流程工业智能工厂实验系统

    3.7 MES系统应用平台

    根据图1，在数据集成平台的支持下，智能工厂企业级模型及其运行数据的集成环境已经具备，可以为全厂级的优化运行提供研究、仿真和测试平台。具体包括：

    1)优化计划：根据原料、产品的价格因素以及装置的处理能力，合理安排年处理量、月处理量。同时，考虑原料的特性和全厂装置的情况，安排优化、合理的原料处理方案。在智能工厂的支持下，可以预先比较不同的生产方案的产出、效益情况，从而进行不同生产方案的比较。更进一步，在原料属性数据库以及产品市场信息的支撑下，智能工厂将支持生产方案的优化，即在全厂生产模拟的基础上，优化选取各个装置的原料处理方案。

    2)优化调度：指改变各装置间的物流分配和生产装置的工作点来实现主产品、副产品、废品、成品、半成品和回流物等的调度。在智能工厂提供的装置动态模型以及模型间详细的连接信息的支持下，可以实现调度方案的优化选择。

    3)数据协调：通过对原料进厂、物料流动、库存容量、产品出厂等过程进行连续的跟踪记录，找出并解决此过程中物料、能耗不平衡的问题，实现全厂生产过程的物料平衡。

    4)优化采购、销售：通过智能工厂可以准确预知给定时间段后的原料以及产品的库存情况，从而有效地对采购和销售进行指导。

    本平台还可以支持储运、库存、销售的实时计量和质量监测管理系统、设备故障诊断系统等的研究与软件的开发和测试。

    4 智能工厂实验系统的应用(Applications of intelligent plant experimental system)

    智能工厂实验室具有强大的应用功能，如图3所示，其中的教学实践平台，将面向研究生和本科生开放实验，提供自然直观的系统仿真实验框架，并充分利用多媒体技术，实现可视化仿真，创造人机和谐的仿真环境，最终达到网络开放实验和资源共享。同时也可与相关自动化企业联合进行产业化方面的合作研究。

    图3 智能工厂实验系统的应用功能

    4.1 教学实践功能

    由于流程工业过程的高度非线性、过程强耦合性、固有的大时滞性及操作的连续安全性要求，利用生产过程的仿真平台进行实践教学研究是一种非常有效的手段。学生可以在仿真实验平台上随时进行工厂生产系统的仿真操作，并且可以根据自己的需要更改生产流程和操作参数，进行各种生产操作环境的模拟研究，满足高层次人才培养的实践教学需求。

    在此实验平台上可以进行基础控制理论的仿真研究，先进控制软件的开发和测试评估，实时数据集成和实时数据库的测试评估，企业物流、能量流和设备状态数据模型的建模开发等实验。具体可以进行以下实验内容：

    1)在物理实验装置上模拟“液位一流量”多变量系统的各个干扰通道和调节通道特性。模拟液位、流量控制，进行液位单回路控制、液位串级控制、流量单回路控制和液位双输人双输出解耦控制等控制工程实验。

    2)在物理实验装置上模拟流程工业企业液体物料的储存和输送过程，与仿真模型库结合，可以建立炼油厂油罐区油品移动混合模拟系统，支持罐区管理系统和生产调度系统仿真实验。

    3)与仿真模型库结合，将物理实验装置上各水槽定义为炼油厂储存不同油品的储油罐，可以建立炼油厂油品调合模拟系统，进行油品在线调合过程控制实验。

    4)与仿真模型库结合，可以建立多精馏塔系的动态混合模拟系统，开展各种多变量先进控制算法的实验研究，如预测控制、模糊控制、鲁棒控制、无模型神经控制等复杂控制的算法、系统设计、参数整定与仿真等。

    4.2 科研创新功能

    如图3所示，智能工厂实验系统可以为促进科研和技术创新提供先进的研究和测试平台，支持企业级生产操作模拟，先进控制软件、MES应用软件的研究、开发和测试。

    1)利用智能工厂模拟生产系统，在产品开发阶段可以减少中试层次及试验量，加速产品上市过程；在工程设计阶段可加速筛选各种替代流程方案，迅速确定物料及能量衡算；在生产中可模拟诊断生产装置不正常运行工况，优化操作参数，合理配置生产资源，节能降耗；也可以标定生产流程各部位的能力，找出“瓶颈”位置及提出增产方案。

    2)提供MES应用软件的开发、测试平台。支持包括物料平衡、能量平衡的数据校正系统，企业计量管理系统，储运库存销售的实时计量监测系统，质量监测管理系统及设备故障诊断系统等的研究、软件开发和软件测试。

    3)提供实时数据集成和实时数据库软件的测试平台，根据需要组态生成各种实时数据源，提供各种实时数据采集、监测、控制软件及硬件系统接口的测试环境，提供数据库的数据集成、组态测试环境，提供各种实时数据库应用软件的仿真和测试环境。

    4)利用关键工艺过程仿真模型，组态构成DCS闭环控制系统、仪表控制系统、远程网络控制系统，模拟各种不同的工艺操作条件和数据集成环境，为先进控制软件提供逼近工程实际的测试环境。对各种优化控制策略的性能进行评估和比较。全面考察上游装置发生各种扰动以及装置参数发生变化后单个回路或多个回路的控制器是否稳定，性能是否恶化，从而指导控制器的设计和综合。

    5 结论(Conclusion)

    智能工厂实验室建设以炼油工业为切人点，以流程工业综合自动化整体解决方案关键技术的科研和教学实际需要为出发点，建立实验平台。利用这个平台可以展开一系列的相关研究和教学培训活动，这对提高流程工业综合自动化系统科研和教学水平，促进学科建设，紧跟国际先进制造及自动化技术领域的最前沿技术将起到十分重要的作用。