现代化工企业生产计划图形建模优化系统

现代化工企业生产计划图形建模优化系统背景介绍如何建模？模型参数的维护和跟踪？不可行解的分析诊断WEBGIOCIMS介绍GIOCIMS的应用

总结2

ProcessSystemsEngineering:MoleculartoEnterpriseLevel(Marquardtetal,1998)背景介绍310C03SystemsEngineeringApproachesinBiology

(12)

10C02Planning,Scheduling,andSupplyChainOptimization

(25)

10B02ProcessModelingandIdentification

(19)

10B08ProcessMonitoringandFaultDetection

(18)

10C01AdvancesinOptimization(13)

10A02ProcessDesign

(15)

10A04Design,AnalysisandOperationsunderUncertainty(14)

10D02AdvancesinComputationalMethodsandNumericalAnalysis

(15)10D04AppliedMathematicsinBioengineering

(13)

#PaperssubmittedtoComputers&SystemsTechnologyDivision2006AnnualMeetingSanFrancisco4Planningandscheduling

Motivation Majorcomponentsprocessoperations Greatdemandfromindustry

Goal:Enterprise-wideOptimization

Basicquestions

Howtomodeltheseproblems? Howtooptimizeacrosstimeandlengthscales? Howtoeffectivelyhandlelarge-scaleproblems? Howtohandletheeffectofuncertainties?

Keys:

discretelinear/nonlinearoptimizationtechniquesstochasticprogramming5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。国内自己的软件占的比例还很少，“集成创新和引进、消化、吸收、再创新”还有很大的空间。6背景介绍

对于国内化工企业生产计划优化的研究和应用还很少。

化工企业优化空间巨大，这是由于:物料来源多样，工艺路线灵活，产品等级多样，原料、产品的价格、需求变化频繁，装置负荷有充分优化余地。7背景介绍中间物料走向示意图8化工过程的特点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根据多年来炼油生产计划的实践，结合化工生产的特点，化工生产计划优化软件系统要解决的难点：如何建模？模型如何方便维护？模型参数如何跟踪？与其它信息系统的数据共享？不可行解的分析诊断？10背景介绍如何建模？模型参数的维护和跟踪？不可行解的分析诊断WEBGIOCIMS介绍GIOCIMS的应用

总结11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销售收入原料费用如何建模？——有三种方法目标函数Maxobj=761.95*S25+2850.20*S27+2892.01*S28+1291.45*S29;方法之一直接书写数学方程12约束方程装置物料平衡;装置物料平衡约束+0.9950*S23+0.9950*S24-1.0000*S25-1.0000*S26-1.0000*S27-1.0000*S28-1.0000*S29-1.0000*S30=0.0000;装置上下限约束;装置上下限约束+1.0000*S23+1.0000*S24<=27.0000;以及一系列侧线产品收率的上下限约束干气收率上下限;-0.0380*S23-0.0380*S24+1.0000*S25=0.0000;液态烃收率上下限;-0.1570*S23-0.1570*S24+1.0000*S26=0.0000;汽油收率上下限;-0.4200*S23-0.4200*S24+1.0000*S27=0.0000;13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;固定比例上下限;-0.3900*S23+0.6100*S24=0.0000;14方法之二填写一系列EXCEL表格15方法之三完全图形化，建立流程模型16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;－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172）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；18E.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背景介绍如何建模？模型参数的维护和跟踪？不可行解的分析诊断WEBGIOCIMS介绍GIOCIMS的应用

总结21模型参数的维护1）图形界面上录入点击流线，在流线信息窗口中输入或修改流线信息窗口222)相同属性的数据集中输入233)从Excel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。244)GIOCIMS通过Oracle数据库获取数据：从而实现与其它系统如MES(ManufacturingExecutionSystem)和ERP(EnterpriseResourcePlanning)系统等集成，共享数据。25模型参数跟踪——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背景介绍如何建模？模型参数的维护和跟踪？不可行解的分析诊断WEBGIOCIMS介绍GIOCIMS的应用

总结27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282)按优先级给出诊断报告29背景介绍如何建模？模型参数的维护和跟踪？不可行解的分析诊断WEBGIOCIMS介绍GIOCIMS的应用

总结30WEBGIOCIMS作用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ERP、MES系统，WEBGIOCIMS系统的建立可以实现与ERP、MES系统的数据互相共享。随着GIOCIMS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优化方案的集中保存和共享。公司领导和其他人员可以在本地没有安装GIOCIMS的情况下，通过网络浏览生产计划优化方案的基本信息。31WEBGIOCIMS介绍WEBGIOCIMS登录界面32WEBGIOCIMS介绍WEBGIOCIMS功能导航33WEBGIOCIMS介绍方案基本信息浏览34WEBGIOCIMS介绍方案导出报表浏览35WEBGIOCIMS介绍MES数据录入36WEBGIOCIMS介绍ERP数据录入37WEBGIOCIMS介绍从Excel导入数据38WEBGIOCIMS介绍用户信息39WEBGIOCIMS介绍日志管理40背景介绍如何建模？模型参数的维护和跟踪？不可行解的分析诊断WEBGIOCIMS介绍GIOCIMS的应用

总结41GIOCIMS的应用中石化巴陵分公司主要生产己内酰胺、锦纶6切片、尿素等化工、化纤和化肥产品；包括合成氨、己内酰胺、聚合等主要生产装置。利用GIOCIMS系统建立了巴陵分公司生产计划优化的基础模型，并对3、4和7月份生产计划进行模拟。GIOCIMS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、工艺路线选择和装置负荷等多目标的优化。42GIOCIMS的应用采用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；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：比较项目不含税价(元/吨)原计划/吨新计划/吨金额变化/万元原料油外购量4273.52118.601782.00-143.85液氨外购量2051.281935.691485.69-92.31原料煤外购量440.1722580.2422886.7513.49石灰石外购量128.21727.16737.030.13甲醇采购量2222.2295.1596.140.22合计-222.3243GIOCIMS的应用比较项目加工费/(元/吨)原计划

/吨新计划/吨金额变化/万元粗合成气产量349.5535969.5736457.8117.07合成氢气产量1456.243287.753332.386.50液氨产量14.0617100.0017550.000.63制氢氢气产量7698.32963.00810.00-117.78合计-93.59新计划比原计划优化了液氨的自产量和外购量分配，同时优化了合成氢和制氢两套装置的负荷水平；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93.59万元，总利润增加315.91万元，优化效益显著。新计划和原计划中间产品产量比较44背景介绍如何建模？模型参数的维护和跟踪？不可行解的分析诊断WE