流程工业智能工厂实验系统

    1 引言(Introduction)

    随着石化工业的发展及市场竞争的日益激烈，石化企业为了提升整体效益，不断寻求自动化整体解决方案。以关键流程工艺和核心装置的模拟与优化技术为核心的“智能工厂”技术渐成研究热点，并形成了以物流、资金流、信息流集成优化为目标，以企业资源计划系统(Enterprise Resources Planning，ERP)、生产执行系统(Manufacturing Execution Sys—tern，MES)和生产过程控制系统(Process ControlSystem，PCS)三层应用系统紧密结合的流程工业综合自动化整体解决方案。国内外软件商已经将“智能工厂”概念与ERP、MES、PCS层的应用软件捆绑，逐步在钢铁、石化企业应用。

    著名的软件有AspenTech的模块化应用软件和实时数据库、Simulation Science公司的PRO—II软件、Wonderware的Plant Intelligence Solution等，国内科研院校也陆续开发出了一批过程系统仿真培训软件平台。现有的仿真软件系统主要提供石化企业生产装置级的动态和稳态模型，其产品定位针对石化装置的设计、开车运行、日常操作管理及员工培训等。而与流程工业综合自动化整体解决方案相对应的企业级的模拟软件系统还没有成熟的应用。同时，国内外流程工业企业在实践中发现，“智能工厂”综合自动化系统的建设、开发和运行维护，需要一大批掌握生产工艺技术、控制技术和信息技术的复合型人才，对人才培养和专业技术人员培训提出了新的要求。目前的生产装置级模型系统和以过程控制系统的模拟为主的仿真培训器已无法满足全部需求。

    浙江大学工业控制技术国家重点实验室开发的流程工业智能工厂实验系统，将仿真培训器的概念全面扩展，不同于纯数字仿真的模拟系统，采用物理模拟和数字仿真相结合的形式，建立了石化工业生产过程模型库、生产实时数据库和生产管理数据库，构建过程控制系统(PCS)和生产执行系统(MES)的集成化实验仿真平台。

    2 智能工厂实验室的原理与组成(Principle and constitution of intelligent plant experi—mental system)

    智能工厂实验室的设计目标在于建设企业级的智能工厂模拟实验系统，模拟实际流程工业企业的生严过程控制和生产管理过程，为综合自动化系统的相关理论研究、关键技术开发和高素质专门人才培养，提拱刨新研究平台、软件测试平台和教学实践平台。

    智能工厂仿真系统必须具备真实性、精确性、稳定性、多功能性、易操作性和易维护性，其基本组成包括过程模型库、优化算法库、物理实验装置、仿真计算平台、PCS仿真实验平台、数据集成平台和MES系统应用平台，如图1所示。

    图1 智能工厂实验系统原理结构图

    首先以实际工业生产过程的工艺机理为原型，建立过程模型库、算法库和部分物理模拟装置。然后以实际工业生产过程的运行数据为初始值和边界条件，仿真计算平台调用模型库和算法库，计算生成生产过程的运行数据，结合物理模拟装置的运行数据，形成实际工业生产过程的动态模拟系统。PCS实验平台、数据集成平台(由实时数据库和关系数据库组成)和MES系统应用平台则以生产过程的动态模拟系统为对象，进行信息集成、过程控制和生产管理。

    因此，智能工厂实验室系统是一个集成的、综合的、可模拟运行流程工业生产过程的软件系统，它利用系统建模、仿真和优化技术，在高性能计算机及高速网络通讯的支持下，通过内建的模型和算法来模拟现实流程工业企业产品加工过程和生产经营管理活动，以过程信息模型为核心，连接实时数据库和关系数据库，对生产过程进行实时监视、控制、诊断、过程模拟和参数优化，并在生产执行层进行物料平衡 、生产计划、调度排产、生产统计和成本考核等。

    3 智能工厂实验系统的功能模块(Functional modules of intelligent plant experimental system)

    3.1 过程模型库

    建立一个包含生产模型、产品模型、工艺模型、材料物性模型的流程工业模型库，如图2所示，它是智能工厂生产系统的核心和基础。

    图2 流程工业企业生产过程模型