信息与控制
Information and Control
1999年　第28卷　第1期　Vol.28　No.1　1999



连续化工生产过程CIPS的理论与实践

杨忠明　黄　道　王行愚

　　摘　要　针对连续化工生产过程的具体特点, 对它 们的CIPS进行了一些研究, 给出了相应的功能结构模型, 阐明了严格在线模拟技术及在此基 础上的信息综合集成问题, 最后对CIPS的开发方法和建设策略作了一些探讨．
　　关键词　CIPS, 连续化工生产过程, 严格在线模拟, 系统集成
THEORY AND PRACTICE OF CIPS FOR CONTINUOUS PROCESS PLANTS
YANG Zhongming　HUANG Dao　WANG Xingyu
(State Engineering Research Center of Industrial Automation, ECUS T, Shanghai 200237)
Abstract　 In this paper, CIPS of continuous process plants is studied. Firstly , a functional structure model is given．Then the theory of rigorous on-line mo deling is and described the problem of information integration base on this theo ry is also discussed. Finally, the developing metho d and implementing strategy of CIPS is given.
Key words　CIPS, continuous process, rigorous on-line modeling, system integration

1　引言
　　计算机集成制造CIM (Computer Integrated Manufacturing )理论在离散制造工业中已 经有了20多年的实践．90年代以来, 随着日益严重的环境问题及市场竞争压力, CIM思想 开始在流程工业中被逐渐推广应用, 形成了计算机集成过程生产系统(CIPS), 具体应用于 化工生产过程时, 我们又通常称之为化工过程综合自动化系统．
　　CIPS是一个应用计算机技术将经营管理、研究设计、生产制造、质量保证等流程工业企 业生产服务各环节有机结合并优化运行的先进生产系统，是企业中经营、技术和人三者充分 集成的高度信息化的整体自动化生产系统．由于流程工业与离散制造工业代表着两种截然不 同的生产方式, 这就决定了CIPS必定会有着一些与CIMS截然不同的特点, 因此研究与建设CI PS就不能单纯地照抄照搬现有CIMS的经验和成果, 而是要有针对性地根据它们的异同点分别 进行吸收、改进和发展．本文就连续化工生产过程CIPS中的几个理论及实践问题进行一些 探讨．
2　连续化工生产过程特点及对CIPS的要求
　　连续化工生产过程与离散制造过程相比有以下几个显著特点：从生产方式上来看, 连续化工 生产过程及其产品相对稳定, 生产周期长, 生产设备种类单调, 更换周期长, 有着极强的结构化特征; 从优化生产方面来看, 连续化工生产过程往往以现有过程为着眼点, 通过优化调 度和操作等手段使过程在安全和平稳的条件下根据市场需求进行优化生产, 以获得最大的经 济效益; 从生产过程的信息化方面来看, 化工生产过程的生产涉及各种化学物质的化学与物 理变化过程, 而可测的往往是大量带有各种不确定因素的温度、压力和流量等数据, 因此怎 样从大量冗余的不可靠测量数据中提取有用信息, 是生产管理、操作运行和质量控制等工作 顺利进行的基础; 从运行和控制机制方面来看, 化工生产过程不仅过程机理复杂, 信息不完 备, 外扰众多, 且往往具有较大的时变性, 因此它们往往要用各种模型化方法进行优化的生 产操作和控制; 在故障等突发事件的处理方面, 连续化工生产过程由于生产过程的强相关和 单系列的特点, 加上过程机理复杂和信息不完备, 故障的预测和处理是整个化工过程自动化 中的一个极其重要的组成部分．
　　根据上述连续化工生产过程的具体特点, 它们的CIPS应具有以下4个特点:
　　整体性: 从整个生产过程的全局进行考虑, 实现整体的全面优化．
　　有效性: 生产全过程处于最优状态, 获得最大的经济效益．
　　柔性: 能快速适应市场的原材料供给和产品需求的变化．
　　可靠性: 有一套故障诊断、安全保护系统, 保证安全生产．
3　CIPS的功能构成
　　根据连续化工生产过程的具体特点, 它们的CIPS应具有图1所示的模块化功能结构．


图1　CIPS功能结构

　　企业决策系统制定企业的长远发展规划、技术改造计划、年度综合计划等．
　　客户订单处理系统包括接收用户订单、发货、票据等主要处理功能．
　　计算机集成过程运行系统是CIPS的内核, 而它又以一体化的严格在线模拟(ROM)系统作为 自己的内核．它从不同的部门接收所需的信息及指令, 由ROM系统经过大量地信息处理及 分析计算后, 向各功能系统发出指令及系统的运行状况等信息．
　　供货计划部分基于客户的订单、企业的能力、运输费用及相关企业的供货能力等信息进行工 作, 为客户订单处理系统接收客户要求提供依据．
　　过程优化与控制是CIPS中的一个重要组成部分, 实现对生产装置的自动控制, 并保证生 产装置在最佳工况运行．
　　过程监控系统是操作和管理人员监测和了解过程运行状况的窗口, 用各种形象直观的图表显 示系统的历史数据、发展趋势及某些统计信息．
　　质量控制基于对过程数据的各种统计分析来对产品质量及系统运行状况进行各种评价．
　　维护系统根据生产设备状况, 确定设备维护的计划和方案．
4　严格在线模拟技术
　　在以往的化工生产过程中, 一方面, 生产管理、工艺、控制及操作人员各自有自己的投入产 出模型、稳态工艺模型、过程动态模型和直观操作模型, 另一方面, 又各自从不同的渠道以 不同的方式获取各自所需的信息, 最后应用各自的方法及工具完成相应的工作, 这样很难保 证他们能得到完全相容的结果, 做到真正的全局协调优化．因此, 根据化工生产过程的模型 化、信息间接性和不完备性的特点, 一个有效的一体化严格在线模拟(ROM)系统是CIPS 取得预期效益的关键．严格在线模拟系统如图2所示．


图2　严格在线模拟

　　ROM系统把工厂的实时数据直接与经济目标相联系, 并且作为驱动过程模拟模型的基础, 改变了原有过程管理、优化和控制等相关功能仅仅通过数据和指令进行交互的递阶控制方 式, 使管理、工艺和操作人员能在一个统一的框架及相容的信息条件下进行各自的工作, 对 变化着的内外部环境做出及时的反应, 始终让过程运行在稳定、协调、最优的水平上, 最大 限度地提高装置的性能和经济效益．具体地来说, ROM系统主要完成以下几个功能: 模 型在线校正、What-If研究、瓶颈分析、过程评估、原料评估、在线优化、过程及装置 维护、技术培训．
5　生产过程实时监控系统
　　根据连续化工生产过程中的“安、稳、长、优、满”运行要求, 一个有效的实时监控系统是 CIPS中的基本组成部分．实时监控系统结构如图3所示．
　　系统中的优化及控制功能可由上至下分为稳态优化、高级过程控制、传统高级控制和基础调 节控制几个部分．基础调节控制和传统高级控制通常以对过程进行平稳控制为目标, 仅需静 态增益、过渡过程和时滞时间常数等过程知识, 而以预测控制为代表的高级控制基于显式模 型及优化算法, 直接完成一定的动态优化目标, 稳态优化则针对系统内外各种条件对整个系 


图3　实时监控系统

　　统进行全局优化, 确定各子系统的最优稳态工作点．
　　故障的预测、诊断和处理相应地分为基础故障诊断处理、过程监测和系统故障预测诊断处理 3个层次．基础故障诊断处理主要根据基础控制回路中各检测和执行装置的特点对它们的故 障进行实时的诊断及处理; 过程监测一方面对各数据进行实时监测, 向系统故障诊断部分提 供故障报警信息, 另一方面进行过程稳态信息等的提取, 用以进行系统运行性能评价与故障 预测; 系统故障预测诊断处理主要是对系统级故障进行预测诊断及处理; 另外, ROM系 统对仪表偏差、换热设备的传热系数及催化剂活性等进行定期校验, 并根据校验结果进行相 应地处理, 保证生产过程的高效进行．
6　信息集成结构
　　由于化工过程数据的间接性、冗余性和不确定性特点, 一个从冗余的不可靠测量数据逐步浓 缩、提炼、融合出高质量无冗余信息的信息集成系统与实时监控系统有着同样的重要性． CIPS中信息这个概念有广义和狭义两个层次, 狭义的信息是指原始测量数据经过压缩提取 及协调处理后正确及时反映系统内外状况的数据信息, 而广义信息除了上面所说的狭义信息 外, 还包括原始数据及有关的众多知识．图4是CIPS的信息集成结构图．
　　实时数据库中的数据由过程的测量值经野值过滤和低通滤波而来, 具有动态和冗余两大特点 , 由于外部干扰等复杂因素, 这些实时数据往往不能满足系统的物料、能量等平衡关系．信 息处理的任务一是根据各参数的动态特性对系统的某些静态信息进行提取, 二是根据各参数 间的内在关系对它们进行相应的协调处理, 最终获得能正确反映系统运行状况的高质量无冗 余综合信息．另外, 信息处理还根据系统运行状况, 将优化及故障等工作点的动态数据进行 处理与存储, 以供工程技术人员进行分析研究, 


图4　信息集成结构

　　获取有关知识．
　　CIPS中的知识有静态知识与动态知识之分, 静态知识包括系统的各种模型、物性与设计 数据, 是严格在线模拟的基础, 而动态知识则是根据以前系统运行情况而总结出的各种经验 知识, 是今后改进提高系统运行性能的根据．
　　总的来说, 信息集成的目标就是要让企业中的所有工作人员能及时、有效地获取各自所需的 系统的真实信息, 以及时作出正确的决策．
7　面向对象的CIPS开发与集成方法
　　CIPS通过信息的综合集成来完成对这些信息所表示的实际生产过程的综合集成, 因此, 为了充分保证CIPS的集成效率及时间和空间开放性, 一个有效的软件设计、开发和维护方 法也是保证CIPS成功的关键因素．
　　面向对象软件分析和设计方法与传统方法不同, 它通过对实际客观对象进行模拟与抽象形成 软件系统中相应的软件对象来进行工作, 因此一方面可以充分保证目标软件系统的可构造性 、可伸缩性、可维护性和标准化, 另一方面还能充分体现人与系统的集成, 实现系统的灵活 性．因此, 面向对象方法是一个理想的CIPS开发与集成方法．
8　CIPS的建设
　　资料[1]表明, 连续化工生产过程CIPS中除管理信息系统(MIS)外的CIPS子系统的 投资与效益关系如图5所示． 由图可知, DCS系统在CIPS中的投资达70%左右, 而效益却仅为 15%, 与此相反, ROM仅需总投资的20%, 而效益却有80%之大．这充分说明了综合集成在连续 化工生产过程中的重要意义, 也反过来说明了CIPS建设的现实性、可行性和巨大的经济性 ．据此, 现阶段连续化工生产过程企业的CIPS可以大致按以下步骤逐步实施:

图5　CIPS系统的投资与效益

　　(1) 建立将企业管理、财务、采购及销售等功能充分集成的管理信息系统;
　　(2) 完善DCS控制系统;
　　(3) 对关键及瓶颈工段实施高级控制;
　　(4) 建立整个企业的ROM系统;
　　(5) 建立整个企业的故障预测、诊断及处理系统;
　　(6) 进一步完善其它部分的高级控制系统．
9　结论
　　CIPS代表着一种全新的化工生产模式, 它通过在一体化的严格在线模拟基础上的信息集成来综合集成化工生产过程中的计划管理、生产调度、运行操作、过程控制及质量保证等诸多功能, 以实现整个过程的安全、平稳和优化生产, 它是化工生产企业增强竞争力的必由之 路．
注释:受国家863计划支持

作者简介：杨忠明, 男, 28岁, 博士．研究领域为CIPS, 过程建模、控制、优化, 神经元网络等．
　　　　　黄　道, 男, 50岁, 教授, 博士生导师．研究领域为CIPS, 工业过程智能控制等．
　　　　　王行愚, 男, 53岁, 教授, 博士生导师．研究领域为控制理论及应用, 人工智能等．
作者单位：华东理工大学自动化工程中心　上海　200237
参考文献
1　Nair P K, Canfield F B. Consider Computer Integrated Manufacturing for Continuous Process Plants. Chem. Eng. Progress, Nov. 1992, 71～81
2　Darby M L, White D C. On-Line Optimization of Complex Process Units. Chem. Eng. Progress, Oct. 1988,51～59
3　Bodington C E, Planning, Scheduling, and Control Integration in the Process Industries. McGraw-Hill, Inc. 1995
4　华东理工大学自动化工程中心． 沧州化肥厂CIMS应用工程初步设计资料, 1995
收稿日期：1997-04-14
