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1、2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,1,第十章 流程工业企业综合自动化Computer integrated Manufacturing System in Process Industry,Department of Control Science&Engineering,Zhejiang University,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,2,本章主要内容,概述CIMS的概念、流程CIMS与离散CIMS之比较流程工业CIMS的体系结构功能结构及递阶层次、体系结构、间歇方式的影响核心问题及关键技术系统集成、系统优化、环境集成、功能集成设计举例,2023/
2、9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,3,第一节 Unit 1,概述 Introduction,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,4,本节主要内容,CIMS的概念流程工业CIMS与离散CIMS之比较,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,5,9-1-1 CIMS的概念与发展（1）,CIM的概念 CIM(Computer Integrated Manufacturing)计算机集成制造 企业资源（人、财、物、技术、经营管理）计算机技术集成 资源优化，产品优质、低耗、上市快，增强竞争力,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,6,9-1-1 CIMS
3、的概念与发展（2）,CIMS的概念 CIMS(Computer Integrated Manufacturing system）计算机集成制造系统 是CIM哲理的具体体现CIMS的主要特征是“四化”计算机化、信息化、智能化和集成优化,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,7,9-1-1 CIMS的概念与发展（3）,CIM理念起源于70年代（Joseph Harrington,1973)一种新的生产模式CIMS 80年代初被广泛接受（美国制造工程师学会）首先广泛应用于离散制造业 汽车、机械设备、家用电器等行业 在离散工业，CIMS已形成较为成熟的体系框架（CAD、CAM、CAPP、
4、MRP II 等）国内已有上百家应用示范企业开始在流程行业受到重视,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,8,为何在流程工业实施CIMS,流程工业在整个制造业中所占比重大占全国工业总产值的70以上 91年以来流程工业的产品销售额前10名中占80-90%,利润前20名中占70%市场竞争对流程工业的压力不断增大CIMS技术能够显著提高企业效益和市场竞争力 福建炼油厂CIMS工程(一期)年增效益2600多万元,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,9,流程工业自动化技术发展过程,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,10,9-1-2 流程CIMS与离散CIM
5、S的比较,流程工业 离散工业安全生产要求 高 较低生产平衡要求 高 较低环境保护要求 高 较低设备投资 高 较低产品种类变化 少 多新产品设计任务 少 多新产品产生方式 试验 设计售后服务要求 一般 高提高效益主要途径 稳定质量、减少 缩短产品交货期 消耗、满负荷、和新产品上市时间 长周期,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,11,9-1-2 流程CIMS与离散CIMS区别(1),流程工业 CIMS 离散工业CIMS 生产计划 采用过程结构和配方 采用物料清单进 进行物料需求计划；行物料需求计划；同时考虑生产能力 先物料需求，和物料需求；后能力需求；主要面向库存；主要面向定单；
6、工程设计 可不包括工程(产品)工程(产品)设计 设计子系统；子系统必不可少；调度管理 考虑因素复杂，涉及面广；主要考虑物料和设备能力；质量管理系统与生产过程 质量管理系统相对独立；自动化监控系统紧密相关；,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,12,9-1-2 流程CIMS与离散CIMS区别(2),流程工业 CIMS 离散工业CIMS信息处理 要求处理大量动态数据，主要处理静态数据，实时性要求高；实时性要求不高；安全性 首要任务，必须实现全 偏重于单个生产装置的监控，生产过程的动态监控；为柔性生产提供信息；经营决策 强调优化，更注重生产 强调柔性；过程中资金流管理；人的作用 自动
7、化程度较高，一般不自动化程度相对较低，许多 需要人直接参与加工；情况下需要人直接参与加工；理论研究 尚未形成较为完善的理论较为成熟，已形成较为完善 体系和规范。的理论体系和规范。,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,13,9-1-2 流程CIMS与离散CIMS相似之处,财务管理 供应销售管理 资产管理 人力资源管理 发展趋势相同 网络化 数字化/虚拟化 以人为核心的智能化 重视企业间的集成优化,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,14,第二节 Unit 2,流程工业CIMS的体系结构Architectonic of Processing CIMS,2023/9/
8、26,第九章 流程工业企业综合自动化,15,本节主要内容,流程工业CIMS的功能结构及递阶控制层次流程工业CIMS的体系结构模型 基于三层结构的流程工业现代集成制造体系结构 间歇生产方式对流程工业CIMS的影响,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,16,9-2-1 流程工业CIMS的功能视图,计算机网络与数据库管理系统,管理信息系统,动态监控系统,生产自动化系统,质量控制系统,市场信息,技术信息,原材料,能源动力,产品,销售服务信息,抽样统计信息,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,17,9-2-1 流程工业CIMS的递阶控制层次,2023/9/26,第九章 流
9、程工业企业综合自动化,18,9-2-1 各功能层次的控制频率及系统定位、实现平台,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,19,9-2-2 流程工业CIMS的体系结构模型,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,20,9-2-2 流程CIMS体系结构的X、Y联合视图,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,21,9-2-3 基于三层结构的流程工业现代集成制造体系结构(1),2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,22,9-2-3 基于三层结构的流程工业现代集成制造体系结构(2),2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,23,9-2-4
10、 间歇生产方式对流程CIMS的影响（1）,间歇型生产过程的特点常适用于中小批量且产出价值较高的产品生产方式灵活一般是由一些通用型的设备组成，生产方式上具有一定程度的柔性这些特点使间歇型生产过程应付产品需求变化的能力增强，但由此产生的更为复杂的资源共享和争用现象，对生产计划和调度提出了更高的要求。,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,24,9-2-3 间歇生产方式对流程CIMS的影响（2）,对间歇生产方式影响因素的考虑设备管理的同时还亟需工艺管理由于设备可由多项流程共享，工艺描述与设备网络描述是不同且独立的调度成为最重要的功能为了在特定时间段上将设备分配给特定的工艺流程优化的求解
11、问题批量本身是可优化的，以及间歇型生产所需的复杂的中间产品存储策略，增加了优化调度求解的难度。,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,25,第三节 Unit 3,核心问题及关键技术The kernel Problem and Key Technique,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,26,9-3 流程工业CIMS的核心问题及关键技术,本节主要内容系统集成系统优化建立CIMS集成环境的关键技术实现流程工业CIMS功能集成的关键技术CIMS的主要内涵是在计算机技术基础上实现整个制造过程的集成，但实现系统集成并不是CIMS的最终目的，而是为了充分利用整个制造过程中
12、所有可用资源、最终实现系统优化。故集成与优化是流程CIMS的核心问题。,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,27,9-3-1 CIMS中的系统集成（Integration）,系统集成的含义硬件集成软件集成数据和信息集成管理、技术和生产等功能集成人和组织机构的集成,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,28,9-3-1 系统集成的好处,减少数据冗余，实现信息共享便于对数据进行合理规划和分布便于进行规模优化（Rightsizing）向上优化（Upsizing）向下优化（Downsizing）利于开展并行工程，提高工作效率与效益有利于人们之间彼此协调地工作。,2023/
13、9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,29,9-3-1 系统集成的核心是信息集成,信息集成是指对系统中各种类型的数据进行统一的处理，避免不必要的冗余，为用户提供统一和透明的界面，从而实现信息共享。信息集成的困难所在各个子系统在应用的模式结构上有差异各子系统中所用的数据性质不同,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,30,信息模型信息模型就是反映一个企业信息系统基本状况的模型,它主要是从概念上和逻辑上对一个企业的数据及数据流进行合理的规划。数据模型与信息模型“用户视图”（或称外模式）“数据管理员视图”（或称内模式）信息模型（或称为数据的概念模式）,9-3-1 信息集成与信息模型
14、(1),2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,31,9-3-1 信息集成与信息模型(2),2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,32,建立信息模型的方法：信息工程方法IDEFIX（Integrated Computer Aided Manufacturing Definition Method）数据流程图DFD（Data Flow Diagram）数据字典DD(Data Dictionary)面向对象方法OOM（ObjectOriented Method）,9-3-1 信息集成与信息模型(3),2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,33,9-3-1 异
15、构系统之间的信息集成,采用的方法主要有：数据的迁移和转换使用特殊的网关（Gateway）建立多数据库系统全局统一模式的多数据库系统 联邦数据库系统与分布式数据库的区别与联系,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,34,9-3-2 CIMS中的系统优化,优化的要求无处不在，从总体效益考虑 下层的优化应服从于上层的优化，局部的优化应服从于整体的优化。优化的方法因流程企业的类型不同、CIMS框架中的层次不同，优化命题的对象和要求也不同而有所不同。,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,35,9-3-2 CIMS中生产计划/调度最优化(1),流程工业CIMS中的生产计划/调
16、度的任务完成指挥生产，组织日常均衡生产和处理异常事件的任务是在一定范围内实现柔性生产的关键,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,36,流程工业生产计划/调度的特点既有“等待”、“传输”、“加工时间”、“存储”等一般的调度概念又有与连续生产过程相关的特殊的概念，如“反应率”、“分离率”、“合成率”、“传质”、“传热”等需要针对具体的流程作出具体的分析和研究,9-3-2 CIMS中生产计划/调度最优化(2),2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,37,过程模型与生产计划/调度优化模型 必须建立相应描述连续过程的模型 为生产计划/调度优化提供反映物理、化学 过程的约束条
17、件建立起的生产计划/调度优化模型 将连续过程中最重要的过程约束反映在优化 模型中，为实现最优化的计划/调度创造条件而建立模型是一件相当困难的事,9-3-2 CIMS中生产计划/调度最优化(3),2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,38,生产计划/调度系统是一个混杂系统系统中既包含连续过程变量，如在多数生产过程本身是连续的同时又包含离散过程变量，如生产方案的切换、调度指令的下达、随机事件的引入、生产装置的切换等两种变量之间是相互关联、相互作用的对混杂系统的研究其理论上还远末成熟，正是当前控制界研究的一个热点,9-3-2 CIMS中生产计划/调度最优化(4),2023/9/26,第
18、九章 流程工业企业综合自动化,39,CIMS中生产计划/调度系统的结构框图递阶结构,9-3-2 CIMS中生产计划/调度最优化(5),2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,40,9-3-2 过程操作优化（1）,过程操作优化的含义不修改工艺流程、不增加生产设备通过寻优计算出使目标函数达到最优，同时又满足各项生产规定要求的决策变量使整个生产过程处于最佳运行状态最优操作参数指关键控制系统的设定值：如精馏塔最优回流比、最大产品收率、反应器的最佳反应温度等,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,41,9-3-2 过程操作优化（2）,实施过程寻优结果的方式（1）离线优化操作方式
19、 将最优生产工艺参数提供给操作人员实施。（2）在线优化操作方式 将最优工艺参数直接作为控制器的设定值，由控制系统实现。,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,42,9-3-2 过程操作优化（3）,实现过程优化的技术难点在于1、建立过程的稳态数学模型（1）过程模型从数学上把过程变量联系起来，客观上近似描述生产过程特性（2）“优化模型”或称“经济模型”从数学上把 经济方面的因素联系起来，如将目标函数定为 要求利润最大，能量最省或成本最小等2、优化算法求解（大规模、速度、病态等）,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,43,9-3-2 过程操作优化（4）,过程模型的特点变
20、量多、关系复杂、且往往是非线性的过程模型最基本的形式为 y=f(u)式中 y,u过程的输出与输入向量 f为任意形式的函数向量建模是一件很困难的工作，通常采用机理法、统计法以及人工神经元网络等方法建模。,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,44,9-3-2 过程操作优化（5）,优化模型一般的数学表达式为 max F(X);F是与经济指标相关的目标函数 S.t.h(x)=0;h是表示过程稳态特性的数学模型 c(x)=0;g(x)=0;等式约束c和不等式约束g则表示设备负荷、产品质量或操作安全等方面的约束,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,45,9-3-2 过程操作
21、优化（6）,过程优化问题需要解决的问题决策变量选取目标函数确定约束条件建立优化算法选择,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,46,9-3-2 过程操作优化系统结构示意图,常规控制,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,47,9-3-3 实现流程CIMS的关键技术,离散CIMS已由信息集成、功能集成向过程集成、全局集成迈进流程CIMS基本上还停留在信息集成的研究和实现上实现流程CIMS要解决两大类的技术问题:一类是建立集成的环境；一类是实现与前面所述的各种功能集成相关的技术。,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,48,9-3-3 建立CIMS集成环境
22、的关键技术(1),建立CIMS集成环境有关的技术计算机网络系统数据库管理系统DBMS数据校正与数据调和数据仓库和实用挖掘技术 各种接口技术中间件（Middleware）技术 这些实际上均属于计算机技术的范畴，但必须根据流程CIMS的信息流特点进行考虑与设计,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,49,流程CIMS数据库环境示意图,返回,9-3-3 建立CIMS集成环境的关键技术(2),2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,50,中间件的基本结构,返回,9-3-3 建立CIMS集成环境的关键技术(3),2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,51,9-3-
23、4 实现CIMS功能集成的关键技术(1),软测量技术建立软测量模型的方法 软测量的工程实施 软测量模型的自校正 实时在线故障检测及诊断技术故障分为：元器件故障、执行机构故障、传感器故障，以及控制器的软件、硬件故障等在线诊断技术与离线诊断技术先进控制与智能控制先进控制智能控制,继续,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,52,软测量技术(1),软测量的基本结构建立软测量模型的方法基于工艺机理的方法基于对象数学模型的方法基于过程历史数据的方法,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,53,软测量技术(2),软测量的工程实施设计原则：满足工程应用的简易性、有效性、可靠性要求
24、辅助变量的选择 变量的类型、数目及测点位置 数据处理与变换 误差处理 标度、转换和权函数,返回,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,54,实时在线故障检测及诊断技术,返回,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,55,9-3-4 与实时监控有关的功能结构及技术,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,56,第四节 Unit 4,流程工业CIMS设计示例The Example of Processing Industry CIMS,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,57,本节主要内容,CIMS的功能递阶结构一些关键技术及处理实现的CIMS
25、子系统,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,58,9-4 流程工业CIMS设计示例（1）,流程CIMS的开发过程有几个主要阶段可行性研究初步设计详细设计实施与测试运行与维护等,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,59,9-4 流程工业CIMS设计示例（2）,CIMS的体系结构,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,60,9-4 流程工业CIMS设计示例（3）,实施CIMS时的几个子系统成本管理和决策支持子系统 质量管理和控制决策子系统 设备管理和决策支持子系统 物料平衡和数据校正子系统,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,61,结束语,实现CIMS的目的应该是追求企业的整体效益，而非它的形式。人在CIMS中的地位应是处于核心地位CIMS应该是一个能充分激发人的创造性与积极性的系统。在设计与实施CIMS的每个阶段，只有当每个人员真正投入，CIMS才能发挥出最大的效益。,2023/9/26,第九章 流程工业企业综合自动化,62,第九章,The End,
