流程工业CIMS管理模式与集成技术-PPT课件.ppt

1、MES与中国节能经济与中国节能经济 褚褚 健健863计划先进制造与自动化领域计划先进制造与自动化领域浙江大学浙江大学 2019.7.23目目 录录一、能源现状与发展趋势一、能源现状与发展趋势二、二、MESMES及其主要贡献及其主要贡献 三、三、“十五十五”期间期间MESMES取得的成绩取得的成绩 四、今后的展望四、今后的展望 能源危机逼近中国能源危机逼近中国 n1993年开始，中国成为原油年开始，中国成为原油净进口国净进口国n2000年进口石油年进口石油7000多万吨多万吨n2019年进口原油年进口原油9000多万吨，多万吨，依存度达依存度达37，n2019年进口原油将达到年进口原油将达到1亿

2、亿吨以上吨以上n未来能源缺口将越来越大未来能源缺口将越来越大0%0%5%5%10%10%15%15%20%20%25%25%30%30%35%35%40%40%45%45%50%50%19951995200020002010201020202020背景背景能源危机逼近中国能源危机逼近中国 n 世界能源构成世界能源构成:原油占原油占39%,煤煤26%天然气天然气23%,核能核能7%,其它再生能源其它再生能源5%n 2019年中国消耗石油年中国消耗石油2.4亿吨，亿吨，占全球总量占全球总量7（GDP占全球占全球4）石油占中国能源消费总量石油占中国能源消费总量24n中国原油加工损失比先进国家多中国原

3、油加工损失比先进国家多0.51%n中国经济耗油最多是工业部门，占中国经济耗油最多是工业部门，占40 第二是运输部门，占第二是运输部门，占25中国中国GDP增长的代价增长的代价n2019年中国单位年中国单位GDP增长消耗能源增长消耗能源1.6单位单位（标准煤）（标准煤）n2020年中国年中国GDP达到达到5万亿美元，原油消耗万亿美元，原油消耗增长若也增长四倍，将达到增长若也增长四倍，将达到10亿吨，还有煤、亿吨，还有煤、水电、核电等？还有其它原料消耗，水电、核电等？还有其它原料消耗，不可能！不可能！n国家规划目标：国家规划目标：20202050年原油总消耗年原油总消耗4.5亿吨，其中进口亿吨，其

4、中进口2.7，国产，国产1.8亿吨亿吨n环境污染重大代价，全球环境污染重大代价，全球70来自制造业，排来自制造业，排放放55亿吨废物亿吨废物n我国单位国民经济生产总值耗能是美国的我国单位国民经济生产总值耗能是美国的1.8倍，是日本的倍，是日本的3.2倍倍若若2020年再翻两番年再翻两番n严峻形势严峻形势n能源能源n我国将面临巨大的能源危机我国将面临巨大的能源危机n能源利用率远低于国际平均水平能源利用率远低于国际平均水平n原材料原材料n矿产和石油是基础原材料，严重短缺矿产和石油是基础原材料，严重短缺n原材料利用率远低于国际平均水平原材料利用率远低于国际平均水平n流程工业是能源和原材料生产的重要工

5、业流程工业是能源和原材料生产的重要工业 在产业领域中，化工、冶金和建材三大工业能耗占全国总量的在产业领域中，化工、冶金和建材三大工业能耗占全国总量的40.6%目前我国目前我国8个高耗能行业的单位产品能耗平均比世界先进水平高个高耗能行业的单位产品能耗平均比世界先进水平高47%近年来中国经济的高速增长，是因为全面承袭了西方传统工业的发展模近年来中国经济的高速增长，是因为全面承袭了西方传统工业的发展模式，更是因为中国对本土能源的过度消耗。从式，更是因为中国对本土能源的过度消耗。从1990年到年到2019年：年：l中国石油消费量增长中国石油消费量增长100（从（从1.18亿吨到亿吨到2.35亿吨）亿吨

6、）l天然气增长天然气增长92（从（从114亿立方米到亿立方米到277亿立方米）亿立方米）l钢增长钢增长143（从（从0.67亿吨到亿吨到1.63亿吨）亿吨）l铜增长铜增长189（从（从72.9万吨到万吨到211万吨）万吨）l铝增长铝增长380（从（从72.4万吨到万吨到354.5万吨）万吨）l锌增长锌增长311（从（从36.9万吨到万吨到152.3万吨）万吨）l10种有色金属增长种有色金属增长276（从（从217万吨到万吨到816万吨）万吨）需求分析需求分析-本土能源的过度消耗本土能源的过度消耗流程工业现状与发展趋势流程工业现状与发展趋势n行业地位行业地位:流程工业在国民经济中的地位举足轻重流

7、程工业在国民经济中的地位举足轻重n自身特点自身特点:多变量、强耦合、多约束、多目标、多变量、强耦合、多约束、多目标、非线性、时滞、不确定性、干扰、复杂性非线性、时滞、不确定性、干扰、复杂性n发展方向发展方向:大型化、高效化、精确化和绿色化大型化、高效化、精确化和绿色化n现实状况现实状况:能耗高、成本高、污染高、能耗高、成本高、污染高、劳动生产率低、资源利用率低劳动生产率低、资源利用率低n期望目标期望目标:安全、节能、降耗、环保安全、节能、降耗、环保流程工业的问题流程工业的问题“三高两低三高两低”能耗高、成本高、污染高、劳动生产率低、资源利用率低能耗高、成本高、污染高、劳动生产率低、资源利用率低

8、中国中国发达国家发达国家能耗能耗130100%劳动生产率劳动生产率20%30100%生产成本生产成本高出国外高出国外12倍倍1石化企业应用先进控制石化企业应用先进控制不到不到20美国美国60在线优化增加收益在线优化增加收益不到不到1美国美国3%5有色金属采选业资源利用率有色金属采选业资源利用率不到不到35%60以上以上硫利用率硫利用率(污染污染)不到不到5095以上以上中国发布中长期节能规划中国发布中长期节能规划201920192020标准煤标准煤/万元万元GDP2.682.251.542019-2020至至2020年下年下降降42.3%共节能共节能4亿吨亿吨标准煤标准煤年均节能年均节能3%，

9、共节能共节能14亿吨亿吨标准煤，相当于标准煤，相当于减少减少2100万吨万吨二氧化硫的排放二氧化硫的排放量量现状与发展趋势现状与发展趋势节能经济节能经济是指在流程工业生产过程中，围绕是指在流程工业生产过程中，围绕资源、能源的高效利用的目标，集成采资源、能源的高效利用的目标，集成采用生产工艺技术、自动化技术、信息技用生产工艺技术、自动化技术、信息技术、优化技术等先进制造技术，达到提术、优化技术等先进制造技术，达到提高产品质量和产量、降低物耗与能耗、高产品质量和产量、降低物耗与能耗、减少环境污染之目的，实现企业综合经减少环境污染之目的，实现企业综合经济技术指标的最优化，确保可持续发展济技术指标的最

10、优化，确保可持续发展目目 录录一、能源现状与发展趋势一、能源现状与发展趋势二、二、MESMES及其主要贡献及其主要贡献 三、三、“十五十五”期间期间MESMES取得的成绩取得的成绩 四、今后的展望四、今后的展望 图5是以MES为中心的流程工业现代集成制造系统的体系结构。销售服务管理销售服务管理供应链管理供应链管理产品产品/工艺设计工艺设计人力资源人力资源财务管理财务管理资产管理资产管理质量质量计划计划成本成本计划计划生产生产计划计划物料物料计划计划设备设备计划计划质量管理质量管理动态成动态成本控制本控制作业作业调度调度物料跟踪物料跟踪控制与管理控制与管理设备维设备维修管理修管理生产过生产过程管

11、理程管理资源管理资源管理在线分在线分配管理配管理生产状生产状况分析况分析生产文生产文档管理档管理生产数据采集生产数据采集控制接口与信息界面控制接口与信息界面过程自动化系统过程自动化系统基础自动化仪表基础自动化仪表经营计划系统经营计划系统企业资源计划企业资源计划制造执行系统制造执行系统过程控制系统过程控制系统计划计划执行执行控制控制BPS层层MES层层PCS层层 关系数据库关系数据库实时数据库实时数据库流程企业典型的以流程企业典型的以MESMES为中心的三层两库结构为中心的三层两库结构石化企业物流管理M E SSAPR/3FISDTDTRMM/MROHRCOPP-PIPMIMISRetailIS

12、-Oil 石化企业MES生产管理InPlant应用应用MES可获得的效益可获得的效益美国美国ARC公司调查公司调查n产品质量提高产品质量提高19.2%n劳动生产率提高劳动生产率提高13.5n产量提高产量提高11.5MES：Manufacturing Executive Systeml l 优化生产调度，加快在制品库存周转优化生产调度，加快在制品库存周转l l 减少非计划生产，降低余材减少非计划生产，降低余材l l 提高产品质量，大幅增加产品成材率提高产品质量，大幅增加产品成材率l l 提高管理效能，增产减员提高管理效能，增产减员 例如：转炉优化模型在宝钢股份投入后，在例如：转炉优化模型在宝钢股

13、份投入后，在节省冶炼时间（每炉节省节省冶炼时间（每炉节省1 1分钟）、降低石灰、分钟）、降低石灰、合金的消耗，减少渣中的合金的消耗，减少渣中的T.FeT.Fe含量、提高铁合金含量、提高铁合金收得率等方面，产生经济效益每年收得率等方面，产生经济效益每年500500多万元。多万元。冶金冶金MES的效益的效益 将经营目标转化成生产操作目标，通过反馈执行将经营目标转化成生产操作目标，通过反馈执行结果，不断调整和优化，形成一个周期性的从生产经结果，不断调整和优化，形成一个周期性的从生产经营到生产运行和过程控制的高效能闭环系统。营到生产运行和过程控制的高效能闭环系统。例如，茂名石化应用例如，茂名石化应用M

14、ESMES后，取得显著经济效益。后，取得显著经济效益。：q加工成本降低加工成本降低1%1%q轻油收率提高轻油收率提高0.5%0.5%q油品损耗降低油品损耗降低0.2%0.2%q能耗降低能耗降低1%1%石化石化MES的效益的效益一、能源现状与发展趋势一、能源现状与发展趋势二、二、MESMES及其主要贡献及其主要贡献 三、三、“十五十五”期间期间MESMES取得的成绩取得的成绩 四、今后的展望四、今后的展望 “石化工业石化工业MES”取得的主要成果取得的主要成果q4 项发明专利项发明专利 q20 20 篇论文篇论文（其中（其中10篇被篇被 SCI、EI 索引）索引）q1010项软件著作权项软件著作

15、权 q茂名石化茂名石化MESMES系统系统 750750万元万元 q安庆石化安庆石化MESMES系统系统 750750万元万元 q荆门石化荆门石化MESMES系统系统 750750万元万元 q济南石化济南石化MESMES系统系统 650650万元万元q加工成本降低加工成本降低 1%1%q操作效率提高操作效率提高 1%1%q轻油收率提高轻油收率提高 1%1%q油品油品损耗损耗降低降低 1%1%q能耗降低能耗降低 1%1%经济效益估算：经济效益估算：q石化工业石化工业MES整体架构的研究整体架构的研究 q关键技术的研究关键技术的研究 q模块化模块化MES软件产品的设计、开发软件产品的设计、开发 q

16、示范工程的实施示范工程的实施 q在线质量优化控制提高产品质量在线质量优化控制提高产品质量q全厂油品移动、物料平衡全厂油品移动、物料平衡q及时、准确的生产绩效统计及时、准确的生产绩效统计q及时、优化的计划和调度。及时、优化的计划和调度。“冶金工业冶金工业MES”取得的主要成果取得的主要成果q8 项发明专利项发明专利 q67 67 篇论文篇论文（其中（其中31篇被篇被 SCI、EI 索引）索引）q17 17 项软件著作权项软件著作权 q1 项国家标准项国家标准q上海一钢公司上海一钢公司MESMES系统系统 1,5561,556万元万元 q宁波宝新一体化管理系统宁波宝新一体化管理系统 1,4001,

17、400万元万元 q吉林通钢吉林通钢UTSP(MES)UTSP(MES)系统系统 855855万元万元 q涟钢冷轧涟钢冷轧MESMES系统系统 610610万元万元q上海五钢信息化工程上海五钢信息化工程 2,4002,400万元万元q梅钢产销一体化系统梅钢产销一体化系统 1,8501,850万元万元q生产周期生产周期 缩短缩短1 1天天q成品出厂周期成品出厂周期 缩短缩短2 2天天q库存库存 降低降低20%20%q交货周期交货周期 缩短缩短1010天天q能耗能耗 降低降低5%5%q货款回收货款回收 提前提前2 2天天 经济效益估算：经济效益估算：q冶金工业冶金工业MES整体架构的研究整体架构的研

18、究 q关键技术的研究关键技术的研究 q结构化结构化MES软件产品的设计、开发软件产品的设计、开发 q示范工程的实施示范工程的实施 q优化生产调度，加快在制品库存优化生产调度，加快在制品库存 周转周转q减少非计划生产，降低余材减少非计划生产，降低余材q在线质量判定，提高产品质量，在线质量判定，提高产品质量，大幅增加产品成材率大幅增加产品成材率q提高管理效能，增产减员提高管理效能，增产减员MES主要单元技术的贡献主要单元技术的贡献n先进控制与优化先进控制与优化n实时数据库与监控平台实时数据库与监控平台n数据校正与物流跟踪数据校正与物流跟踪n数据挖掘数据挖掘n监控与在线维护监控与在线维护如：如：PT

19、A生产过程先进控制与优化生产过程先进控制与优化粗粗 TA(4-CBA)Air进料混合罐进料混合罐氧化反应器氧化反应器缓冲罐缓冲罐第三结第三结晶器晶器第二结第二结晶器晶器第一结第一结晶器晶器过滤机过滤机干燥器干燥器AirPXHAc母液母液催化剂催化剂抽出水抽出水加氢反应器加氢反应器溶溶剂剂脱脱水水塔塔水水HAc结结晶晶干干燥燥PTAPTA生产优化控制系统生产优化控制系统期望目标期望目标提高处理量、稳定4CBA含量等质量指标、降低物耗、稳定粒径提高处理量、稳定4CBA含量等质量指标、降低物耗、稳定粒径4CBA软测量4CBA软测量OD工艺计算OD工艺计算精制单元精制单元先进控制控制器先进控制控制器粒

20、径软测量粒径软测量进料混合罐控制器进料混合罐控制器氧化反应控制器氧化反应控制器结晶器结晶器先进控制控制器先进控制控制器溶剂脱水塔控制器溶剂脱水塔控制器DCS常规控制回路DCS常规控制回路进料混合罐D105进料混合罐D105氧化反应器R106氧化反应器R106第一结晶器D201第一结晶器D201溶剂脱水塔T403溶剂脱水塔T403精制结晶器精制结晶器氧化单元氧化单元先进控制控制器先进控制控制器氧化反应氧化反应水平衡计算水平衡计算优化控制系统效果优化控制系统效果n夏季夏季72小时装置产能考核按氧化反应器小时装置产能考核按氧化反应器PX消消耗量推算增长耗量推算增长2.2%n夏季夏季72小时装置消耗考

21、核醋酸单耗下降小时装置消耗考核醋酸单耗下降1.23kg/tPTAn非夏季装置产能按氧化反应器非夏季装置产能按氧化反应器FIC114推算增推算增长长0.67%n72小时考核关键受控变量波动幅度比先控投小时考核关键受控变量波动幅度比先控投运前降低运前降低20%以上以上n产能保持产能保持130%的运行时间增加的运行时间增加3%实时数据库与监控平台技术成果实时数据库与监控平台技术成果n基于微内核的多线程体系结构基于微内核的多线程体系结构n事件驱动的主动规则触发和处理事件驱动的主动规则触发和处理n基于反馈控制的实时消息通信基于反馈控制的实时消息通信n自适应的海量数据压缩与解压自适应的海量数据压缩与解压n

22、SQL实时性扩展实时性扩展Real-Time SQL 总体性能指标与总体性能指标与PI、Infoplus相当，已有相当，已有多家成功案例，打破国外产品的垄断地位。多家成功案例，打破国外产品的垄断地位。实时数据库用户清单实时数据库用户清单n中国石油华北石化公司n中国石化长岭分公司n中国石化巴陵石化合成橡胶厂n山西天脊煤化工集团n内蒙古蒙华海勃湾发电有限公司n秦皇岛发电有限责任公司n华润登封发电有限公司n野马寨发电有限责任公司n山西阳泉煤炭集团五矿n同仁堂科技股份有限公司nXX空间攻防状态监测n航天科技集团东方红卫星公司n重庆钢铁股份有限公司n西昌太和铁矿n济南钢铁股份有限公司n扬州石化n日本电信

23、n雪莲羊绒有限责任公司n秦皇岛奥林匹克体育中心n中关村西区地下空间开发n秦皇岛广播电视大厦n国家大剧院（中标）n。解决了流程工业企业物流平衡的一系列问题：解决了流程工业企业物流平衡的一系列问题：q数据的准确性和一致性数据的准确性和一致性q大大降低了物流的损耗率大大降低了物流的损耗率q为企业的经营决策和计划调度等应用提供了高置信度为企业的经营决策和计划调度等应用提供了高置信度的数据支撑的数据支撑数据校正与物流跟踪技术应用数据校正与物流跟踪技术应用误差数据误差数据数据校正数据校正数据利用数据利用$效益数据校正福建炼化公司应用数据校正福建炼化公司应用对象：对象：福建炼化炼油厂全厂主要生产装置，全厂福

24、建炼化炼油厂全厂主要生产装置，全厂7个主要个主要生产装置，厂区内生产装置，厂区内84个储罐，个储罐，198个流量及其相个流量及其相关的温度、压力补偿，密度，流量积算。关的温度、压力补偿，密度，流量积算。DCS数数据占据占90%，LAB数据占数据占3%，人工数据占，人工数据占7%问题：问题：装置众多，生产信息不够准确，影响决策装置众多，生产信息不够准确，影响决策目标：目标：对各项生产数据进行准确核算给调度、计划部门对各项生产数据进行准确核算给调度、计划部门提供准确的生产信息，为仪表检修提供建议提供准确的生产信息，为仪表检修提供建议方法：方法：线性准稳态数据校正算法线性准稳态数据校正算法效果：效果

25、：装置物料平衡率达装置物料平衡率达98.5%，数据校正结果与物料，数据校正结果与物料平衡数据基本一致平衡数据基本一致 年经济效益年经济效益 达达1000万元以上万元以上n对象：常压塔的热裂解装置对象：常压塔的热裂解装置n问题：汽油产量偏低问题：汽油产量偏低n方法：数据挖掘方法：数据挖掘n诊断结果：诊断结果：n冷却盘管的长度太短冷却盘管的长度太短n效益：效益：n每年增加汽油产量每年增加汽油产量1000010000吨吨DistillationTowerCrudeoil inletJet fuelgasolinedieselnaphthaheavy oilasphalt heat 数据挖掘应用于燃油

26、生产诊断数据挖掘应用于燃油生产诊断n对象：重整过程对象：重整过程n问题：产量低问题：产量低n方法：数据挖掘方法：数据挖掘n诊断结果：进料口位置错误诊断结果：进料口位置错误n措施：将进料口从措施：将进料口从99层移至层移至111层层 n效益：产量增加效益：产量增加3535NaphthainletPlatinum reformingheatbenzeneethylbenzenesolvent oil platinumcatalystDistillationTower数据挖掘应用于燃油生产诊断数据挖掘应用于燃油生产诊断一、能源现状与发展趋势一、能源现状与发展趋势二、二、MESMES及其主要贡献及其主

27、要贡献 三、三、“十五十五”期间期间MESMES取得的成绩取得的成绩 四、今后的展望四、今后的展望 “十一五十一五”目标目标n“集成创新、系统优化集成创新、系统优化”，工艺技术、装备技术、自动，工艺技术、装备技术、自动化技术和信息技术有机集成化技术和信息技术有机集成 。n研究流程工业节能优化的研究流程工业节能优化的MESMES共性关键技术共性关键技术 物流和能流的平衡计算与校正技术物流和能流的平衡计算与校正技术 节能目标下的物流与能流整体优化系统节能目标下的物流与能流整体优化系统 产品质量、能耗、物耗、环保等关键绩效指标管理产品质量、能耗、物耗、环保等关键绩效指标管理 设备及过程健康诊断系统设

28、备及过程健康诊断系统n石化、冶金、煤化工、市政等行业进行综合自动化系统石化、冶金、煤化工、市政等行业进行综合自动化系统研发与应用示范研发与应用示范n综合能耗指标下降综合能耗指标下降2%2%面向节能的面向节能的MES单元技术与系统单元技术与系统 面向节能的面向节能的MES集成技术与系统集成技术与系统 典型行业综合自动化系统典型行业综合自动化系统 在工业装备领域在工业装备领域MES系统系统 新的总线技术与标准新的总线技术与标准研究、开发的展望研究、开发的展望冶金、石化大型炉、窑节能控制与优化冶金、石化大型炉、窑节能控制与优化n过去的标准（现场设备）过去的标准（现场设备）n010mA,420mA,0

29、5V,15VnRS232,485n国际标准国际标准nFF,Profibus,LonWorks,DeviceNet,CAN等等n存在的问题存在的问题n无法统一，专利垄断，如无法统一，专利垄断，如GSM/CDMA5.新的总线技术与标准新的总线技术与标准 现场控制层网络现场控制层网络过程监控层网络过程监控层网络信息管理层网络信息管理层网络ERPMESPCS能否用新的标准来统一？能否用新的标准来统一？EPAEthernet for Plant AutomationYES!EPA的特点的特点n实现实现E网到底，统一数据通讯协议网到底，统一数据通讯协议n打破以国外企业制定协议或标准的垄断打破以国外企业制定

30、协议或标准的垄断n通用、普及、成本低廉通用、普及、成本低廉n有可能产生工业控制的一次变革有可能产生工业控制的一次变革n制造成本低制造成本低n开发成本低开发成本低n适用面宽适用面宽n以工业以太网为以工业以太网为研究主体，实现研究主体，实现现场设备互联现场设备互联n兼容兼容DCS、PLC等传统系统等传统系统n可连接可连接FF、PROFIBUS等现等现场总线场总线系统结构体构系统结构体构EPAn成功解决了一系列关键技术成功解决了一系列关键技术n开发了样机开发了样机,并进行了工业应用验证并进行了工业应用验证n向国家专利局申报了一系列发明专利向国家专利局申报了一系列发明专利n制定拥有自主知识产权的制定拥

31、有自主知识产权的国家标准国家标准 n代表中国提出并参与制定代表中国提出并参与制定EPAEPA国际标准国际标准,成成功地作为功地作为PASPAS文件对全世界发布文件对全世界发布新的总线技术与标准新的总线技术与标准 结束语结束语研究的出发点研究的出发点n以安全生产为目标以安全生产为目标n以节能降耗为目标以节能降耗为目标n以增加企业效益为目标以增加企业效益为目标工业工业IT研究方向举例研究方向举例n先进控制理论先进控制理论 n数据校正理论数据校正理论 n先进计划与调度算法先进计划与调度算法 n智能维护与管理理论智能维护与管理理论(IMS)n海量数据综合信息处理海量数据综合信息处理n嵌入式软件及控制嵌入式软件及控制n数据是挖掘企业效益的源泉数据是挖掘企业效益的源泉谢谢！谢谢！