西门子6ES7241-1AA22-0XA0产品信息
面对全球激烈的商业竞争，流程工业企业纷纷通过**产品质量、降低运营成本和缩短交货期等手段来**自己的竞争力。在这个过程中，计算机集成制造系统(ComputerIntegrated ManufacturingSystem，CIMS)受到高度重视，不少学术机构对此进行了研究，并提出了不同的CIMS体系结构，比较典型的有：欧共体EsPRIT的计算机集成制造开放系统体系结构(ComputerIntegrated Manufacturing Open SystemArchltecture，CIM-OSA)、普渡大学的普渡企业参考体系结构(Purdue Enterprise ReferenceArchltecture，PERA)，以及美国先进制造研究中心(Advanced ManufacturingRebbbbbb，AMR)的企业资源规划(Enterprise ResourcePlanning，ERP)／制造执行系统(Manufacturing ExecutiveSystem，MES)／过程控制系统(Process Controlsystem，PCS)三层企业集成体系结构(如图1)。其中，AMR的三层企业集成体系结构已成为当今西方先进工业国家流程工业综合自动化系统理论和产品的主流框架，并在实际应用中取得了显著的效益。
图1 三层体系结构示意图
在ERP／MES／PCS三层企业集成体系结构中，PCS层通过可编程逻辑控制器(Programmable Logiccontrollcr，PLC)、DCS/'target='bbbbbb'>集散控制系统(Dlstributed Controlsystem，DCS)或现场总线控制系统，负责对生产设备进行自动控制，对生产过程实时监控；MES层通过生产调度、生产统计、成本控制、物料平衡和能源管理等应用系统来组织生产，并对PCS层和ERP层的信息进行采集、传递和加工处理；ERP层主要根据企业的人、财、物的状况和产、供、销各环节的信息，对生产进行合理有效的计划和组织，使生产经营协调有序进行，并对企业战略计划进行决策。在对上述各层次应用的研究中，仿真技术发挥了巨大的作用。
事实上，随着现代流程工业日趋大型化、复杂化和自动化，系统的模型化与仿真已成为过程系统工程领域的重要研究内容，并成为进行设备参数设定、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不可或缺的一门技术，而计算机技术的不断发展，更是推动了仿真技术的广泛应用。现在，企业迫切需要通过仿真技术来**自身的竞争能力，能否有效应用仿真，将成为决定企业成败的关键因素之一。
从AMR对各层次的定义可以看出，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。本文以ERP／MES／PCS三层企业集成体系结构为基础，对典型的流程工业企业——石化生产企业在这三个层次中的仿真应用，以及ERP／MES／PCS一层集成仿真技术进行和综述，指出流程r业仿真应用的发展方向。
1过程控制系统层中的仿真
PCS层主望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。根据仿真状态的不同，PCS层的流程仿真可分为稳态仿真和动态仿真。
1.1稳态仿真
稳态仿真描述的过程对象不包括时间参数，过程中的各因素不随时间而改变，稳态仿真只是动态过程达到平稳状态时的简化处理，它通过一系列物热衡算，为动态仿真提供初值和起始状态，还是过程综合和优化的基础。化工过程稳态仿真的研究始于20世纪50年代，并于1958年由美国Kellogg公司推出个稳态仿真软件——FlexibleFlowsheeting，此后仿真软件的发展历经三代(部分代表软件如表1)，如今已广泛应用于石化企业的生产实际中。利用过程系统的稳态仿真主要解决以下三类问题：
(1)过程系统的模拟分析 如图2所示，对给定过程系统进行模拟求解，得到需要的系统状态变量，使得对该过程进行分析和验证成为可能。这类稳态仿真应用对化工过程的动态仿真具有一定的指导作用。
图2 过程系统的模型分析
(2)过程系统的设计 如图3所示，对某个或某些系统变量提出设计规定要求，通过调整某些决策变量使模拟结果满足设计规定要求。这类仿真主要用于新装置的设计、旧装置的改造和新工艺新流程的开发研究。
图3 过程系统的设计
(3)过程系统的参数优化 如图4所示，过程系统模型与优化模型联立求解，得到一组使工况目标函数佳的决策变量(优化变量)，以便实施佳工况。与过程系统的设计和改造不同，这里的优化不通过修改工艺或增加生产设备进行，而是通过调整工艺操作条件来实现。通常将稳态模拟软件和优化软件结合，对过程操作变量进行优化。
图4 过程系统的参数优化
1.2 动态仿真
如1.1节所述，稳态仿真只是动态过程达到平稳状态时的简化处理，化工稳态过程只是相对且暂时的，实际过程中总是存在各种各样的波动、干扰和条件的变化，化工过程的动态变化足必然的，如开停车、故障处理等。在研究这类动态问题时，必须使用动态仿真。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。
动态仿真软件的开发始于20世纪80年代，1969年加拿大McMaster大学成功开发了DYNSYS，应用于指导丁二烯抽提装置的开车。此后，美国Huston大学开发的PRODYC、杜邦公司开发的DYFLO、美国Michigan大学开发的DYSCO、日本科学家工程师协会与英国计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，CAD)中心联合开发的DPS、日本三井东亚化工公司开发的MODYS等，都在相应领域得到了成功的应用。这些动态仿真软件通用性较差，直到80年代后期，才由美国AspenTech公司推出了的通用动态仿真软件SPEEDUP。20世纪90年代，动态仿真软件得到了发展，新的仿真软件不断问世，其中应用为广泛的是加拿大Hyprotech公司的HYSIS、美国AspenTech公司的DYNAMICS等。用于培训石化企业操作工人的仿真培训系统也可视为一种动态仿真软件，这类仿真软件兴起于20世纪80年代，比较典型的仿真培训系统有美国ABBSimcon公司的Simcon动态模拟器，中石化集团北京燕山石油化工有限公司仿真培训中心也开发了相应的工艺操作仿真培训软件，取得了良好的效果。
利用动态仿真可以解决很多生产实际问题：
(1)过程系统的工艺设计 完成生产方案选择、生产参数确定等工艺设计问题，使过程系统运行在佳状态。
(2)过程系统的控制器设计 动态仿真软件接收控制器生成的控制量，得到被控对象动态模型实时的动态输出，根据该动态模型的输入输出关系，设计合理的控制器。
(3)过程系统的安全分析和预测 对现有生产流程进行动态建模，运行动态仿真，分析和预测过程系统的安全状况。
(4)操作人员技能培训 对操作员进行开车、停车、正常运行的操作技巧及处理紧急事故的能力训练；对仪表工程师进行仪表系统的调整、组态，仪表系统故障的分析和处理的训练；对工艺工程师进行工艺流程变量的分析、工艺参数的优化选择的训练。
2制造执行系统层中的仿真
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(如图5)，它接收并执行南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)。
图5 仿真平台与MES系统
与应用于PCS层的仿真有所不同，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。炼油厂调度软件SIPP系统中包含有调度仿真模块，其流程装置模型使用的都是简化的线性模型，这是由两者在应用目标上的不同造成的。PCS层的仿真应用更关注对装置的控制，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。
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(如图6)，浙江大学基于Matlab的仿真系统Inbbb-Sim已成功地应用于数据校正系统和公用工程管理系统的测试。
图6 仿真在MES应用软件测试或培训中的应用
(2)为生产调度优化提供仿真分析数据(如图7)，即“what-if”分析。事实上，炼油厂的凋度工具大多是基于调度仿真的，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，并为生成可行的优化的调度指令提供必要的数据。如的商业调度软件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，巴西圣保罗大学开发的SIPP和希腊佩特雷大学开发的原油调度软件也都将调度仿真和其他优化技术相结合，以实现调度指令的生成。
图7 仿真在调度软件中的应用
3企业资源计划层中的仿真
在ERP层中，仿真技术主要用于模拟ERP应用软件在生产制造企业的执行情况，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，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，如图8所示。
图8 供应链流程
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，目前使用为流行的商业计划优化软件有AspenTech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(如图9)，如PetroPlan。
图9 生产计划仿真
(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(如图10)，这在STT公司的Simulation与E-Learning白皮书中已被提及。
图10 仿真在ERP培训系统中的应用
(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eMPlanl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，如图11所示。
图11 供应链仿真
4三层集成仿真
计算机仿真在流程工业领域已得到了广泛的应用，在企业生产经营的发展中发挥了作用，从一定程度上满足了企业对仿真技术的需求。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，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。
这种仿真集成平台在离散制造领域出现。新加坡制造技术研究所的SanjayJain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，如图12所示，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、对三产单元、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，为产品的殴计、设备的安装和操作，以及企业的乍产经营管理提供了决策支持平台。
图12 制造企业立方模型
为了解决流程工业的企业综合自动化整体解决方案，Aspen，Tcch公司提出了AspenONE的概念。AspcnONE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。AspenONE不仪能进行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。
国内也已有类似的概念出现，浙江大学工业控制技术国家重点实验室正在研究和开发的流程工业智能工厂实验系统就是集成了ERP／MES／PCS三层仿真应用的仿真平台。该仿真平台借鉴了Sanjay的思路，对炼油企业生产设备进行分层，只足智能工厂仿真平台遵循的是ISA95中的企业设备分层模型。根据ISA95标准，智能工厂分别建立了工厂、区域、单元和单位四个层次的生产设备仿真模型(如图13)，形成分层次的企业生产仿真。智能工厂中的实时数据库和关系数据库作为企业信息仿真平台的载体，充当了“同步模块”的角色。如图14所示，仿真时，企业生产仿真各层次问的仿真模型通过数据库进行信息交互，ERP／MES／PCS系统从数据库读人生产信息，处理后再将控制信息以及计划与调度指令反馈至企业生产仿真平台对应的层次，从而实现企业功能仿真。智能工厂仿真平台能模拟石化企业各层次生产和经营状况的改变对整个企业的影响，不仅可以为企业生产经营提供决策支持，还能为先控软件、MES应用软件和ERP应用软件的研发、测试和培训提供仿真平台。
图13 智能工厂集成仿真平台中的企业生产仿真分层结构
图14 智能工厂集成仿真平台中的信息流
5三层集成仿真的难点
近年来，随着企业竞争的日趋激烈，集成仿真平台因其全方位的决策支持功能受到了越来越高的重视，而计算机技术和仿真技术的不断发展，也极大地推动了企业集成仿真技术的进步。在离散制造行业中，已经出现了这样的企业集成仿真平台，并得到了成功的应用，而在流程工业中，这方面的研究才刚刚起步。因为ERP／MES／PCS三层企业集成体系结构已成为流程工业综合自动化系统理论和产品的主流框架，基于这三层体系结构的集成仿真技术将成为流程工业集成仿真的研究重点，根据目前的研究情况，三层集成仿真技术的研究主要存在多分辨率建模、分布式集成仿真技术标准、集成仿真平台和可视化仿真等几个难点。
5.1多分辨率建模
由上可知，PCS，MES和ERP各层应用系统从企业的不同层次和不同角度来满足企业的需求，单层仿真巾的仿真模型仅仅是从某个层次和某个角度刘企业进行了抽象。为了在三层集成仿真平台中进行有效的PCS，MES和ERP各层应用系统的功能仿真，需要给出企业生产运营在不同层次和不同角度的描述，即为企业生产仿真进行多分辨率建模。
源于军事仿真领域的多分辨率建模理论是一种在不同分辨率或抽象层次上一致地描述同一系统、体系或过程的建模技术。分辨率是指在建模或仿真中，模型描述真实世界的准确度和详细程度，亦称粒度，用户可以按应用需求方便地选择不同粒度的模型。流程工业企业建模IEC／ISO62264和ANSI／ISA-95规范根据企业各级管理层粒度需求的不同，建立了流程工业企业的多层次模型，并定义了企业级业务系统与工厂车间级控制系统相集成时所使用的术语，以及MES系统应支持的生产作业活动，如图15所示。浙江大学控制技术国家重点实验室在此基础上构建了石化企业统一多分辨率物流模型框架，提出了准稳态物流模型分层建模策略，并给出了多分辨率物流模型的数学描述，实现了多分辨率物流模型的审用和统一建模。
图15 流程工业企业层次模型
对企业进行多分辨率建模需要结合不同层次仿真应用的建模方法，将不同分辨率的仿真模型集成到该仿真平台中，图13就是在多分辨率建模方法上建立的企业生产仿真的结构图。就计算复杂度而言，流程工业集成仿真的规模巨大，要在高分辨率下仿真企业所有的生产行为是不现实的，于是出现了半实物建模、动稳态混合建模等多分辨率建模技术。
多分辨率建模的一个难点是如何保证模型的一致性。不同于第1章～第3章中所述的仿真，集成仿真平台中各层次的仿真会影响到其他层次的仿真结果。如果各层次的模型不一致，就无法正确反映局部的生产变动对企业整体的影响。
5.2分布式集成仿真技术标准和集成仿真平台
关于集成仿真的研究难点又可分为以下三部分：
(1)集成仿真技术标准 为了协调各层次间的仿真，真实地模拟整个企业的运行状况，三层集成仿真平台需要在不同层次间进行信息交互，如何定义信息交互的内容和数据模型，成为建立集成仿真平台的关键。由美国仪表协会(theInstrumentation，Systems and Automatlonsociety，ISA)和美国国家标准学会(American National StandardsInstitute，ANSI)共同发起制定的ISA95标准，全面地定义了制造企业ERP／MES／PCS三层间信息交互的内容和数据模型，可以作为企业功能仿真中的信息交互所遵循的标准；由CAPE-OPEN(computer-aldedprocessengineering open simulationenvironment)项目组制定的CAPE-OPEN标准，则定义了生产装置模型间信息交互的内容和数据模型，可以作为企业生产仿真中装置模型的开发标准。而可扩展标记语言(eXtensibleMarkup Language，XML)、公共对象请求代理体系结构(Common bbbbbb Request BrokerArchitecture，CORBA)、高层体系结构(High LevelArchitecturc，HLA)等软件技术标准则为三层集成仿真平台的实现提供了先进的开发模式。怎样利用好这些已有的集成仿真技术标准，并提出更符合流程工业三层集成仿真的技术标准，将是未来研究所面临的难点问题。
(2)集成仿真平台 为了更好地发挥流程工业三层集成仿真系统的作用，该系统应由几个即插即用的、支持复杂系统协同建模与分布式仿真运行的仿真部件和一套集成的仿真工具组成。目前，基于HLA的分布式协同仿真平台已得到了广泛应用，特别是在军事领域和机械制造领域。HLA标准还被用于企业供应链管理仿真系统的开发，为企业的经营决策和生产调度系统提供服务。提出HLA的目的是**仿真组件的互操作性和可重用性，但这种可重用性仅仅局限在运行时间框架(RunTlmeInfrastructure，RTI)，极大地限制了HLA在更多领域中的应用。由于流程企业是非常复杂的系统，用面向对象的方法开发这类协同仿真系统费时费力，且重心性和鲁棒性差。使用基于仿真组件的软件体系结构，可大大**该协同仿真系统的开发速度、重用性和鲁棒性。结合流程工业三层集成仿真系统的特点，提出合理的基于仿真组件的软件体系结构，可以指导该类仿真系统的开发。
5.3可视化仿真
可视化的作用是在人机交互的情况下发挥人脑特有的形象思维功能。虚拟现实技术是实现可视化有效的方法，它综合应用各种技术制造出逼真度较高的模拟环境。一些的离散事件仿真系统都利用虚拟现实技术实现了可视化的交互集成仿真环境，如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eM-Plant等。虚拟现实技术已广泛应用于离散制造业的集成仿真平台，并发挥了出色的人机交互功能，帮助仿真做出更有效的企业生产经营决策。
在流程工业的三层集成仿真应用中，也有必要结合虚拟现实技术实现可视化仿真，为企业决策、员工培训等提供更好的平台。流程工业因其自身特点，对虚拟现实技术提出了不同的要求。流程工业三层集成仿真系统关注的不是生产工艺，而是装置间的物流关系、物**和物流属性等信息，虚拟现实需要通过合理的方法表现这訾物流信息；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。