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流程工业拟实优化调度系统

2009-02-17 09:55:35  来源:万方数据

摘要:流程工业生产调度是典型的多工序、多约束、多目标的调度问题,实现优化调度非常复杂。在分析调度建模问题的基础上,提出了拟实优化调度思想和流程工业拟实优化调度原理。
关键词: 流程工业 动态调度系

    1 引 言

    流程工业的综合信息化是提高企业核心竞争力的重要策略和必由之路。生产调度作为连接管理与生产的重要环节,关系到从企业资源计划(ERP)到生产控制的整体优化实现,是流程工业综合信息化的核心组成部分。对有效地提高流程工业综合自动化和信息化水平,有机集成生产过程控制系统和经营管理信息系统,快速、有效、低成本地建立流程企业生产调度系统,以提高产品质量、降低生产成本、节约能源、减少环境污染和资源消耗、提高生产效率、实现流程工业的绿色生产,提高企业对市场的快速应变和调控能力,增强企业市场竞争力,有着非常重要的现实意义。

    由于流程工业生产系统具有多品种、大批量、周期短、运行复杂(包括设备故障、检修,物料-中间品-产品关联等)等特点,并包含大量复杂的资源约束、工艺约束和能源约束,对生产调度的实时性、协调性要求很高。生产优化调度系统建模、调度、验证等十分繁杂、对用户要求极高,建立有效的优化调度系统非常困难。在流程工业生产计划的数学规划模型、调度算法、约束理论、仿真方法,以及人工智能方法等方面都取得了许多研究和应用的成果。然而,如何有效地结合流程工业实际生产过程,建立有效的拟实调度方法,并在现场实施,仍是MES(制造执行系统)所面临的一个关键问题。

    2 调度建模

    流程工业的生产调度是指在满足装置设备和工艺要求的条件下,对多种可行产品的生产在时间和设备上进行规划,从而确定出生产过程的产品结构、资源分配和流程路线。在用户定义的时间长度内,满足生产约束(包括物流平衡、资源限制和库存控制、定单要求)的调度为可行调度。优化调度即相对于评判函数最好的调度方案。

    Rich S.et al,Kondili E.et al,Ku H. M.(1988),Wellons M.C.et al(1991),王朝晖等先后根据不同的流程工业生产过程探讨了混合整数线性规划(MILP)模型的建立方法,他们对时间段的划分均采用统一时间长度方式(UDM)。Kondili E. etal以状态-任务网络图(STN)抽象形式描述化工处理过程,以UDM 方式建立了生产调度问题的混合整数线性规划(MILP)一般模型,能够处理广泛的流程工业生产过程调度问题,如间歇/ 半连续生产过程,各种中间存贮方式,Multi-product / Multi-propose 等情形,奠定了化工生产调度问题数学建模的基础。

    状态-任务网络图(STN)是一种表示化工工艺的有向图,它由两种节点组成:状态节点和操作(任务)节点。状态节点表示输入原料、中间产品或最终产品;操作节点表示处理任务,该处理任务将一种或多种输入状态转化为一种或多种输出状态。有向线上的小数表示投料比例/ 产出比例系数。

    1)STN实例:某化工过程生产两种产品P1和P2,需要三种原料FA,FB和FC,生产中有三种中间产品IAB,IBC,IE。生产工艺的STN如图1所示。

图1 STN实例

    图1 STN实例

    2)调度问题的表述假设化工生产过程调度问题为P,给定:生产过程的工艺描述(STN)及全部相关信息;一个感兴趣的时间段H;用户订单信息及原料到货信息。求:每台设备的生产任务安排,即各操作的开始时间及相应批量。使得:目标函数(如生产效益)最优。

    为了便于调度问题的求解,特作以下假设:

    ①非抢占式,即任何操作不能抢占正在执行另一个操作的设备;②对于间歇生产装置,操作处理时间固定,不受生产批量影响;对于连续生产装置,操作的生产效率保持恒定;③物料从状态到操作或操作到状态都是瞬时完成的;④所有可决策的数据最后固定在感兴趣的时间段上。

    3 拟实优化调度系统

    根据调度建模问题分析,并结合典型流程工业生产过程实际需求调研,本文提出拟实优化调度系统框架:①通过可视化生产工艺描述,有机衔接需求链管理 DCM(Demand Chain Management)、供应链管理SCM(Supply Chain Management)、企业资源计划ERP(Enterprise Resource Planning)以及生产自动化系统,快速建立生产系统模型(包括生产过程的内在联系及其演化规则);②采用调度数学规划模型生成算法及高效的寻优算法,生成有效、经济的生产调度计划,并利用甘特图、棒状图、趋势图等直观显示;③利用连续Petri 网技术模拟生产,通过现场数据的采集比较,实现调度计划的动态监控;④监控发现偏离,以及异常生产工况、紧急订单、物料短缺等情况下,可进行动态再调度。

    1)系统整体构架:优化调度系统整体构架,主要由静态调度、动态调度、动态监控和统计报告4大功能模块组成。

    静态调度模块对计划、供应、销售等部门生成的综合计划进行分解、优化,生成计划方案并将计划指令下达给动态调度模块;动态调度模块根据计划指令并结合由动态监控模块提供的生产工况反馈信息进行优化,生成调度方案,并将调度指令传达给动态监控模块,同时,对生产计划方案进行修正。动态监控模块根据调度指令生成控制指令下达给生产过程,从而实现生产的调度、控制。统计报告模块根据实际工况以及各种生产信息,生成统计报告,反馈给静态调度模块和综合计划模块,以指导生产计划方案和调度方案。如图2所示。

图2 优化调度总体构架

    图2 优化调度总体构架

    2)系统组成及方案设计系统模块主要包括:系统建模、优化调度、过程模拟、过程监控、数据采集、统计分析等。系统功能结构如图3所示。

图3 系统功能结构图

    图3 系统功能结构图

    ①系统建模该模块完成生产优化调度系统的生产模型有效描述,包括生产过程的内在联系及演化规则,能够处理较广泛的生产过程调度问题,如间歇/半连续生产过程,各种中间存贮方式(UIS/FIS/NIS/MIS),Multi-product/Multi-propose等情形。

    根据2节“调度建模”原理,通过STN图可视化描述生产系统中的生产工艺,定义其工艺名称、生产路径、物料清单、主次设备、处理速率、缓存类型、库存水平、需求定单等内容,建立生产任务、资源、设备等要素的内部逻辑关系,充分表征生产系统。

    ②优化调度该模块完成优化调度中优化模型的生成和优化调度方案的求解。

    模型生成:根据生产工艺信息、产品销售计划、原料采购计划、设备维修计划、产品(中间体、原料)库存信息和设备生产能力,生产资源占用、消耗、生产成本等生产约束信息,生成基于OPL模型语言描述的优化模型的数据文件。

    优化求解:根据选择优化目标:最大生产能力、最大利润、满足销售订单(零库存销售),确定其对应的优化模型的模型文件。将优化模型的模型文件和数据文件提交给ILOG OPL Studio,通过CPLEX和Solver求解器自动求解其最优解,并将其结果自动存入到数据库中。优化调度结果提供通用、直观的Gantt图显示,并提供调度方案人工修改。

    ③过程模拟:利用连续Petri网简化动态模型,模拟生产过程,得到大量过程数据,用来验证调度方案。以物料为中心,随调度时间变化,以图形的方式动态显示某个物料的变化趋势以及某时刻与某物料生产消耗相关的设备运行状况。物料变化包括:采购、销售、生产(产出及消耗)。某时刻与物料消耗相关的生产设备的分布状况:分车间、工段显示。移动观察点时间游标,即可浏览某时刻的物料动态变化信息以及该时刻的物料生产消耗或产出情况。

    ④过程监控:根据实际采购到货、销售、生产等信息,监控生产计划的执行,并根据预先设定的监控敏感数据,监视生产进度和机器工况。调度方案经模型仿真得到的中间结果,如截止每天或每班应完成的产品规格的产量、完成合同估计值等,以3δ正态分布设置监视区域,监视生产进度,越限则报警,同时显示实际合同完成情况的评估。若遇到机器故障或合同完成情况相差过大,则提示重新调度。

    ⑤数据采集:该模块实现与经营管理信息系统(DCM、SCM、ERP等)无缝衔接,通过接口函数自动采集库存信息、采购计划、销售计划、设备检修计划等,为生产调度提供基础数据。

    ⑥统计分析:提供调度计划、物料平衡日报表、销售计划、采购计划、设备维修计划、库存信息、调度基础数据的多条件的随意组合查询、统计分析。

    4 应用实例

    某药业集团卡马西平系列产品有10多种版本,产品90%出口,市场需求变化快,其生产过程具有典型的多品种、间歇式、混流生产调度特性(生产车间拥有46个反应釜),其生产流程如图4所示。

图4 卡马西平生产流程图

    图4 卡马西平生产流程图

    其对应的生产工艺STN描述如图5所示。

图5 卡马西平STN图生产工艺

    图5 卡马西平STN图生产工艺

    原企业在未实施该系统前,完全由人工排产,通过粗放型采购、生产,以积压原材料、中间体和产品,占用资金的代价来满足市场销售变化。通过集成采购、销售、库存、生产等系统,建立其生产优化调度系统,取得了显着效益。生产计划与调度更便捷、效率大大提高。原生产周计划人工调度需要编制2天,现在还不足20 min,其方案优于人工调度方案。根据销售计划安全生产、适时采购原料,减少原料过剩、产品积压,加快资金周转,此项节约资金约200万元/年。调度方案合理,支持混流生产,大大提高生产设备利用率,以此提高了生产能力。同时调度方案仿真、生产过程动态监控,生产异常情况下的动态调度,提高了生产的调控能力。

    5 结 语

    本文针对流程工业生产典型调度问题,提出了拟实优化调度系统框架,建立了基于可视化生产系统建模、优化求解、过程模拟、过程监控为一体的优化调度系统,将复杂的生产系统描述转变为简单、直观的生产工艺流程的描述,优化模型自动生成,可视化过程模拟、可视化过程监控,使抽象、复杂的优化调度工作变得极其直观、简单。有效解决了流程工业实际生产中的生产计划和动态调度问题,大大提高生产调度的效率和准确性,减少原材料、产品积压,提高设备的效率,并在实际应用中取得很好的经济效益。


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