A非覆盖式操作 限定循环时间和一批进料完全通过此过程的停留时间TR相等 三 间歇过程的基本概念 B覆盖式操作过程的限定循环时间或批间隔 取决于具有最大级循环时间的限制级即时间限制级 三 间歇过程的基本概念 C异步覆盖式操作过程的限定循环时间或批间隔 取决于具有最大级循环时间的限制级即时间限制级 三 间歇过程的基本概念 间歇化工过程 第三节 间歇过程的最优时间表 间歇过程最优时间表 加工设备 公用工程 生产时间 待生产产品 最优时间表 生产时间表的开发是间歇过程优化的主要问题 一 时间表问题 生产调度 图6 9多级生产装置 一 时间表问题 例1有四种产品A B C和D需要用四台间歇设备 和 按一定的顺序进行加工 可能的方案 a 按产品次序 一个产品加工完成后再加工另一个 缺点是一些设备的闲置时间过长 b 交叉使用各台设备 一 时间表问题 例1可能的时间表 表中遵循了一个约束条件 即各产品均有它自己的加工次序 在排序理论中称表中的加工次序为 技术约束 与此技术约束相容的时间表为 可行时间表 反之为 不可行时间表 一 时间表问题 简单问题 可用观察方法列出所有的可行和不可行时间表 n个产品 m台设备 在一个特定设备上每一种排列均可给出 n m种排列的加工次序 Eg n 4 m 4有 4 4 331776种可能n 5 m 4时间表总数为 5 4 2 1 108 解时间表问题困难 必须采用很巧妙方法 有时即使用了很巧妙的方法 某些问题求解所用的时间也可能很长 一 时间表问题 图6 10四产品四设备问题的最优时间表 一 时间表问题 时间表问题是寻找加工次序的问题与技术约束兼容 且对于某一种函数是最优 时间表问题的解的影响因素 加工流程的网络结构 各操作中每一产品的加工时间 是否存在中间贮罐 生产时间的损失和产品更换有关费用 所用优化目标函数和用来确定时间表的费用 对单个产品的交货日期 一 时间表问题 1 时间表问题的主要假设 符号说明和目标函数 若有n个产品 J1 J2 Jn 需要在m台间歇设备 M1 M2 Mm 上进行加工 用Oij表示第i个产品用第j台设备处理 在排序理论中将产品视为 作业 Job 而将设备视为 处理器 Processor 主要假设 a 各个产品是一个实体 尽管此产品可承受不同的操作 但不能同时进行同一产品的两个操作 因此 在我们的讨论中不能有这样的情况 即同时生产几种中间体 然后再将它们掺合成最终的产品 b 没有优先问题 各个操作一旦开始以后 必须在这台处理器加工直到完成规定的操作 c 各产品有m个不同的操作 在每一台设备上完成一个操作 不允许在同一台设备上对某一产品加工两次 同样 应坚持在每一台设备上加工各个产品 产品不允许跳过一台或多台设备 主要假设 d 不能中途放弃 各产品必须被加工到完成 e 加工时间与时间表无关 设备调整到正常状态所需要的时间与操作次序无关 在两台设备之间输送产品的时间可忽略 f 允许有中间贮罐 产品可等待到下一台要用的设备空出来 但在有的问题中被加工的产品必须连续地从一个操作到另一个操作 g 各类设备只有一台 即不允许在产品的加工中选择设备 此假设与前面介绍的用两台同步或异步操作的设备 来消除尺寸上的瓶颈或循环时间上的瓶颈是矛盾的 主要假设 h 可以有闲置的设备 i 没有一台设备能同时进行两个操作 j 设备不发生故障 对整个时间表期间有效 k 技术约束是事先知道的 且在操作过程中是不变的 l 以下物理量 即 产品数 设备数 加工时间 就绪时间和对规定一个特定的问题所需的全部其它物理量 是已知的 而且是恒定不变的 符号说明 目标函数 通常使用的主要准则或目标函数是Fmax 最大的流经时间 min 时间表费用直接和最长作业时间相关 Cmax 最大的完成时间 min 时间表费用取决于加工系统完成这一组作业的时间 就绪时间的差别 Cmax称为总生产时间F 平均流经时间C 平均完成时间 目标函数 一 时间表问题 2 时间表问题的分类 n m A Bn 作业 产品 的数目m 机器 设备 的数目A 说明流经此车间或工厂的模式 当m 1时 A可以是空白的 A也可以是P F或G 一 时间表问题 2 时间表问题的分类 n m A BA P F或GP 排列的多产品过程 PermutationFlowshop 不仅对所有产品的设备顺序相同 而且现在还限制搜索对各台设备来说产品顺序也是相同的时间表 故时间表完全由数字1 2 n的单一的排列所规定 F 多产品过程 Flowshop 情况 即对所有产品的设备顺序相同 G 一般的多目的过程 Jobshop 在这种情况下对技术约束的形式无限制 一 时间表问题 2 时间表问题的分类 n m A BB 目标函数 即用此目标函数或准则来估计时间表 它可取前面讨论过的任何一种形式 Eg n 2 F Cmax是指n个产品 2台设备 多产品过程问题 在时间表的建立中以总生产时间最少为目标函数 二 最优时间表计算规则 简单多产品间歇过程 多目的间歇过程 计算规则 指用来严格确定加工次序的一组简单规则 从问题的数据来建立最优解 二 最优时间表计算规则 对计算规则说明 在具有两台或多台设备的情况下 可采用此方法 只有n 2 F Fmax问题 可将计算规则用于所有情况下 对于其他类问题 计算规则少且只用于特殊情况 还假设 对所有的Ji i 1 2 n 就绪时间为零 即ri 0 在多产品厂中技术约束的要求是产品以同样的次序在两台设备之间通过 1 n 2 F Fmax问题Johnson规则 n个产品用两个单元 M1和M2 加工 每个产品都先用M1加工 然后用M2加工 目标函数是使最大的流经时间Fmax最小 由于所有产品的就绪时间为零 所以Fmax Cmax 先在M1上从具有最短加工时间的产品开始加工使在M2上具有最短加工时间的产品后结束加工最优时间安排应是一个 J1 J2 Jn 排列问题 目标是使在加工顺序中较早的产品在M2上有较短的加工时间 1 n 2 F Fmax问题Johnson规则 令ai为Ji在M1上的加工时间 bi为Ji在M2上的加工时间 则有ai pi1 bi pi2 此规则采用从两端向中间移动的方式建立加工顺序 从K 1开始 随顺序中第1 2 3 4 个位置被填充 而增加到2 3 4 从L n开始 随顺序中第n n 1 n 2 个位置被填充 而减少到n 1 n 2 Johnson规则 1 n 2 F Fmax问题Johnson规则 步骤1 令K 1 L n步骤2 令现在的未被排进时间表的产品列是 J1 J2 Jn 步骤3 对现在未被排进时间表的产品寻找所有ai和bi最小者 若有两个或两个以上的产品具有最短的时间 则从中任选一个Ji步骤4 若在M1上Ji具有最短时间 即ai最小 i 将Ji排在加工顺序中的第K位置 ii 从现在未排进时间表的产品列中消去Ji iii 令K K 1 iv 去步骤6 1 n 2 F Fmax问题Johnson规则 步骤5 若在M2上Ji具有最短时间 即bi是最小的 则进行与4相似的操作 将Ji排入加工顺序中的第L位置 从现在的未排进时间表的产品列中消去 令L L 1 去步骤6 步骤6 若有任何未被排进时间表的产品 则去步骤3 否则 停止计算 1 n 2 F Fmax问题Johnson规则 步骤5 若在M2上Ji具有最短时间 即bi是最小的 则进行与4相似的操作 将Ji排入加工顺序中的第L位置 从现在的未排进时间表的产品列中消去 令L L 1 去步骤6 步骤6 若有任何未被排进时间表的产品 则去步骤3 否则 停止计算 程序框图 1 n 2 F Fmax问题Johnson规则 例6 2 7 2 F Fmax问题 应用Johnson规则 各产品在设备M1和M2上的加工时间如下 4 4 2 2 6 6 7 7 1 1 3 3 5 5 Totaltime43units 4 4 7 7 1 1 2 2 5 6 6 3 3 5 Totaltime39units GanttChart 2 n 2 G Fmax问题的Johnson规则 在这里取消关于各个产品必须通过全部单元的假设 若产品组 J1 J2 Jn 中的产品可被分为以下四类 A类只需在单元M1上加工的产品B类只需在单元M2上加工的产品C类以M1 M2这样的次序在两个单元上加工的产品D类以M2 M1这样的次序在两个单元上加工的产品 2 n 2 G Fmax问题的Johnson规则 我们按下列方法求解 i A类产品以任意次序安排时间 得到顺序SA ii B类产品任意次序安排时间 而得到顺序SB iii C类产品 可将它视为n 2 F Fmax问题 用Johnson规则安排时间而得到顺序SC iv 对D类产品 也将它视为n 2 F Fmax问题 用Johnson算法安排时间而得到顺序SD M2是第一个单元 M1是第二个单元 最优时间表对单元M1为 SC SA SD 而对单元M2为 SD SB SC 2 n 2 G Fmax问题的Johnson规则 例6 3 9 2 G Fmax问题 用Johnson规则寻找最优时间表 A类产品 产品7仅在M1上加工 顺序为 7 B类产品 产品8和9需要M2 故任选顺序 8 9 C类产品 产品1 2 3 4先用M1 后用M2 用Johnson规则解此4 2 F Fmax问题 得到的顺序为 4 3 2 1 D类产品 产品5和6先用M2 后用M1 用Johnson规则解此2 2 F Fmax问题 得到顺序 5 6 记住M1现在是第二单元 2 n 2 G Fmax问题的Johnson规则 单元M1上产品的加工顺序为 4 3 2 1 7 5 6 单元M2上的加工顺序为 5 6 8 9 4 3 2 1 按此顺序进行加工的Gantt图如图所示 可以看出Fmax 44 3 特殊的n 3 F Fmax问题 用于n 2 F Fmax问题的Johnson规则可被推广到特殊的n 3 F Fmax问题 需要的条件是 即在第二单元上的最大加工时间不大于在第一或第三单元上的最小