生产执行系统MES概述(1)

1生产执行系统MES概述浙江大学控制系工业控制研究所邵之江2007.9.112007/9/11浙江大学工业控制研究所2主要内容„实施企业综合自动化的意义„企业综合自动化的解决方案„生产执行系统(MES)的产生和发展„生产执行系统(MES)的功能结构„生产执行系统(MES)的关键技术2007/9/11浙江大学工业控制研究所3人组织器官循环系统消化系统呼吸系统神经系统运动系统生殖系统企业机构设备人力资源市场销售技术开发设备维修财务部门生产车间企业综合自动化的意义——人与企业2007/9/11浙江大学工业控制研究所4当某些组织和器官发生病变时，相应部位的动作将受到影响器官获取信息发出指令感官加工处理神经网络系统的相关组织和器官信息在人体的正常传递中起到至关重要的作用人的运作流程当大脑和神经系统生病发生故障，导致信息传递中断时，整个身体将会瘫痪。企业综合自动化的意义——人与企业2007/9/11浙江大学工业控制研究所5当企业健康时，各部分的信息传递和工作是协调、高效和能控的高层领导获取信息和数据发出指令感官终端设备评估决策神经网络系统的相关机构和设备信息在企业的正常经营中同样起着至关重要的作用信息系统当某些机构和设备失职低效时，相关部分的运作将受到影响当大脑和神经系统生病发生故障，导致信息传递中断时，整个身体将会瘫痪。当高层领导决策失误和信息系统发生故障导致信息传递中断时，将使整个企业瘫痪甚至破产和倒闭企业综合自动化的意义——人与企业信息的重要性2007/9/11浙江大学工业控制研究所6企业的信息流人体的神经系统企业的物资流人体的消化系统企业的资金流人体的血液循环系统企业的研发中心（R&D）人体的生殖系统一个经营好的企业一个健康的人一个亏损的企业一个生病的人一个破产和倒闭的企业一个植物人甚至死人企业综合自动化的意义——人与企业概念类比22007/9/11浙江大学工业控制研究所71）现代工业的重要特点工业现代化程度越高成套技术设备对自动控制的依赖性越大对自动化系统和仪表装置的要求也就越高工业过程自动化就控制方案而言，在五、六十年代仅仅是一些以单回路为主的简单控制系统，其目的以定值控制生产过程中的一些工艺变量，从而达到稳定生产操作的目的。大型化：大规模工业生产必须保证安全、平稳、优质、高效自动化：是实现安全、平稳、优质、高效的基本条件和重要保证企业综合自动化的意义——工业自动化发展趋势2007/9/11浙江大学工业控制研究所82）自动化工具的发展（检测仪表）就地调节仪表气动单元组合仪表电动单元组合仪表¾单参数简单调节系统¾解决小型化、单元化、统一信号等问题¾现场安装的大型指示、记录调节仪表¾它们各组成部分一般都用机械杠杆联系，因此必须装在一个仪表壳体中，称之为基地式仪表¾基地式仪表一般以指示、记录仪表为主，附加调节机构而组成¾单元组合式仪表是根据自动检测和调节系统中各个环节的不同功能和使用要求，将整套仪表划分成若干个具有独立作用的单元，各单元之间用统一的标准信号来联系。¾单元的品种不多，但可按照生产工艺的需要加以组合，构成多种多样、复杂程度各异的自动检测和调节系统企业综合自动化的意义——工业自动化发展趋势2007/9/11浙江大学工业控制研究所93）安全生产方法的发展越限报警连锁超驰控制故障诊断专家系统容错控制如裂解气分离塔压力控制就采用塔顶压力和塔顶冷凝器液位超驰控制方案。PCLCLY企业综合自动化的意义——工业自动化发展趋势2007/9/11浙江大学工业控制研究所104）控制理论及应用的发展常规控制先进控制智能控制经典控制理论现代控制理论无模型的第三代控制理论传递函数为主状态方程为主智能控制，专家控制，模糊控制，神经网络工业自动化发展的方向——综合自动化企业综合自动化定义：根据市场信息来最优地管理控制企业生产的计算机集成自动化系统企业综合自动化的意义——工业自动化发展趋势2007/9/11浙江大学工业控制研究所11‹安全、平稳（由第一代控制理论－经典控制理论来解决）DCS实现的常规控制以及其连锁保护装置保证了生产过程的安全、平稳‹优质、高效（由第二代控制系统来解决）即通过先进控制和优化连同综合自动化中的最优调度与计划决策来实现。企业综合自动化的意义——工业自动化目标2007/9/11浙江大学工业控制研究所12¾工业自动化发展过程稳定单个工艺变量单元过程的控制整个生产装置（整个车间）企业综合自动化经济效益也随着“自动化”规模的扩大而显著增长¾工业自动化发展的动力效益经济效益社会效益企业综合自动化的意义——工业自动化发展32007/9/11浙江大学工业控制研究所13企业的发展——流程工业企业正从单个装置的先进控制与优化发展到多个装置甚至全厂的区域的整体优化，从向生产过程要效益发展到向全厂资源整体优化要效益。市场的需求——另一方面，高效率、高质量、低消耗、弹性生产的全球市场需求正在给我国企业生产经营管理人员带来巨大的压力。问题——如何把企业的管理信息(包括市场信息)与生产装置实时操作信息集成起来，充分发挥人、计算机与网络系统及自动化装备的作用，使企业不断增强对市场的应变能力，根据市场需求及时组织和调整生产，充分挖掘生产潜力，降低消耗，提高质量，确保安全，压缩库存，加速资金周转，实现生产过程、经营管理过程和决策过程的整体优化，最大限度地提高经济效益，已成为企业迫切需要解决的问题。企业综合自动化的意义——企业发展与市场需求2007/9/11浙江大学工业控制研究所14z建立单一数学模型?这种想法是不可能实现的,原因如下：¾过程整体数学模型很难获得：控制规模不断扩大，动态数学模型一般都是非线性¾没有一种求解方法：工业过程的非线性、不确定性以及变量很多。比如：年产30万吨的乙烯生产装置，检测点就有1000多个，被控变量有200~300个控制回路。解决的方法——分解—协调企业综合自动化的结构框架——如何实施企业综合自动化2007/9/11浙江大学工业控制研究所15根据9根据市场情况（原料价格波动、产品定货合同等）、企业长期需求及安排大修计划等最优地安排整个企业的生产计划决策生产调度z集中模型——分散模型企业生产管理及装置运行操作的实际情况决策的频繁程度在纵向从功能上分解为工厂（企业）车间（装置）车间级：主要功能是生产过程的控制及操作优化工厂级：主要功能是企业生产管理与对生产车间之间的调度。9对于原料在各生产装置之间的最优分配及生产产品的计划调度9处理在事故状态下，工厂的均衡生产企业综合自动化的结构框架——如何实施企业综合自动化2007/9/11浙江大学工业控制研究所16生产车间的先进控制与优化整体最优化计算模式生产过程先进控制/约束控制基本控制生产过程集中优化的操作频率低单元过程（局部）最优化/总体协调模式局部最优化反应器局部最优化压缩机局部最优化精馏塔生产过程先进控制/约束控制基本控制生产过程分散优化图集中优化图鲁棒性差、维护性能差不适合操作人员的习惯企业综合自动化的结构框架——如何实施企业综合自动化2007/9/11浙江大学工业控制研究所17车间级分为两个基本功能层：基于动态模型的控制¾动态最优控制系统的目标函数中仅出现状态变量和控制变量，难以引入与经济效益有关的变量与参数。¾连续生产的主要干扰是原料的变化，原料罐的切换是以小时为单位进行的。¾局部优化（如裂解炉、精馏塔等）产生的效益总和小于全装置优化（整体优化）的效益，因此在车间级还要进行局部优化的总和、协调以达到整个装置的整体最优的目的。基于稳态模型的操作优化企业综合自动化的结构框架——如何实施企业综合自动化2007/9/11浙江大学工业控制研究所18计算机综合自动化系统的结构示意图企业长期计划决策企业长期需求市场信息企业生产最优调度库存量订货单原料/能源性质约束生产装置实时全局最优产品价格装置约束生产过程先进控制DCS局部优化局部优化原料/能源价格控制操作优化最优调度最优计划决策技术上划分企业综合自动化的结构框架——如何实施企业综合自动化42007/9/11浙江大学工业控制研究所19直接控制层监督与控制层计划调度层决策管理层另外一种划分主要完成单元控制保证生产装置的正常运行重点是对生产过程进行优化控制保证装置安、稳、长、满、优运行，获取最大的经济效益重点是制定合理的工作计划和作业计划，并保证计划按预期目标进行重点是企业的经营管理和运作决策，保证企业健康发展企业综合自动化的结构框架——如何实施企业综合自动化2007/9/11浙江大学工业控制研究所20经营决策系统依据企业内部和外部信息对企业产品策略、中长远目标、发展规划和企业经营提出决策支持，对厂级、车间、各科室的生产和业务信息实现集成管理，并依据经营决策指令制定和落实年、季、月综合计划。管理信息系统将月计划指令下达给生产调度系统。生产调度系统完成生产计划分解，同时根据生产的实际情况形成调度指令，即时地指挥生产，组织日常均衡生产和处理异常事件。过程监控系统根据调度指令实现生产过程操作优化、先进控制、故障诊断、过程仿真等功能。DCS系统实现对生产过程运行状态的检测、监视、常规控制和传统的先进控制。企业综合自动化的结构框架——如何实施企业综合自动化2007/9/11浙江大学工业控制研究所21流程工业综合自动化系统的信息结构集成平台应用软件层计算机系统计算机系统应用软件应用软件………计算机网络管理系统分布式数据库管理系统数据库系统数据库系统………集成平台层数据库层网络管理层计算机系统层2007/9/11浙江大学工业控制研究所22多级递阶控制思想多层跨平台的概念企业综合自动化各层次分析——各层次区别与联系2007/9/11浙江大学工业控制研究所23功能层次控制频度典型的系统实现平台PID控制秒～数十秒先进控制DCS等计算机控制系统多变量控制预测控制自适应控制智能控制等数秒～数分钟过程优化过程监控计算机装置优化数分钟～数天多装置区域优化全厂经济优化周/月/季/年调度管理计算机各功能层次的控制频率及系统定位、实现平台功能层次企业综合自动化各层次分析——各层次区别与联系2007/9/11浙江大学工业控制研究所24决策信息管理信息调度信息工况、核算信息测量信息生产与经营过程辅助决策控制算法生产经营管理调度优化过程优化与监控投入产出模型资金流模型物料、能量平衡动态特性静态数学模型信息控制对象流程工业综合自动化系统的体系结构企业综合自动化各层次分析——各层次区别与联系52007/9/11浙江大学工业控制研究所25以优化管理、优化运行为核心的制造执行系统(MES)以设备综合控制为核心的过程控制系统(PCS)以财物分析／决策为核心的经营计划系统(BPS)采用BPS/MES/PCS三层结构（来源于制造行业的BPS/MES/PCS结构)企业综合自动化的结构框架——如何实施企业综合自动化2007/9/11浙江大学工业控制研究所26设备综合控制为核心的过程控制系统(PCS)PCS级聚焦于生产过程的设备，监控生产设备的运行状况，控制整个生产过程。一般包括基础自动化系统和过程自动化系统。™采用先进的控制技术，如：鲁棒约束多变量预测控制技术、多变量APC技术、智能解耦控制技术等对生产过程实现以稳定生产为目标的生产过程控制；™利用基础自动化装置与系统，如：PLC、DCS或现场总线控制系统，对生产设备实现自动控制，对生产过程进行实时监控；™基于过程模型与优化，对过程控制系统进行优化设定，实现生产过程的优化控制。企业综合自动化的结构框架——如何实施企业综合自动化2007/9/11浙江大学工业控制研究所27优化管理、优化运行为核心的生产执行系统(MES)MES级别作为CIPS的中心环节，在整个CIPS中起到承上启下的作用。作用——MES将生产过程控制、生产过程管理和经营管理活动中产生的诸多信息进行转换、加工、传递，是生产过程控制与管理信息集成的重要桥梁和纽带。功能——MES要完成生产计划的调度与统计、生产过程成本控制、产品质量控制与管理、物流控制与管理、设备安全控制与管理、生产数据采集与处理等功能。企业综合自动化的结构框架——如何实施企业综合自动化2007/9/11浙江大学