1、化工企业生产计划图形建模化工企业生产计划图形建模优化系统优化系统n背景介绍背景介绍n如何建模？如何建模？n模型参数的维护和跟踪？模型参数的维护和跟踪？n不可行解的分析诊断不可行解的分析诊断nWEBGIOCIMSWEBGIOCIMS介绍介绍nGIOCIMSGIOCIMS的应用的应用 n总结总结2清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE Process Systems Engineering:Molecular to Enterprise Level(Marquardt et al,1998)背景介绍背景介绍3清 华 大 学 化 工 系 过
2、 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE10C03 Systems Engineering Approaches in Biology(12)10C02 Planning,Scheduling,and Supply Chain Optimization(25)10B02 Process Modeling and Identification(19)10B08 Process Monitoring and Fault Detection(18)10C01 Advances in Optimization(13)10A02 Process Design(15)10A04
3、 Design,Analysis and Operations under Uncertainty(14)10D02 Advances in Computational Methods and Numerical Analysis(15)10D04 Applied Mathematics in Bioengineering(13)#Papers submitted to Computers&Systems Technology Division2006 Annual Meeting San Francisco4清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute
4、of CPSEPlanning and schedulingMotivationMajor components process operationsGreat demand from industry Goal:Enterprise-wide Optimization Basic questions How to model these problems?How to optimize across time and length scales?How to effectively handle large-scale problems?How to handle the effect of
5、 uncertainties?Keys:discrete linear/nonlinear optimization techniques stochastic programming5清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEn生产计划优化是企业供应链管理中重要的一环。供应链管理的概念背景介绍背景介绍n目前，大部分炼油或者炼化企业已经采用国外的生产计划优目前，大部分炼油或者炼化企业已经采用国外的生产计划优化软件进行优化排产化软件进行优化排产。国内自己的软件占的比例还很少，。国内自己的软件占的比例还很少，“集集成创新和引进、消化、吸收、再
6、创新成创新和引进、消化、吸收、再创新”还有很大的空间。还有很大的空间。6清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE背景介绍背景介绍n 对于国内化工企业生产计划优化的研究和应用还很少。对于国内化工企业生产计划优化的研究和应用还很少。n化工企业优化空间巨大，这是由于化工企业优化空间巨大，这是由于:l物料来源多样，物料来源多样，l工艺路线灵活，工艺路线灵活，l产品等级多样，产品等级多样，l原料、产品的价格、需求变化频繁，原料、产品的价格、需求变化频繁，l装置负荷有充分优化余地。装置负荷有充分优化余地。7清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统
7、 工 程 研 究 所 Institute of CPSE背景介绍背景介绍中间物料走向示意图8清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE化工过程的特点化工过程的特点n化工过程具有复杂的气液、气固、液液、液固等化学反应。物料间的数量关系描述必须满足化学反应平衡计量式，不象炼油企业，以产品或侧线收率就足可以描述装置进出物料间的数量关系，这是两者在建模中最大的不同。9清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEn 根据多年来炼油生产计划的实践，结合化工生根据多年来炼油生产计划的实践，结合化工生
8、产的特点，化工生产计划优化软件系统要解决的难点：产的特点，化工生产计划优化软件系统要解决的难点：n如何建模？如何建模？n模型如何方便维护？模型如何方便维护？n模型参数如何跟踪？模型参数如何跟踪？n与其它信息系统的数据共享？与其它信息系统的数据共享？n不可行解的分析诊断？不可行解的分析诊断？10清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEn背景介绍背景介绍n如何建模？如何建模？n模型参数的维护和跟踪？模型参数的维护和跟踪？n不可行解的分析诊断不可行解的分析诊断nWEBGIOCIMSWEBGIOCIMS介绍介绍nGIOCIMSGIOCIMS的应
9、用的应用 n总结总结11清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE加工成本加工成本-3319.38*S1-16.50*S2-16.50*S3-3473.80*S4-16.50*S5-16.50*S6-3152.68*S7-16.50*S8-1916.29*S21-1394.02*S22-160.00*S23-160.00*S24销售收入销售收入原料费用原料费用n如何建模？如何建模？n 有三种方法有三种方法目标函数目标函数Max obj=761.95*S25+2850.20*S27+2892.01*S28+1291.45*S29;n方法之一
10、方法之一 直接书写数学方程直接书写数学方程12清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE 约束方程约束方程装置物料平衡装置物料平衡;装置物料平衡约束装置物料平衡约束+0.9950+0.9950*S23+0.9950S23+0.9950*S24-1.0000S24-1.0000*S25-1.0000S25-1.0000*S26-1.0000S26-1.0000*S27-S27-1.00001.0000*S28-1.0000S28-1.0000*S29-1.0000S29-1.0000*S30=0.0000;S30=0.0000;装置上下限约
11、束装置上下限约束;装置上下限约束装置上下限约束+1.0000+1.0000*S23+1.0000S23+1.0000*S24=27.0000;S24=27.0000;以及一系列侧线产品收率的上下限约束以及一系列侧线产品收率的上下限约束干气收率上下限干气收率上下限;-0.0380-0.0380*S23-0.0380S23-0.0380*S24+1.0000S24+1.0000*S25=0.0000;S25=0.0000;液态烃收率上下限液态烃收率上下限;-0.1570-0.1570*S23-0.1570S23-0.1570*S24+1.0000S24+1.0000*S26=0.0000;S26=
12、0.0000;汽油收率上下限汽油收率上下限;-0.4200-0.4200*S23-0.4200S23-0.4200*S24+1.0000S24+1.0000*S27=0.0000;S27=0.0000;13清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE 柴油收率上下限;-0.2290*S23-0.2290*S24+1.0000*S28=0.0000;油浆收率上下限;-0.0590*S23-0.0590*S24+1.0000*S29=0.0000;烧焦收率上下限;-0.0920*S23-0.0920*S24+1.0000*S30=0.0000;
13、固定比例上下限;-0.3900*S23+0.6100*S24=0.0000;14清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEn方法之二方法之二 填写一系列填写一系列EXCEL表格表格15清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEn 方法之三方法之三 完全图形化，完全图形化，n建立流程模型建立流程模型16清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE模型（数学关系式）完全由系统自动生成 1）目标函数：企业利润最大产品 l 的价格，元/吨
14、;产品 l 的产量，吨;生产产品 l 消耗的原料 i 的价格，元/吨;生产产品 l 原料 I 的消耗量，吨;产品 l 的单位加工费，元/吨;产品 l 的产量，吨;企业的固定成本，元.产品 l 的库存费用，元/吨;产品 l 的期末库存，吨;销售收入原料成本加工成本固定成本库存成本17清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE2）约束方程B.化学反应平衡方程D.单位加工费函数C.反应系数函数生产产品l原料i的消耗系数，吨/吨；生产产品l中间产品i的消耗系数，吨/吨；生产产品l中间产品i的消耗量，吨/吨；产品l单位加工费与其产量的非线性函数；产
15、品l原料i的消耗系数与产品产量的非线性函数；产品l中间产品l的消耗系数与产品产量的非线性函数；A.物料平衡方程装置u的第i个进料量，吨；装置u的第j个出料量，吨；18清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEE.库存平衡方程F.产量限制G.原料供应及 产品需求限制产品 l 期初库存，吨；产品 l 的产量下限，吨；产品 l 的产量上限，吨；表示产品 l 是否生产的0-1变量；产品 l 的需求量下限，吨；产品 l 的需求量上限，吨；生产产品 l 的原料i供应量下限，吨；生产产品 l 的原料i供应量上限，吨；19清 华 大 学 化 工 系 过
16、程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE系统自动形成一个MINLP模型，可以通过迭代求解：迭代算法示意图20清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEn背景介绍背景介绍n如何建模？如何建模？n模型参数的维护和跟踪？模型参数的维护和跟踪？n不可行解的分析诊断不可行解的分析诊断nWEBGIOCIMSWEBGIOCIMS介绍介绍nGIOCIMSGIOCIMS的应用的应用 n总结总结21清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE模型参数的维护模型参数的维护1）图形界
17、面上录入）图形界面上录入点击流线，在流线信点击流线，在流线信息窗口中输入或修改息窗口中输入或修改流线信息窗口流线信息窗口22清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE2)相同属性的数据集中输入相同属性的数据集中输入23清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE3)从从Excel文件读取数据：文件读取数据：可以将GIOCIMS和企业原有的Excel生产计划系统有效结合，既能达到优化排产的目的，又不需要改变用户原有的使用习惯。24清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究
18、 所 Institute of CPSE 4)GIOCIMS通过通过Oracle数据库获取数据数据库获取数据：从而实现与其它系统如MES(Manufacturing Execution System)和ERP(Enterprise Resource Planning)系统等集成，共享数据。25清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE模型参数跟踪模型参数跟踪物料消耗数据自动匹配物料消耗数据自动匹配 GIOCIMS建立的MINLP模型，通过迭代求解，实现物料消耗系数根据装置负荷范围自动匹配，从而实现了装置开停工，装置负荷范围的优化。26清
19、华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEn背景介绍背景介绍n如何建模？如何建模？n模型参数的维护和跟踪？模型参数的维护和跟踪？n不可行解的分析诊断不可行解的分析诊断nWEBGIOCIMSWEBGIOCIMS介绍介绍nGIOCIMSGIOCIMS的应用的应用 n总结总结27清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE无可行解的分析诊断无可行解的分析诊断 如果所生成的生产计划模型无可行解，GIOCIMS自动进行无可行解诊断。GIOCIMS开发了基于知识的逐级诊断方法，能准确定位到哪套装置或哪
20、条流线的数据相互矛盾，按优先级给出诊断报告，便于对流程和数据进行分析和修改。1)初级诊断初级诊断28清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE2)按优先级给出诊断报告按优先级给出诊断报告29清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEn背景介绍背景介绍n如何建模？如何建模？n模型参数的维护和跟踪？模型参数的维护和跟踪？n不可行解的分析诊断不可行解的分析诊断nWEBGIOCIMSWEBGIOCIMS介绍介绍nGIOCIMSGIOCIMS的应用的应用 n总结总结30清 华 大 学 化 工
21、系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEWEBGIOCIMS作用作用n由于企业对信息化技术的重视和应用，不少化工企业都由于企业对信息化技术的重视和应用，不少化工企业都建立了建立了ERPERP、MESMES系统，系统，WEBGIOCIMSWEBGIOCIMS系统的建立可以系统的建立可以实现与实现与ERPERP、MESMES系统的数据互相共享。系统的数据互相共享。n随着随着GIOCIMSGIOCIMS的上线使用，计划人员会对年、季和月的上线使用，计划人员会对年、季和月的生产计划进行优化计算，采用网络数据库可以实现大量的生产计划进行优化计算，采用网络数据库可以实现大
22、量优化方案的集中保存和共享。优化方案的集中保存和共享。n公司领导和其他人员可以在本地没有安装公司领导和其他人员可以在本地没有安装GIOCIMSGIOCIMS的的情况下，通过网络浏览生产计划优化方案的基本信息。情况下，通过网络浏览生产计划优化方案的基本信息。31清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEWEBGIOCIMS介绍介绍WEBGIOCIMS登录界面32清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEWEBGIOCIMS介绍介绍WEBGIOCIMS功能导航33清 华 大 学 化 工
23、系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEWEBGIOCIMS介绍介绍方案基本信息浏览34清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEWEBGIOCIMS介绍介绍方案导出报表浏览方案导出报表浏览35清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEWEBGIOCIMS介绍介绍MES数据录入数据录入36清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEWEBGIOCIMS介绍介绍ERP数据录入数据录入37清 华 大
24、学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEWEBGIOCIMS介绍介绍从从Excel导入数据导入数据38清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEWEBGIOCIMS介绍介绍用户信息用户信息39清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEWEBGIOCIMS介绍介绍日志管理日志管理40清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEn背景介绍背景介绍n如何建模？如何建模？n模型参数的维护和跟踪
25、？模型参数的维护和跟踪？n不可行解的分析诊断不可行解的分析诊断nWEBGIOCIMSWEBGIOCIMS介绍介绍nGIOCIMSGIOCIMS的应用的应用 n总结总结41清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEGIOCIMS的应用的应用n中石化巴陵分公司主要生产己内酰胺、锦纶中石化巴陵分公司主要生产己内酰胺、锦纶6切片、尿素切片、尿素等化工、化纤和化肥产品；包括合成氨、己内酰胺、聚合等化工、化纤和化肥产品；包括合成氨、己内酰胺、聚合等主要生产装置。等主要生产装置。n利用利用GIOCIMS系统建立了巴陵分公司生产计划优化的基系统建立了巴陵
26、分公司生产计划优化的基础模型，并对础模型，并对3、4和和7月份生产计划进行模拟。月份生产计划进行模拟。n GIOCIMS除了正常的优化排产以外，还实现了对中间产除了正常的优化排产以外，还实现了对中间产品外购或自产、中间产品外销或深加工、工艺路线选择和品外购或自产、中间产品外销或深加工、工艺路线选择和装置负荷等多目标的优化。装置负荷等多目标的优化。42清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEGIOCIMS的应用的应用 采用采用GIOCIMS对某月度计划计算得到的模拟结果，如各产品和中间对某月度计划计算得到的模拟结果，如各产品和中间产品产量
27、、各产品和中间产品单位制造成本和总利润等，与原计划财务产品产量、各产品和中间产品单位制造成本和总利润等，与原计划财务预算结果完全一致的基础上；预算结果完全一致的基础上；n通过灵敏度分析等方法调整参数，对该月度生产计划进一步优化，结通过灵敏度分析等方法调整参数，对该月度生产计划进一步优化，结果如下：果如下：比较项目比较项目不含税价不含税价(元元/吨吨)原计划原计划/吨吨新计划新计划/吨吨金额变化金额变化/万元万元原料油外购量原料油外购量4273.52118.60 1782.00-143.85 液氨外购量液氨外购量2051.281935.69 1485.69-92.31 原料煤外购量原料煤外购量4
28、40.1722580.24 22886.75 13.49 石灰石外购量石灰石外购量128.21727.16 737.03 0.13 甲醇采购量甲醇采购量2222.2295.15 96.14 0.22 合计合计-222.32 43清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEGIOCIMS的应用的应用比较项目比较项目加工费加工费/(/(元元/吨吨)原计划原计划/吨吨新计划新计划/吨吨金额变化金额变化/万元万元粗合成气产量粗合成气产量349.55 35969.57 36457.81 17.07 合成氢气产量合成氢气产量1456.24 3287.7
29、5 3332.38 6.50 液氨产量液氨产量14.06 17100.00 17550.00 0.63 制氢氢气产量制氢氢气产量7698.32 963.00 810.00-117.78 合计合计-93.59 n新计划比原计划优化了新计划比原计划优化了液氨液氨的自产量和外购量分配，同时优化了的自产量和外购量分配，同时优化了合成氢合成氢和制氢和制氢两套装置的负荷水平两套装置的负荷水平；n新计划中原料成本比原计划降低新计划中原料成本比原计划降低222.32万元，装置加工费降低万元，装置加工费降低93.59万万元，总利润增加元，总利润增加315.91万元，优化效益显著。万元，优化效益显著。新计划和原计
30、划中间产品产量比较 44清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSEn背景介绍背景介绍n如何建模？如何建模？n模型参数的维护和跟踪？模型参数的维护和跟踪？n不可行解的分析诊断不可行解的分析诊断nWEBGIOCIMSWEBGIOCIMS介绍介绍nGIOCIMSGIOCIMS的应用的应用 n总结总结45清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE总结总结nGIOCIMS最大特点是图形化建模，使用者只面对实际工业流程，面最大特点是图形化建模，使用者只面对实际工业流程，面对市场；其它工作交由后台
31、的数学模型专家、运筹学家、计算机学家对市场；其它工作交由后台的数学模型专家、运筹学家、计算机学家来完成。来完成。n GIOCIMSGIOCIMS网络版网络版实现了与其它信息系统的有机衔接，实现数据共享。实现了与其它信息系统的有机衔接，实现数据共享。nGIOCIMSGIOCIMS除了正常的生产计划优化外，还可以实现化工企业中间除了正常的生产计划优化外，还可以实现化工企业中间产品外购或自产，中间产品外销或深加工，工艺路线选择和装置负产品外购或自产，中间产品外销或深加工，工艺路线选择和装置负荷等多目标的优化。荷等多目标的优化。n多种参数的输入方式，使参数维护方式总有一款适合您。多种参数的输入方式，使
32、参数维护方式总有一款适合您。n很好的图形界面，使系统具有免维护性、任意扩展性。很好的图形界面，使系统具有免维护性、任意扩展性。nGIOCIMS是继炼油生产计划优化是继炼油生产计划优化GIOPIMS之后推出来一款化工生产之后推出来一款化工生产n 计划优化系统，具有完全独立的知识产权。计划优化系统，具有完全独立的知识产权。46清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE47清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE48清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Inst
33、itute of CPSE49清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE50清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE7.7.灵活的报表制作功能灵活的报表制作功能 GIOCIMS通过灵活制定Excel模版，并根据模版自动将优化结果形成报表。51清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE3.3.快速的模型生成求解快速的模型生成求解 GIOCIMS根据用户绘制的流程图和相应数据，自动生成生产计划优化的MINLP模型，提供给求解模块进行迭代求解并返回最优解。对于一般的化工企业，整个过程不超过1秒。52清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE5.5.多种的优化结果分析功能多种的优化结果分析功能 GIOCIMS提供经济效益分析、灵敏度分析和多方案对比分析等功能，便于对优化方案进行参数调整和优中选优。1）经济效益分析）经济效益分析 53清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE2）灵敏度分析）灵敏度分析54清 华 大 学 化 工 系 过 程 系 统 工 程 研 究 所 Institute of CPSE
