流程工业综合自动化系统的仿真技术及其应用.pdf

《流程工业综合自动化系统的仿真技术及其应用.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《流程工业综合自动化系统的仿真技术及其应用.pdf（10页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第13卷第9期计算机集成制造系统Vol. 13 No. 9 2 0 0 7年9月Computer Integrated Manufacturing SystemsSep. 2 0 0 7 文章编号:1006 - 5911(2007)09 - 1690 - 10 收稿日期:2006 - 10 - 29 ;修订日期:2007 - 02 - 12。Received 29 Oct.2006 ;accepted 12 Feb. 2007. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60421002)。Foundation item: Project supported by the National Natu

2、ral Science Foundation , China (No. 60421002) . 作者简介:章建栋(1981 - ) ,男,浙江杭州人,浙江大学先进控制研究所工业控制技术国家重点实验室博士研究生,主要从事流程工业综合自动 化的研究。E2mail :jdzhang iipc.zju. 。 流程工业综合自动化系统的仿真技术及其应用 章建栋,冯毅萍,荣 冈 (浙江大学 先进控制研究所工业控制技术国家重点实验室,浙江 杭州 310027) 摘 要:以企业资源规划/制造执行系统/过程控制系统三层结构为基础,对仿真技术在石化生产企业的应用 现状进行了综述,指出了流程工业三层集成仿真系统在现代

3、企业生产运营中的重要性,并分析了该集成仿真技术 面临的关键问题,包括多分辨率建模技术、 分布式集成仿真技术标准和集成仿真平台,以及可视化仿真技术等,最 后探讨了仿真技术未来的发展方向。 关键词:流程工业;计算机集成制造;过程控制系统;制造执行系统;企业资源计划;仿真;集成 中图分类号:TP273 文献标识码:A Simulation in CIMS and its application to process industry Z HA N G J ian2dong , FEN G Yi2ping , RON G Gang (National Key Lab of Industrial Con

4、trol Technology , Institute of Advanced Process Control , Zhejiang University , Hangzhou 310027 , China) Abstract :Based on the 32layer framework of Enterprise Resource Planning (ERP) , Manufacturing Execution System (MES) , and Procee Control System (PCS) , application of simulation technology in p

5、etrochemical enterprises was reviewed. Furthermore , the importance of integrated simulation system for process industry to the production processes and the business operations in modern enterprises was emphasized , and key problems of integrated simula2 tion technologies were pointed out. These key

6、 problems included multi2resolution modeling , standards of the distrib2 uted integrated simulation technology , architecture of the distributed integrated simulation system and visualized simulation. Finally , prospect of future simulation research was also introduced. Key words : process industry;

7、 computer integrated manufacturing system; process control system; manufacturing execution system; enterprise resource planning; simulation; integration 0 引言 面对全球激烈的商业竞争,流程工业企业纷纷 通过提高产品质量、 降低运营成本和缩短交货期等 手段来提升自己的竞争力。在这个过程中,计算机 集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System ,CIMS)受到高度重视,不少学术机构对此 进行了研

8、究,并提出了不同的CIMS体系结构,比较 典型的有:欧共体ESPRIT的计算机集成制造开放 系统体系结构(Computer Integrated Manufacturing Open System Architecture , CIM2OSA) 1 、 普渡大 学的普渡企业参考体系结构( Purdue Enterprise Reference Architecture , PERA) 2 ,以及美国先进 制造研究中心(Advanced Manufacturing Research , AMR)的企业资源规划(Enterprise Resource Plan2 ning ,ERP)/制造执行系统

9、(Manufacturing Execu2 第9期章建栋 等:流程工业综合自动化系统的仿真技术及其应用 tive System ,MES)/过程控制系统(Process Control System ,PCS)三层企业集成体系结构3(如图 1) 。 其中,AMR的三层企业集成体系结构已成为当今 西方先进工业国家流程工业综合自动化系统理论和 产品的主流框架,并在实际应用中取得了显著的效 益。 在ERP/ MES/ PCS三层企业集成体系结构中, PCS层通过可编程逻辑控制器( Programmable Logic Controller ,PLC)、 集散控制系统(Distributed Cont

10、rol System ,DCS)或现场总线控制系统,负责 对生产设备进行自动控制,对生产过程实时监控; MES层通过生产调度、 生产统计、 成本控制、 物料平 衡和能源管理等应用系统来组织生产,并对PCS层 和ERP层的信息进行采集、 传递和加工处理; ERP 层主要根据企业的人、 财、 物的总结状况和产、 供、 销 各环节的信息,对生产进行合理有效的计划和组织, 使生产经营协调有序进行,并对企业战略计划进行 决策4。在对上述各层次应用的研究中,仿真技术 发挥了巨大的作用。 事实上,随着现代流程工业日趋大型化、 复杂化 和自动化,系统的模型化与仿真已成为过程系统工 程领域的重要研究内容5,并成

11、为进行设备参数设 定、 控制系统设计、 生产预测分析、 决策支持优化,以 及员工培训等活动不可或缺的一门技术。而计算机 技术的不断发展,更是推动了仿真技术的广泛应用。 现在,企业迫切需要通过仿真技术来提高自身的竞 争能力6,能否有效应用仿真,将成为决定企业成败 的关键因素之一7。 从AMR对各层次的定义可以看出,每一层的 研究对象有着很大的差异,PCS层关注生产设备, MES层着眼于生产过程,而ERP则考虑制造企业 的整个产供销过程。这造成了不同层次的应用研究 对仿真的需求各不相同,并使得仿真技术在不同层 次的表现形式也有所差别。本文以ERP/ MES/ PCS三层企业集成体系结构为基础,对典

12、型的流程 工业企业 石化生产企业在这三个层次中的仿真 应用,以及ERP/ MES/ PCS三层集成仿真技术进行 总结和综述,指出流程工业仿真应用的发展方向。 1 过程控制系统层中的仿真 PCS层主要进行各工序的过程控制,设定各种 设备的具体运作参数,进行模型计算和控制计算。 根据仿真状态的不同,PCS层的流程仿真可分为稳 态仿真和动态仿真8。 1. 1 稳态仿真 稳态仿真描述的过程对象不包括时间参数,过 程中的各因素不随时间而改变,所以稳态仿真只是 动态过程达到平稳状态时的简化处理,它通过一系 列物热衡算,为动态仿真提供初值和起始状态,同时 还是过程综合和优化的基础。化工过程稳态仿真的 研究始

13、于20世纪50年代,并于1958年由美国Kel2 logg公司推出第一个稳态仿真软件 Flexible Flowsheeting ,此后仿真软件的发展历经三代(部分 代表软件如表1) ,如今已广泛应用于石化企业的生 产实际中。利用过程系统的稳态仿真主要解决以下 三类问题9: (1)过程系统的模拟分析 如图2所示,对给 定过程系统进行模拟求解,得到需要的系统状态变 量,使得对该过程进行分析和验证成为可能10。这 类稳态仿真应用对化工过程的动态仿真具有一定的 指导作用。 (2)过程系统的设计 如图3所示,对某个或 某些系统变量提出设计规定要求,通过调整某些决 策变量使模拟结果满足设计规定要求11。

14、这类仿 真主要用于新装置的设计、 旧装置的改造和新工艺 新流程的开发研究。 1961 计算机集成制造系统第13卷 表1 稳态仿真软件统计表 时期开发单位名称软件名称特点 50年代60年代 (第一代) Kellogg公司Flexible Flowsheeting不完善的数据库,简单的数学模型,能进行物 料、 能量计算 Houston大学CHESS Purdue大学PACER 70年代 (第二代) Monsanto公司FLOWTRAN较完善的数据库,复杂精确的属性模型,能进 行物料、 能量、 设备计算 Braun公司PF10 日本千代田工程公司CAPES 80年代现在 (第三代) Aspen公司A

15、spen Plus完善的数据库,复杂精确的数学模型,能进行 物料、 能量、 设备计算和经济分析、 工况分 析 Simulation SciencePROCESS(PRO/) Hyprotech公司HYSIM (3)过程系统的参数优化 如图4所示,过程系 统模型与最优化模型联立求解,得到一组使工况目 标函数最佳的决策变量(优化变量 ) , 以便实施最佳 工况。与过程系统的设计和改造不同,这里的优化 不通过修改工艺或增加生产设备进行,而是通过调 整工艺操作条件来实现。通常将稳态模拟软件和优 化软件结合,对过程操作变量进行优化12。 1. 2 动态仿真 如111节所述,稳态仿真只是动态过程达到平 稳

16、状态时的简化处理,然而化工稳态过程只是相对 且暂时的,实际过程中总是存在各种各样的波动、 干 扰和条件的变化,因此化工过程的动态变化是必然 的,如开停车、 故障处理等。在研究这类动态问题 时,必须使用动态仿真。动态仿真中的动态模型由 一系列微分方程组成,能真实地对实际的生产流程 进行模拟,为生产制造企业进行工艺流程设计、 控制 系统设计、 故障处理策略设计等提供了有效的工具。 动态仿真软件的开发始于20世纪60年代, 1969年加拿大McMaster大学成功开发了DYN2 SYS ,应用于指导丁二烯抽提装置的开车。此后,美 国Huston大学开发的PRODYC、 杜邦公司开发的 DYFLO、

17、美国Michigan大学开发的DYSCO、 日本 科学家工程师协会与英国计算机辅助设计(Com2 puter Aided Design ,CAD)中心联合开发的DPS、 日 本三井东亚化工公司开发的MODYS等,都在相应 领域得到了成功的应用。但是这些动态仿真软件通 用性较差,直到80年代后期,才由美国Aspen Tech 公司推出了著名的通用动态仿真软件SPEED UP。 20世纪90年代,动态仿真软件得到了进一步发展, 新的仿真软件不断问世,其中应用最为广泛的是加 拿大Hyprotech公司的HYSIS、 美国Aspen Tech 公司的DYNAMICS等。此外,用于培训石化企业 操作工人

18、的仿真培训系统也可视为一种动态仿真软 件,这类仿真软件兴起于20世纪80年代,比较典型 的仿真培训系统有美国ABB Simcon公司的Sim2 con动态模拟器,中石化集团北京燕山石油化工有 限公司仿真培训中心也开发了相应的工艺操作仿真 培训软件13,取得了良好的效果。 利用动态仿真可以解决很多生产实际问题: (1)过程系统的工艺设计 完成生产方案选择、 生产参数确定等工艺设计问题,使过程系统运行在 最佳状态14。 (2)过程系统的控制器设计 动态仿真软件接 收控制器生成的控制量,得到被控对象动态模型实 时的动态输出,根据该动态模型的输入输出关系,设 计合理的控制器12。 (3)过程系统的安全

19、分析和预测 对现有生产 流程进行动态建模,运行动态仿真,分析和预测过程 系统的安全状况15。 (4)操作人员技能培训 对操作员进行开车、 停 车、 正常运行的操作技巧及处理紧急事故的能力训 练;对仪表工程师进行仪表系统的调整、 组态,仪表 系统故障的分析和处理的训练;对工艺工程师进行 工艺流程变量的分析、 工艺参数的优化选择的训 练16。 2961 第9期章建栋 等:流程工业综合自动化系统的仿真技术及其应用 2 制造执行系统层中的仿真 在MES层,仿真技术可以用来模拟MES应用 系统在生产制造企业的执行情况,也可以集成到某 些MES软件中,以支持这些软件更好地实现其功 能。这时的仿真平台通常对

20、企业的生产进行仿真, 在ERP/ MES/ PCS流程工业三层体系结构中扮演 了PCS层的角色(如图5) ,它接收并执行由MES 层生成的计划调度指令,仿真生成底层装置的生产 信息,提供给MES各应用系统(包括物料平衡、 能 耗物耗管理等)。 与应用于PCS层的仿真有所不同,基于MES 应用的仿真在装置建模上做了较大的简化,使用粒 度较大的装置模型。炼油厂调度软件SIPP系统17 中包含有调度仿真模块,其流程装置模型使用的都 是简化的线性模型,这是由两者在应用目标上的不 同造成的。PCS层的仿真应用更关注对装置的控 制,因此需要细致地描述装置生产状态的变化情况; 而MES层的仿真应用则关注对整

21、个工厂生产过程 的控制,只需要粗略地描述装置在特定时段内的生 产情况即可。 目前,基于MES层的仿真已得到了广泛的应 用,主要解决两类问题: (1)为MES应用软件提供测试和培训平台(如 图6) ,浙江大学基于Matlab的仿真系统Intel2 Sim18已成功地应用于数据校正系统和公用工程管 理系统的测试。 (2)为生产调度优化提供仿真分析数据(如图 7) ,即 “what2if” 分析。事实上,炼油厂的调度工具 大多是基于调度仿真的19,通过调度仿真,可以分 析和预测在特定调度指令下,工厂生产的物流、 能耗 和设备状态,并为进一步生成可行的优化的调度指 令提供必要的数据。如著名的商业调度软

22、件Aspen Tech公司的Aspen Orion20、Hyprotech与KBC 公司的HYSIS. Rfinery21都集成了调度仿真、 线性 规划和专家系统等技术,巴西圣保罗大学开发的 SIPP17和希腊佩特雷大学开发的原油调度软件22 也都将调度仿真和其他优化技术相结合,以实现调 度指令的生成。 3 企业资源计划层中的仿真 在ERP层中,仿真技术主要用于模拟ERP应 用软件在生产制造企业的执行情况,同时它也是供 应链管理的重要辅助工具,帮助企业决策者做出正 确的供应链决策。ERP的业务涉及产、 供、 销三个 环节,因此,该层的仿真模型不仅包括MES层仿真 中的生产流程模型,还应具有原料

23、供应、 原料存储、 产品存储、 产品配送和产品销售等过程的模型23, 如图8所示。 ERP层上的仿真技术主要用于解决三类问题: (1)生产计划优化决策的分析 计划优化是 ERP层一项重要的业务,目前使用最为流行的商业 计划优化软件有Aspen Tech公司的PIMS、Honey2 well公司的RPMS和Haverly公司的GRTMPS , 这些软件都以线性规划为优化算法,来获取最优计 划决策。除了获取优化决策之外,有些计划优化软 件还有一定的仿真功能,通过仿真得到的生产数据, 使用 “what2if”分析方法来分析和预测计划决策对 企业生产的影响(如图9) ,如PetroPlan24。 (2

24、) ERP应用软件的仿真培训系统 此时,仿 真平台模拟企业的运营环境,为ERP系统提供必要 的运行平台(如图10) ,这在STT公司的Simulation 与E2Learning白皮书25中已被提及。 3961 计算机集成制造系统第13卷 (3)对企业供应链的仿真 流程企业供应链包 括居于供应链核心的流程制造企业,以及企业的原 料供应商和产品用户26,用仿真的方法研究供应链 问题可以进行更接近实际的假设,在更大的广度和 深度上对供应链进行研究27。由于供应链系统是 离散事件系统,通常用离散事件仿真软件对供应链 系统进行仿真。常用的离散事件仿真软件有Rock2 well公司的Arena、Broo

25、ks公司的AutoMod、Pro2 Model公司的ProModel、CACI公司的Simprocess、 Lanner公司的Witness和Tecnomatix公司的eM2 Plant等。供应链仿真主要用于分析供应链在不同 操作决策下不同的动态性能28,如图11所示。 4 三层集成仿真 综上所述,计算机仿真在流程工业领域已得到 了广泛的应用,在企业生产经营的发展中发挥了作 用,从一定程度上满足了企业对仿真技术的需求。 然而上述各类仿真只针对本层次的应用目标,这种 仿真系统的独立性造成了各层次间的仿真系统无法 进行信息交互,因而也无法反映局部变动对整个企 业的影响,给研究流程工业综合自动化系统

26、带来了 不便。为此,需建立各层仿真系统的集成平台,使得 处理流程工业ERP/ MES/ PCS三层体系结构综合 自动化的整体解决方案成为可能。 这种仿真集成平台首先在离散制造领域出现。 新加坡制造技术研究所的Sanjay Jain于1995年提 出了虚拟工厂的概念29,虚拟工厂以整个制造企业 为研究对象,为企业的集成建模和分析提供了理论 框架。虚拟工厂以制造企业立方模型为基础,如图 12所示,该模型从企业生命周期、 企业功能和企业 设备层次三个视角对制造企业进行了整体描述。根 据该模型,Sanjay按不同的时间粒度为企业中的设 备分别建立了工厂、 生产车间、 生产单元、 工作站和 生产装置五个

27、层次的仿真模型,并且在虚拟工厂中 引用了 “同步模块” 的概念,不仅建立起各层次仿真 的信息交互,也集成了企业功能视图中的各项功能 仿真,为产品的设计、 设备的安装和操作,以及企业 的生产经营管理提供了决策支持平台。 为了解决流程工业的企业综合自动化整体解决 方案, Aspen Tech公司提出了AspenONE的概 念30。AspenONE提供了一个开放的仿真环境,该 环境集成了PCS层、MES层和ERP层的各种仿真 应用软件,并结合机理建模、 经验建模和统计建模的 方法,建立企业生产流程和经营过程的企业级模型, 从而评估PCS层生产状态的改变,或MES层和 ERP层生产决策的改变对整个企业

28、经营状况的影 响。因此,AspenONE不仅能进行PCS层的流程设 计和优化,还能对企业的MES层和ERP层应用提 供决策支持,实现了为流程工业企业提供综合自动 化整体解决方案的目标。 国内也已有类似的概念出现,浙江大学工业控 制技术国家重点实验室正在研究和开发的流程工业 智能工厂实验系统31就是集成了ERP/ MES/ PCS 三层仿真应用的仿真平台。该仿真平台借鉴了 Sanjay的思路,对炼油企业生产设备进行分层,只 是智能工厂仿真平台遵循的是ISA95中的企业设 备分层模型。根据ISA95标准,智能工厂分别建立 了工厂、 区域、 单元和单位四个层次的生产设备仿真 模型32(如图13) ,

29、形成分层次的企业生产仿真。智 能工厂中的实时数据库和关系数据库作为企业信息 仿真平台的载体,充当了 “同步模块” 的角色。如图 14所示,仿真时,企业生产仿真各层次间的仿真模 型通过数据库进行信息交互,同时ERP/ MES/ PCS 4961 第9期章建栋 等:流程工业综合自动化系统的仿真技术及其应用 系统从数据库读入生产信息,处理后再将控制信息 以及计划与调度指令反馈至企业生产仿真平台对应 的层次,从而实现企业功能仿真。智能工厂仿真平 台能模拟石化企业各层次生产和经营状况的改变对 整个企业的影响,不仅可以为企业生产经营提供决 策支持,还能为先控软件、MES应用软件和ERP应 用软件的研发、

30、测试和培训提供仿真平台。 5 三层集成仿真的难点 近年来,随着企业竞争的日趋激烈,集成仿真平 台因其全方位的决策支持功能受到了越来越高的重 视,而计算机技术和仿真技术的不断发展,也极大地 推动了企业集成仿真技术的进步。在离散制造行业 中,已经出现了这样的企业集成仿真平台,并得到了 成功的应用33,而在流程工业中,这方面的研究才 刚刚起步。因为ERP/ MES/ PCS三层企业集成体 系结构已成为流程工业综合自动化系统理论和产品 的主流框架,所以基于这三层体系结构的集成仿真 技术将成为流程工业集成仿真的研究重点。根据目 前的研究情况,三层集成仿真技术的研究主要存在 多分辨率建模、 分布式集成仿真

31、技术标准、 集成仿真 平台和可视化仿真等几个难点。 5. 1 多分辨率建模 由上可知,PCS ,MES和ERP各层应用系统从 企业的不同层次和不同角度来满足企业的需求,因 此单层仿真中的仿真模型仅仅是从某个层次和某个 角度对企业进行了抽象。为了在三层集成仿真平台 中进行有效的PCS ,MES和ERP各层应用系统的 功能仿真,需要给出企业生产运营在不同层次和不 同角度的描述,即为企业生产仿真进行多分辨率建 模。 源于军事仿真领域的多分辨率建模理论是一种 在不同分辨率或抽象层次上一致地描述同一系统、 体系或过程的建模技术。分辨率是指在建模或仿真 中,模型描述真实世界的准确度和详细程度,亦称粒 度3

32、4,用户可以按应用需求方便地选择不同粒度的 模型。文献35通过原子模型和耦合模型的耦合封 闭性条件,提出了多层次仿真模型的建模规范,在军 事仿真领域得到了广泛的应用;文献36研究了不 同分辨率实体之间的交互一致性,提出多分辨率模 型建模工具UNIFY,确保多分辨率实体间的协同运 行;文献37提出了一种针对复杂生产过程的多层 次生产控制和设备维护模型,利用基于仿真的优化 方法对过程控制参数进行优化。流程工业企业建模 国际标准IEC/ ISO 62264和ANSI/ ISA295规范根 据企业各级管理层粒度需求的不同,建立了流程工 业企业的多层次模型,并定义了企业级业务系统与 工厂车间级控制系统相

33、集成时所使用的术语,以及 MES系统应支持的生产作业活动,如图15所 示38。浙江大学控制技术国家重点实验室在此基 础上构建了石化企业统一多分辨率物流模型框架, 提出了准稳态物流模型分层建模策略,并给出了多 分辨率物流模型的数学描述,实现了多分辨率物流 模型的重用和统一建模39。 对企业进行多分辨率建模需要结合不同层次仿 真应用的建模方法,将不同分辨率的仿真模型集成 到该仿真平台中,图13就是在多分辨率建模方法上 建立的企业生产仿真的结构图。就计算复杂度而 言,流程工业集成仿真的规模巨大,要在高分辨率下 5961 计算机集成制造系统第13卷 仿真企业所有的生产行为是不现实的,于是出现了 半实物

34、建模、 动稳态混合建模等40多分辨率建模技 术。 多分辨率建模的一个难点是如何保证模型的一 致性。不同于第1章第3章中所述的仿真,集成 仿真平台中各层次的仿真会影响到其他层次的仿真 结果。如果各层次的模型不一致,就无法正确反映 局部的生产变动对企业整体的影响。文献41对模 型一致性度量的概念进行了探讨,但一直没有学者 对此给出通用的解决方法。 5. 2 分布式集成仿真技术标准和集成仿真平台 关于集成仿真的研究难点又可分为以下三部 分: (1)集成仿真技术标准 为了协调各层次间的 仿真,真实地模拟整个企业的运行状况,三层集成仿 真平台需要在不同层次间进行信息交互,如何定义 信息交互的内容和数据模

35、型,成为建立集成仿真平 台的关键。由美国仪表协会(the Instrumentation , Systems and Automation society ,ISA)和美国国家 标准学会(American National Standards Institute , ANSI)共同发起制定的ISA95标准 ,全面地定义了 制造企业ERP/ MES/ PCS三层间信息交互的内容 和数据模型38,可以作为企业功能仿真中的信息交 互所遵循的标准;由CAPE2OPEN (computer2aided process engineering open simulation environment) 项目

36、组制定的CAPE2OPEN标准,则定义了生产装 置模型间信息交互的内容和数据模型42,因此可以 作为企业生产仿真中装置模型的开发标准。而可扩 展标记语言(eXtensible Markup Language ,XML)、 公共对象请求代理体系结构(Common Object Re2 quest Broker Architecture ,CORBA)、 高层体系结 构( High Level Architecture , HLA)等软件技术标 准则为三层集成仿真平台的实现提供了先进的开发 模式。怎样利用好这些已有的集成仿真技术标准, 并提出更符合流程工业三层集成仿真的技术标准, 将是未来研究所面

37、临的难点问题。 (2)集成仿真平台 为了更好地发挥流程工业 三层集成仿真系统的作用,该系统应由几个即插即 用的、 支持复杂系统协同建模与分布式仿真运行的 仿真部件和一套集成的仿真工具组成。目前,基于 HLA的分布式协同仿真平台已得到了广泛应用,特 别是在军事领域43和机械制造领域44。HLA标 准还被用于企业供应链管理仿真系统的开发45,为 企业的经营决策和生产调度系统提供服务。提出 HLA的目的是提高仿真组件的互操作性和可重用 性,但这种可重用性仅仅局限在运行时间框架 (Run2Time Infrastructure , RTI) ,极大地限制了 HLA在更多领域中的应用。针对这个问题,文献

38、 46指出,将模型驱动体系架构(Model Driven Ar2 chitecture , MDA)技术应用到HLA ,可以使仿真组 件的可重用性得到显著提高。由于流程企业是非常 复杂的系统,用面向对象的方法开发这类协同仿真 系统费时费力,且重用性和鲁棒性差。使用基于仿 真组件的软件体系结构,可大大提高该协同仿真系 统的开发速度、 重用性和鲁棒性47。结合流程工业 三层集成仿真系统的特点,提出合理的基于仿真组 件的软件体系结构,可以指导该类仿真系统的开发。 5. 3 可视化仿真 可视化的作用是在人机交互的情况下发挥人脑 特有的形象思维功能。虚拟现实技术是实现可视化 最有效的方法,它综合应用各种

39、技术制造出逼真度 较高的模拟环境。一些著名的离散事件仿真系统都 利用虚拟现实技术实现了可视化的交互集成仿真环 境,如Rockwell公司的Arena、Brooks公司的Au2 toMod、ProModel公司的ProModel、CACI公司的 Simprocess、Lanner公司的Witness和Tecnomatix 公司的eM2Plant等。虚拟现实技术已广泛应用于 离散制造业的集成仿真平台,并发挥了出色的人机 交互功能,帮助仿真做出更有效的企业生产经营决 策48。文献49将虚拟现实技术应用于客户产品 定制系统,并与电子商务技术结合,成为企业全球制 6961 第9期章建栋 等:流程工业综合

40、自动化系统的仿真技术及其应用 造概念模型的重要实现技术;文献50用虚拟现实 技术对机械制造厂的装配生产线进行仿真,该仿真 系统被用于生产线的定义和设计,以及生产流程调 度决策的评估。在Internet上实现虚拟现实是近年 的热点问题之一,文献51利用虚拟现实技术,设计 了基于Internet的远程职业培训系统的模式结构, 为远程教育提供了新的实现方式。 在流程工业的三层集成仿真应用中,也有必要 结合虚拟现实技术实现可视化仿真,为企业决策、 员 工培训等提供更好的平台。但是,流程工业因其自 身特点,对虚拟现实技术提出了不同的要求。首先, 流程工业三层集成仿真系统关注的不是生产工艺, 而是装置间的

41、物流关系、 物流量和物流属性等信息, 虚拟现实需要通过合理的方法表现这些物流信息; 其次,虚拟现实还应反映计划调度指令下达和生产 方案切换等具体动作,以及这些动作对物流数据所 产生的影响。 6 结束语 本文基于ERP/ MES/ PCS三层企业集成体系 结构,综述了仿真技术在石化生产企业各层次中的 应用。通过分析国内外仿真技术的应用现状发现, 仿真已在各层次得到了较为充分地应用,并已形成 了较为成熟的仿真技术,而对于三层集成仿真应用 的研究则刚刚起步。由于三层集成仿真能为流程工 业企业提供综合自动化的整体解决方案,更加符合 企业对仿真系统的要求,对它的建模理论和实现技 术的研究将成为流程工业仿

42、真应用研究的一个热 点。 参考文献: 1 BEECKMAN D. CIM2OSA : computer integrated manufactur2 ing2opensystemarchitectureJ .International Journalof Computer Integrated Manufacturing , 1989 , 2(2) : 942105. 2 WILLIAMS T J. The Purdue enterprise reference architecture J . Computers in Industry , 1994 , 24(2/ 3) : 1412158

43、. 3 BRUCE M R. Back to the future : MES from 199922000M. Boston , Mass. , USA : AMR Inc. , 1995. 4 CHAI Tianyou , JIN Yihui , REN Dexiang , et al. Contempora2 ry integrated manufacturing system based on three2layer struc2 ture in process industry J . Control Engineering of China , 2002 , 9(3) :126(i

44、n Chinese) . 柴天佑,金以慧,任德祥,等.基 于三层结构的流程工业现代集成制造系统J .控制工程, 2002 , 9(3) :126. 5 YANG Youlin. Applied chemical system engineeringM.Bei2 jing : Chemical Industry Press , 1989(in Chinese) . 杨友麟.实 用化工系统工程M.北京:化学工业出版社, 1989. 6 KOSTURIAKJ , GREGOR M. Simulation in production sys2 tem life cycleJ . Computers i

45、n Industry , 1999 , 38 (2) :1592 172. 7 SERGIO T , SERGIO C. Simulation in the supply chain con2 text : a surveyJ . Computers in Industry , 2004 , 53 (1) : 32 16. 8 HAN Fangyu , ZHENG Shiqing , RONG Benguang.Static simulation technique of process system M . Beijing: China Petrochemical Press , 1999(

46、in Chinese) . 韩方煜,郑世清,荣 本光.过程系统稳态模拟技术 M.北京:中国石化出版社, 1999. 9 MA Dexian , LI Chengyue , ZHANG Weidong. Analysis and synthesis of chemical process M. Beijing: Chemical Industry Press , 2002(in Chinese) . 麻德贤,李成岳,张卫东.化工过 程分析与合成M.北京:化学工业出版社, 2002. 10 ZHANG Hongmei , WU Huixiong , ZHANG Shuzeng , et al. S

47、teady state simulation of a catalytic reforming reactor using a 172lumped kinetics J .Journal of Beijing University of Chemical Technology , 2003 , 30(5) : 35239 (in Chinese) . 张 红梅,吴慧雄,张树增,等.十七集总催化重整反应器的稳 态模拟J .北京化工大学学报, 2003 , 30(5) : 35239. 11 CHEN Li , GAO Weiping , Hu Hongqi , et al. The simula

48、tion of ethylene distillation tower in ethylene deviceJ . Journal of Jilin Institute of Chemical Technology , 2004 , 21 (2) : 12214 (in Chinese) . 陈 丽,高维平,胡红旗,等.乙烯装置中乙 烯精馏塔模拟计算研究J .吉林化工学院学报, 2004 , 21 (2) : 12214. 12 HARUO T , TAKASHI N , KENJ I O. Evaluation of online optimization using dynamic sim

49、ulation environmentC/ / Pro2 ceedings of the 12th IFAC Symposium on Information Control ProblemsinManufacturing.Amsterdam ,Netherlands: Elsevier ,2006 :41246. 13 MENG Xiaozhong , ZHU Ziqiang. Development of simulation training system for petrochemical plantJ . Petrochemical In2 dustry Technology , 2005 , 12(3) : 49252 (in Chinese) . 孟晓 中,祝子强.石化装置仿真培训系统的开发J .石化技术, 20