化工过程现代集成系统关键技术的研究

1国家自然科学基金委员会化学科学部关于化学/化工学科前沿和“十五”优先资助领域的意见书化工过程现代集成系统关键技术的研究华南理工大学化工学院(执笔：钱宇)一.前言化学工程是研究物料以工业规模发生物理或化学状态变化的过程与装置的设计与操作的一门技术科学。作为化工类各学科的应用基础，化学工程的研究进展对石油加工、化工、轻工、材料加工、冶金等过程工业的发展将有重要作用。进入21世纪的化学工业应改变以往化工行业大量消耗资源和能源及污染环境的形象，将重点研究使过程工业优质、低耗、高效、经济和安全无公害地生产，为改善和提高人类生活质量提供各种化学品。为此在继续研究各单元操作的三传一反过程的同时，更要针对化工生产日益大型化、集成化和复杂化而深入研究过程系统特性，如大型石化企业和多品种多牌号精细化工过程的整体综合特性，及对企业生存和发展至关重要的经营管理技术和生产运行全过程全生命周期的系统集成技术。二十世纪下半叶以来，科学技术发展的一个重要特征，是各个学科领域的相互渗透和相互支撑。过程系统工程作为化学工程中的一个新兴交叉子学科，是在系统工程、化学工程、过程控制、信息技术、计算机技术等学科发展的基础上萌生并发展起来的。一方面，它对化工流程中化学反应、分离过程、能量交换过程等各单元子过程追求集成和优化，寻求最佳的技术经济目标；另一方面，它采用数学模拟和物理模拟相结合的方法，从信息、任务、和方法等多种角度的集成对过程系统进行最优设计，实施最优操作、最优控制，实现过程系统的综合整体优化。近十年来，现代信息技术(特别是网络技术)的飞跃发展，使人们能在数秒之间完成与世界上任何地方的通信，从而使地球变“小”了许多。这样便导致世界市场的形成，并带来激烈的市场竞争：产品的生命周期越来越短；用户对产品质量、品种和价格的要求越来越高。每个企业都面临着求生存、争发展的严峻考验。同时，日趋严峻的资源、环境及安全等方面的约束，要求过程工业企业必须利用先进的信息、控制与系统技术，改善生产和管理。在这种情况下，九十年代初借鉴于在机械、电子等制造行业得到蓬勃发展的CIMS概念，对于流程工业提出了CIPS(ComputerIntegratedProcessSystem)概念[1]。其目的是采用计算机技术、通讯技术、自动化技术以及有关生产技术，建立全企业或全厂的包括经营决策、管理信息、生产调度、监督控制和直接控制在内的管理及控制全部生产活动的综合系统，从而达到提高企业经济效益和竞争能力的2目的；其核心是“集成”，即通过多种技术的综合，从而达到全企业或全厂的信息集成、任务集成、工具(或方法)集成和人机的协同工作。在国内，近年来CIPS已经开始起步。据报道，中国石化总公司在齐鲁石化炼油厂、辽化化纤厂、茂明乙烯工业公司、福建炼油厂等进行CIPS试点，在信息集成方面已取得了初步经验。在理论研究方面，近几年有不少关于CIPS的探索性文献[2~3]，提出了过程工业CIPS的体系结构。该功能结构模型体现了递阶控制的思想和多层跨平台概念，各功能层次所涉及的内容、范围不同，因而实现的系统平台也不相同。二.化工过程现代集成系统近年来随着敏捷制造(AgileManufacture)、并行工程(ConcurrentEngineering)、精良生产(LeanProduction)、人件(Humanware)、生命周期(LifeCycles)、企业再造(Reengineering)等一系列新的概念、技术或方案的提出，使集成制造的思想得到了进一步丰富和发展。并行工程，是在信息集成的基础上实现过程的重构、集成和优化，即过程集成。并行工程是一种系统工程的方法，将产品的设计过程、制造过程及各种支持过程集成起来，并行地协调处理。从一开始就能考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期的所有因素，其目标是提高整个制造过程(从设计、工艺、制造到服务)的质量，降低产品生命周期费用，缩短产品研究开发周期。对于流程工业来说针对不同的角度同时存在三个生命周期[4]：从工厂及其设备的角度看其生命周期经历了设计、安装、运行和废弃几个阶段；从生产过程的角度看其生命周期经历了开车、稳定运行和停车几个阶段；从经营管理的角度看其生命周期经历了市场分析、产品设计、过程设计、设备选型、购买和安装、运行和维护几个阶段。对于流程工业这样一个存在多生命周期的复杂过程，要实施并行工程有相当的难度。其关键的技术在于两点：(1)如何建立一个贯穿整个生命周期的产品数据模型以便于处于不同生命周期阶段的开发人员进行信息共享和交换；(2)以及如何建立一种信息并行协调处理的机制。敏捷制造即企业集成，其基本思想是通过动态灵活的企业联盟、先进的柔性生产技术和高素质的人员的全面集成，使企业快速响应市场变化，获取长期的经济效益。敏捷制造的特征之一就是多企业在信息集成的基础上的合作与竞争，根据客户需要和社会经济效益组成企业动态联盟(VirtualOrganization)。敏捷制造的核心是企业间的动态集成，是产品开发生产过程的动态集成，是生产管理全过程仿真集成。并行工程、敏捷制造、企业动态联盟等现代化的生产经营哲理和思想，越来越强调技术与人、组织、管理的集成。因而国外许多大公司基于这些思想进行企业再造(Reengineering)，以提高企业对瞬息万变的市场的响应能力及响应速度，提高企业的竞争能力。据美国《幸福》杂志统计全世界排名前1000名的大企业中，有68％进行了企业再造[5]。3由此可以看出，进入90年代以来，CIMS/CIPS在其实施和发展过程中，围绕着其总目标的实现在不断吸收新技术、新思想、新概念；CIMS的发展分为信息集成、过程集成和企业集成三个阶段[6]。在新的发展阶段，CIMS的核心由信息集成转变为以顾客/用户的需求为核心，CIMS解决问题的方法也由技术集成转变为技术、经营、管理和人的全面集成。CIMS的未来发展具有并行、敏捷的特性。现在CIMS的内涵已经远远超出了计算机集成制造系统的概念，中国863/CIMS主题组对新的CIM及CIMS理念进行重新概括如下[7]：“CIM是一种人/组织、管理与运行企业的理念，它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，借助计算机(软、硬件)，使企业产品全生命周期各阶段中有关的组织、经营管理、技术三要素及其信息信息流、物流、价值流有机集成并优化运行，实现企业创造活动，以达到产品上市快、高质、低耗、服务好、环境清洁，进而提高企业的柔性、健壮性，使企业赢得市场竞争主动权。”基于上述的CIM及CIMS理念，CIMS的中英文取为现代集成制造系统(ComtenporaryIntegrfitedManufacturingSystem)。现代的含义是信息化、智能化、计算机化。集成的含义是企业产品全生命周期活动中三要素、三流集成；集成的各阶段是信息集成、过程集成及企业集成。针对现代集成制造系统的概念，对于过程工业我们应相应提出现代集成过程系统(ContemporaryIntegratedProcessSystem)的概念，CIPS概念的提出可以大大扩展过程系统工程的研究领域，并能够给过程系统工程的研究注入新的活力。对于过程工业而言，CIPS包含若干关键技术的集成，其中包括：测量数据的采集和压缩技术、过程数据的筛选与校正、实时数据库、过程模型化与模拟技术、过程优化算法、过程监测技术、故障诊断与侦破、生产的计划和调度排序、先进过程控制(APC)、可靠性分析及维修管理系统、质量控制与管理、人工智能技术的应用等。三.面临的问题与分析总体而言发展我国化工过程现代集成系统主要面临以下问题：近二十年来，人们开发了化工过程运行中各种局部功能的计算机辅助运行(Computer-AidedProcessOperation,CAPO)系统，如调度排产、数据采集和校正、在线模拟、故障诊断、运行调优等。CAPO介于最基础的过程控制和最上层的计算机管理信息系统(MIS)以及决策支持系统(DSS)之间的广大领域，是连接过程控制和决策管理之间的桥梁。它们分别对局部层次的运行优化起到了积极的作用。然而，但是这些系统往往是独立开发的，缺乏整体考虑各个系统均有各自专用的数据格式，使得各个系统间的信息难以相互衔接和协调，形成了过程工厂中的各个“信息孤岛”，不能做到全企业或全厂的信息集成，严重妨碍了CIPS的实现。尽管计算机已在过程模拟和分析、设备选型和评价、分离序列和能量系统的合成。操作优化及生产调度等各方面发挥着重要的作用，但随着过程系统日益庞大和复杂程度增加，计算机系统把握过程全局的能力显得日益薄弱。另一方面，过程系统的物理和化学机理的解析模型越来越难以获得。这给过程系统工程界提出了一个严峻的问题：当我们对系统的认识不足以构4造清晰的数字模型时，如何运用领域专家多年积累的经验和知识对系统有正确的把握，使计算机能正确处理这些定性的和半定量的信息，建立适合于过程的模型以使系统安全、正常优质地运行？基于知识的系统的不断发展，开辟了一个新的研究方向将人工智能的技术引入化工过程系统，使CIPS不但具有“数值计算”的能力，还有人类常识、专业知识和专家推理判断的“智能”，从而期望系统更多地具有人类专家的素质和性能来运行生产过程。在当前技术发展迅速、市场竞争激烈、环境保护、安全生产日益强烈的形势下，世界化学工业的结构正在发生着剧烈的变化。如何赢得市场和技术的优势，是各国政府、企业界和科技界共同关心的问题。面对时有发生的化工灾难性事故及其造成的严重人员伤亡、环境污染和经济损失，社会公众越来越多地关注与化工和安全相关的问题，诸如化学品的贮存、运输和生产安全问题；过程工业生产中恶性事故风险防范问题；化工过程风险评价，化工事故早期预警以及灾害应急、应变、救援策略等问题。这些问题如解决不好，将成为现代化学工业发展进一步发展的严重障碍。如石油化工行业，已建成20多个大型和特大型石化企业，石化事业的发展为国家创造了巨大的财富，与此同时安全风险也不断增加。对化工装置进行运行风险分析；建立灾害性事故早期诊断、预警系统并推荐处理措施则显得更为重要。化工行业技术水平参差不齐，总体水平仍落后发达国家15－20年。为了缩短这种差距，一方面是要靠加大投入，二是靠加大引进力度，但存在资金不足的问题。另外花费大量外汇引进的多项成套设备和技术，包括国际先进的工艺技术和设备乃至信息(软硬件)技术，尚未形成集约化的、有中国特色的系统技术。四.亟待研究的课题目前国内外CIPS研究开发、推广应用和取得的成效都明显落后于CIMS。CIPS目前更多的是技术的集成，仍处于企业内部的信息集成阶段，还没有达到过程集成的阶段。针对国内外CIPS的研究应用现状，我们建议对CIPS中若干关键技术进行重点研究和集中攻关。从科学发展和我国国民经济长远发展的需求的角度推进这一领域的基础技术研究，争取在应用基础研究方面有所创新和突破。这方面亟待研究的主要课题有：分布式计算机系统及网络技术、分布式数据库技术、计算机辅助实时监控、实时故障检测及故障诊断、系统建模仿真技术及系统综合平衡与优化。1.计算机辅助实时监控、故障检测及故障诊断化工过程监视、故障诊断技术的研究是近年来国际过程工程学术界研究热点，经过多年研究该领域的研究者提出了操作过程监视与故障诊断系统的框架：将数据检验和校正、故障侦破、故障诊断等功能通过现代信息技术有机地结合在一起形成故障诊断计算机辅助运行系统；在技术上将人工智能领域的各种工具(信号图、模式识别、基于规则的专家系统、模糊逻辑、定性模拟、神经网络或归纳决策树等)与数学统计方法(假设检验、主组分析法等)及系统辨识方法5(观测器、广义Kalman滤波器、信号分析等)集成在一起构成混杂智能系统应用于过程故障诊断。当前研制事故诊断系统的技术关键是：*异常状态的检测及特征提取技术。为了把结果及症状的对应关系搞清楚，需要研究高水平的测定器及敏感元件将初始信号加工成清晰度高的信号处理技术。*信息处理技术。从症状推断引起的原因，目前人工智能－专家系统法用于事故诊断领域得到迅速发展，因为这与医疗专家诊断系统类