一种基于仿真的流程工业生产调度闭环优化方法.pdf

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1、第4期邬仲臻等．一种基于仿真的流程工业生产调度闭环优化方法一种基于仿真的流程工业生产调度闭环优化方法邬仲臻冯毅萍王继帅吴玉成荣冈(浙江大学智能系统与控制研究所，杭州310027)摘要针对流程工业实际调度过程中存在的调度执行滞后、装置不完全利用以及生产资源浪费等问题，提出一种基于仿真的闭环调度优化方法，该方法具有多层次建模、分层调度优化及闭环校正等特点。关键词生产调度多层次仿真闭环优化流程模拟中图分类号TP273文献标识码A文章编号1000—3932(2011)04-0369-06流程工业是个资本和技术密集、生产过程连续、产品批量大以及产品市场覆盖面广的行业。随着原油价格的不断上升以及对产品质量

2、规格要求不断严格，炼油企业必须尽可能地降低企业生产成本以提高企业生产经营利润和竞争力，这对炼油企业的生产计划与调度排产优化提出了巨大的挑战⋯。目前基于线性规划(LP)的炼厂生产计划研究已趋于成熟，且产生了PIMS等多种成熟商业软件；而炼厂调度问题则由于存在复杂性、不确定性、非线性、多目标及多约束等特点，导致其优化建模一直是研究的难点旧1。关于流程工业调度优化问题的方法研究主要有基于经验规则的方法、随机搜索方法、基于仿真的优化方法及优化模型建模方法等¨1。其中基于优化模型建模的调度研究主要是围绕混合整数线性规划(MILP)”1方法展开的，随着炼厂实例规模的扩大以及对模型精度要求的提高，使得整型变

3、量剧增，最终往往导致真实调度问题因规模庞大而难以求解。因此，对于炼厂调度问题这样一个NP完全问题以及随机不确定性优化问题，无法像生产计划问题一样建立严格意义的优化模型，需要借助模拟仿真系统结合基于仿真的优化方法来辅助炼厂的调度决策优化。目前仿真方法在调度问题的应用研究中已经获得了学术及工程应用界的普遍关注，如Atria等人基于专家系统、仿真优化算法和启发式相结合的方法为批处理化工生产建立计划与调度系统bo；Abraham等人采用优化与仿真集成建模的方法为一个润滑油型炼厂做调度优化，并通过仿真模型采用离散事件仿真的方法对炼厂调度执行进行评估及解释¨1。此外，商业调度软件如Asp—ellOrion

4、、HYSISRefinery等也都集成了调度仿真、线性规划等技术来进行调度优化。但现有的这些方法通常针对特定生产流程定制，没有考虑到调度优化与计划、控制的集成以及模型一致性等一般性问题，难以满足工业级的推广应用，且商业软件的应用常存在高成本及知识产权等问题。因此，随着仿真及建模技术的快速发展，基于仿真的调度优化问题仍然是一个充满挑战的研究命题，需要综合考虑调度优化模型与计划、操作层集成，仿真模型精度及建模成本等多项因素。针对以上研究现状，笔者提出了一种基于智能工厂多层次仿真系统¨1的生产调度闭环优化方法，通过在调度层建立生产调度的MILP优化模型，并在PCS层建立全流程稳态仿真及重点装置动态流

5、程模拟相结合的集成仿真系统，从而将调度优化与仿真模块有机地结合起来，共同支持炼厂调度优化决策。此外，在基于仿真的分层优化建模框架中还引入了闭环优化机制，通过集成仿真系统对初始调度优化结果进行试运行以及“What—If”分析，提取生产目标偏差值，返回给调度优化进行多周期的闭环重调度，以解决传统调度优化基于静态优化模型开环执行而导致的调度执行滞后、装置的不完全利用以及生产资源浪费等问题，从而提高调度优化模型的鲁棒性。1分层闭环调度优化框架’根据流程工业ERP-MES—PCS3层架构以及多分辨率建模理论呻1，炼厂生产管理通常分为生产计划、生产调度和操作控制3个层次。通过在PCS层建立详细完备的基础信

6、息模型(包括完备的基础设备、设备属性、设备物理连接关系及物流收稿日期：2011-03419(修改稿)370化工自动化及仪表第38卷及能耗信息等)，再利用时空聚集一解聚的方法并结合逻辑罐及装置侧线归并规则得到调度层以及计划层的基础信息模型，从而建立起石化企业多层次工厂基础信息模型。各个层次时空粒度保持差异，且层次间通过时空映射方法来保持模型间的一致性。在炼厂多层次基础信息模型的基础上，采用；基于仿真的优化方法和闭环优化机制，结合炼厂的生产经营业务流程，建立如图1所示的石化企业分层闭环调度优化框架。图1分层闭环生产调度优化框架图在该分层闭环调度优化框架中，计划优化的结果及计划目标短周期分解(通常是

7、1周的生产目标)由上游计划给定，调度优化以计划分解目标为边界约束，通过最小化操作成本，确定7天的每日调度作业安排，形成每天的生产调度指令并下达给PCS层。PCS层调用动稳态结合的集成仿真系统(其模型精度已通过现场比对验证)，并以生产调度指令作为仿真输入驱动仿真运行。由仿真结果统计出相关生产指标，分析初始调度优化结果的执行情况，并将其与计划目标之间的偏差情况重新返回给调度优化模块，调整下一周期调度优