试述流程工业综合自动化系统的仿真技术
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摘要：随着我国工业化的进程，现代流程工业正朝着复杂化、自动化和大型化的方向发展。其中，过程系统工程领域的重要研究内容就是系统的模型化与仿真。本文综述了ERP/MES/PCS三层企业集成体系结构,并分析了国内外光分应用的仿真技术。
中图分类号：N945.13 文献标识码：A 文章编号：
当前,企业竞争日益激烈，亟需通过仿真技术来提高自身的竞争力。能否有效应用仿真技术将成为决定企业成败的关键因素之一。现代流程工业中，系统的模型化与仿真已经成为设定设备参数、控制系统设计、生产预测分析、决策支持优化以及员工培训等活动的一门重要技术。同时，随着计算机技术的不断发展,仿真技术更是得到了广泛应用。
目前，当今欧美国家流程工业综合自动化系统理论及应用的主流框架，就是AMR的三层企业集成体系结构。在AMR每一层的研究对象有着很大的差异,PCS层关注生产设备,MES层着眼于生产过程,而ERP则考虑制造企业的整个产供销过程。这造成了不同层次的应用研究对仿真的需求各不相同,并使得仿真技术在不同层次的表现形式也有所差别。
过程控制系统层中的仿真
PCS层的流程仿真根据仿真状态的不同,可分为稳态仿真和动态仿真。PCS层主要进行各工序的过程控制,设定各种设备的具体运作参数,进行模型计算和控制计算。
1.1 动态仿真
动态仿真中的动态模型由一系列微分方程组成,能真实地对实际的生产流程进行模拟,为生产制造企业进行工艺流程设计、控制系统设计、故障处理策略设计等提供了有效的工具。
1.2 稳态仿真
稳态仿真是动态过程达到平稳状态时的简化处理,描述的过程对象不包括时间参数,所以它通过一系列物热衡算,为动态仿真提供初值和起始状态,同时还是过程综合和优化的基础。
2 制造执行系统层中的仿真
不同于应用于PCS层的仿真技术,基于MES应用的仿真在装置建模上做了较大的简化,使用粒度较大的装置模型。因为PCS层的仿真应用更关注对装置的控制,所以需要细致地描述装置生产状态的变化情况;而MES层的仿真应用则关注对整个工厂生产过程的控制,只需要粗略地描述装置在特定时段内的生产情况即可。在MES层,仿真技术可以用来模拟MES应用系统在生产制造企业的执行情况,也可以集成到某些MES软件中,以支持这些软件更好地实现其功能。这时的仿真平台通常对企业的生产进行仿真,在ERP/MES/PCS流程工业三层体系结构中扮演了PCS层的角色,它接收并执行由MES层生成的计划调度指令,仿真生成底层装置的生产信息,提供给MES各应用系统(包括物料平衡、能耗物耗管理等)。
目前,基于MES层的仿真已得到了广泛的应用,主要解决两类问题:(1)为MES应用软件提供测试和培训平台；(2)为生产调度优化提供仿真分析数据，即/what-if0分析。通过调度仿真,可以分析和预测在特定调度指令下,工厂生产的物流、能耗和设备状态,并为进一步生成可行的优化的调度指令提供必要的数据。如著名的商业调度软件AspenTech公司的AspenOrion、Hyprotech与KBC公司的HYSIS.Rfinery[都集成了调度仿真、线性规划和专家系统等技术。
3 企业资源计划层中的仿真
仿真技术在ERP层中主要用于模拟ERP应用软件在生产制造企业的运行情况,与此同时，它也是供应链管理的重要辅助工具,帮助企业决策者做出正确的供应链决策。ERP的业务涉及产、供、销三个环节,因此,该层的仿真模型不仅包括MES层仿真中的生产流程模型,还应具有原料供应、原料存储、产品存储、产品配送和产品销售等过程的模型。ERP层上的仿真技术主要用于解决三类问题:(1)生产计划优化决策的分析 计划优化是ERP层一项重要的业务,目前使用最为流行的商业计划优化软件有Aspen Tech公司的PIMS、Honeywell公司的RPMS和Haverly公司的GRTMPS,这些软件都以线性规划为优化算法,来获取最优计划决策。除了获取优化决策之外,有些计划优化软件还有一定的仿真功能,通过仿真得到的生产数据,使用“what-if”分析方法来分析和预测计划决策对企业生产的影响。(2)ERP应用软件的仿真培训系统 此时,仿真平台模拟企业的运营环境,为ERP系统提供必要的运行平台。(3)对企业供应链的仿真 流程企业供应链包括居于供应链核心的流程制造企业,以及企业的原料供应商和产品用户,用仿真的方法研究供应链问题可以进行更接近实际的假设,在更大的广度和深度上对供应链进行研究。由于供应链系统是离散事件系统,通常用离散事件仿真软件对供应链
系统进行仿真。常用的离散事件仿真软件有Rockwell公司的Arena、Brooks公司的AutoMod、ProModel公司的ProModel、CACI公司的Simprocess、Lanner公司的Witness和Tecnomatix公司的eMPlant等。供应链仿真主要用于分析供应链在不同操作决策下不同的动态性能[28]
4 三层集成仿真
如上所述,计算机仿真在流程工业中得到了大规模的应用,在企业的生产经营中也发挥了重要作用,一定程度上满足了企业对仿真技术的需求。然而上述各类仿真只针对本层次的应用目标,这种仿真系统的独立性造成了各层次间的仿真系统无法进行信息交互,因而也无法反映局部变动对整个企业的影响,给研究流程工业综合自动化系统带来了不便。为此,需建立各层仿真系统的集成平台,使得处理流程工业ERP/MES/PCS三层体系结构综合自动化的整体解决方案成为可能。
在离散制造领域，这种仿真集成平台首先出现。新加坡制造技术研究所的Sanjay Jain于1995年提出了虚拟工厂的概念,虚拟工厂以整个制造企业为研究对象,为企业的集成建模和分析提供了理论框架。虚拟工厂以制造企业立方模型为基础,该模型从企业生命周期、企业功能和企业设备层次三个视角对制造企业进行了整体描述。根据该模型,Sanjay按不同的时间粒度为企业中的设备分别建立了工厂、生产车间、生产单元、工作站和生产装置五个层次的仿真模型,并且在虚拟工厂中引用了“同步模块”的概念,不仅建立起各层次仿真的信息交互,也集成了企业功能视图中的各项功能仿真,为产品的设计、设备的安装和操作,以及企业
的生产经营管理提供了决策支持平台。
为了解决流程工业的企业综合自动化整体解决方案,Aspen Tech公司提出了AspenONE的概念。AspenONE提供了一个开放的仿真环境,该环境集成了PCS层、MES层和ERP层的各种仿真应用软件,并结合机理建模、经验建模和统计建模的方法,建立企业生产流程和经营过程的企业级模型,从而评估PCS层生产状态的改变,或MES层和ERP层生产决策的改变对整个企业经营状况的影响。因此,AspenONE不仅能进行PCS层的流程设计和优化,还能对企业的MES层和ERP层应用提供决策支持,实现了为流程工业企业提供综合自动化整体解决方案的目标。
5 结语
在流程工业三层集成仿真系统中，关注的是装置间的物流关系、物流量和物流属性等信息,虚拟现实需要通过合理的方法表现这些物流信息;其次,虚拟现实还应反映计划调度指令下达和生产方案切换等具体动作,以及这些动作对物流数据所产生的影响。通过分析可以发现，仿真技术的应用已经日渐成熟，未来有较大发展空间。
参考文献:
[1] 王 亮,吕文祥,黄德先.动态流程模拟及其在精馏塔的操作分析中的应用[J].计算机与应用化学, 2006, 23(1): 83-87.
[2] 冯毅萍,荣 冈.流程工业智能工厂实验系统[J].信息与控制, 2005, 34(1): 35-43.
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