一種基于仿真的流程工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度閉環(huán)優(yōu)化方法.pdf

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1、第4期鄔仲臻等．一種基于仿真的流程工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度閉環(huán)優(yōu)化方法一種基于仿真的流程工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度閉環(huán)優(yōu)化方法鄔仲臻馮毅萍王繼帥吳玉成榮岡(浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所，杭州310027)摘要針對流程工業(yè)實際調(diào)度過程中存在的調(diào)度執(zhí)行滯后、裝置不完全利用以及生產(chǎn)資源浪費等問題，提出一種基于仿真的閉環(huán)調(diào)度優(yōu)化方法，該方法具有多層次建模、分層調(diào)度優(yōu)化及閉環(huán)校正等特點。關(guān)鍵詞生產(chǎn)調(diào)度多層次仿真閉環(huán)優(yōu)化流程模擬中圖分類號TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1000—3932(2011)04-0369-06流程工業(yè)是個資本和技術(shù)密集、生產(chǎn)過程連續(xù)、產(chǎn)品批量大以及產(chǎn)品市場覆蓋面廣的行業(yè)。隨著原油價格的不斷上升以及對產(chǎn)品質(zhì)量

2、規(guī)格要求不斷嚴(yán)格，煉油企業(yè)必須盡可能地降低企業(yè)生產(chǎn)成本以提高企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營利潤和競爭力，這對煉油企業(yè)的生產(chǎn)計劃與調(diào)度排產(chǎn)優(yōu)化提出了巨大的挑戰(zhàn)?。目前基于線性規(guī)劃(LP)的煉廠生產(chǎn)計劃研究已趨于成熟，且產(chǎn)生了PIMS等多種成熟商業(yè)軟件；而煉廠調(diào)度問題則由于存在復(fù)雜性、不確定性、非線性、多目標(biāo)及多約束等特點，導(dǎo)致其優(yōu)化建模一直是研究的難點舊1。關(guān)于流程工業(yè)調(diào)度優(yōu)化問題的方法研究主要有基于經(jīng)驗規(guī)則的方法、隨機搜索方法、基于仿真的優(yōu)化方法及優(yōu)化模型建模方法等¨1。其中基于優(yōu)化模型建模的調(diào)度研究主要是圍繞混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP)”1方法展開的，隨著煉廠實例規(guī)模的擴大以及對模型精度要求的提高，使得整型變

3、量劇增，最終往往導(dǎo)致真實調(diào)度問題因規(guī)模龐大而難以求解。因此，對于煉廠調(diào)度問題這樣一個NP完全問題以及隨機不確定性優(yōu)化問題，無法像生產(chǎn)計劃問題一樣建立嚴(yán)格意義的優(yōu)化模型，需要借助模擬仿真系統(tǒng)結(jié)合基于仿真的優(yōu)化方法來輔助煉廠的調(diào)度決策優(yōu)化。目前仿真方法在調(diào)度問題的應(yīng)用研究中已經(jīng)獲得了學(xué)術(shù)及工程應(yīng)用界的普遍關(guān)注，如Atria等人基于專家系統(tǒng)、仿真優(yōu)化算法和啟發(fā)式相結(jié)合的方法為批處理化工生產(chǎn)建立計劃與調(diào)度系統(tǒng)bo；Abraham等人采用優(yōu)化與仿真集成建模的方法為一個潤滑油型煉廠做調(diào)度優(yōu)化，并通過仿真模型采用離散事件仿真的方法對煉廠調(diào)度執(zhí)行進行評估及解釋¨1。此外，商業(yè)調(diào)度軟件如Asp—ellOrion

4、、HYSISRefinery等也都集成了調(diào)度仿真、線性規(guī)劃等技術(shù)來進行調(diào)度優(yōu)化。但現(xiàn)有的這些方法通常針對特定生產(chǎn)流程定制，沒有考慮到調(diào)度優(yōu)化與計劃、控制的集成以及模型一致性等一般性問題，難以滿足工業(yè)級的推廣應(yīng)用，且商業(yè)軟件的應(yīng)用常存在高成本及知識產(chǎn)權(quán)等問題。因此，隨著仿真及建模技術(shù)的快速發(fā)展，基于仿真的調(diào)度優(yōu)化問題仍然是一個充滿挑戰(zhàn)的研究命題，需要綜合考慮調(diào)度優(yōu)化模型與計劃、操作層集成，仿真模型精度及建模成本等多項因素。針對以上研究現(xiàn)狀，筆者提出了一種基于智能工廠多層次仿真系統(tǒng)¨1的生產(chǎn)調(diào)度閉環(huán)優(yōu)化方法，通過在調(diào)度層建立生產(chǎn)調(diào)度的MILP優(yōu)化模型，并在PCS層建立全流程穩(wěn)態(tài)仿真及重點裝置動態(tài)流

5、程模擬相結(jié)合的集成仿真系統(tǒng)，從而將調(diào)度優(yōu)化與仿真模塊有機地結(jié)合起來，共同支持煉廠調(diào)度優(yōu)化決策。此外，在基于仿真的分層優(yōu)化建?？蚣苤羞€引入了閉環(huán)優(yōu)化機制，通過集成仿真系統(tǒng)對初始調(diào)度優(yōu)化結(jié)果進行試運行以及“What—If”分析，提取生產(chǎn)目標(biāo)偏差值，返回給調(diào)度優(yōu)化進行多周期的閉環(huán)重調(diào)度，以解決傳統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化基于靜態(tài)優(yōu)化模型開環(huán)執(zhí)行而導(dǎo)致的調(diào)度執(zhí)行滯后、裝置的不完全利用以及生產(chǎn)資源浪費等問題，從而提高調(diào)度優(yōu)化模型的魯棒性。1分層閉環(huán)調(diào)度優(yōu)化框架’根據(jù)流程工業(yè)ERP-MES—PCS3層架構(gòu)以及多分辨率建模理論呻1，煉廠生產(chǎn)管理通常分為生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)調(diào)度和操作控制3個層次。通過在PCS層建立詳細(xì)完備的基礎(chǔ)信

6、息模型(包括完備的基礎(chǔ)設(shè)備、設(shè)備屬性、設(shè)備物理連接關(guān)系及物流收稿日期：2011-03419(修改稿)370化工自動化及儀表第38卷及能耗信息等)，再利用時空聚集一解聚的方法并結(jié)合邏輯罐及裝置側(cè)線歸并規(guī)則得到調(diào)度層以及計劃層的基礎(chǔ)信息模型，從而建立起石化企業(yè)多層次工廠基礎(chǔ)信息模型。各個層次時空粒度保持差異，且層次間通過時空映射方法來保持模型間的一致性。在煉廠多層次基礎(chǔ)信息模型的基礎(chǔ)上，采用；基于仿真的優(yōu)化方法和閉環(huán)優(yōu)化機制，結(jié)合煉廠的生產(chǎn)經(jīng)營業(yè)務(wù)流程，建立如圖1所示的石化企業(yè)分層閉環(huán)調(diào)度優(yōu)化框架。圖1分層閉環(huán)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化框架圖在該分層閉環(huán)調(diào)度優(yōu)化框架中，計劃優(yōu)化的結(jié)果及計劃目標(biāo)短周期分解(通常是

7、1周的生產(chǎn)目標(biāo))由上游計劃給定，調(diào)度優(yōu)化以計劃分解目標(biāo)為邊界約束，通過最小化操作成本，確定7天的每日調(diào)度作業(yè)安排，形成每天的生產(chǎn)調(diào)度指令并下達(dá)給PCS層。PCS層調(diào)用動穩(wěn)態(tài)結(jié)合的集成仿真系統(tǒng)(其模型精度已通過現(xiàn)場比對驗證)，并以生產(chǎn)調(diào)度指令作為仿真輸入驅(qū)動仿真運行。由仿真結(jié)果統(tǒng)計出相關(guān)生產(chǎn)指標(biāo)，分析初始調(diào)度優(yōu)化結(jié)果的執(zhí)行情況，并將其與計劃目標(biāo)之間的偏差情況重新返回給調(diào)度優(yōu)化模塊，調(diào)整下一周期調(diào)度優(yōu)