西门子模块6ES7221-1EF22-0XA0销售

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3 企业资源计划层中的

    在ERP层中，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，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，该层的模型不仅包括MES层中的生产流程模型，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，来优计划决策。除了优化决策之外，有些计划优化软件还有一定的功能，通过得到的生产数据，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

    (2)ERP应用软件的培训系统  此时，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 在ERP培训系统中的应用

    (3)对企业供应链的  流程企业供应链包括居于供应链的流程制造企业，以及企业的原料供应商和产品用户，用的方法研究供应链问题可以进行接近实际的设，在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，通常用离散事件软件对供应链系统进行。常用的离散事件软件有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

4 三层集成

    综上所述，计算机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技术的需求。然而上述各类只针对本层次的应用目标，这种系统的立性造成了各层次间的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。

    这种集成平台在离散制造领域出现。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，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模型，并且在虚拟工厂中引用了“模块”的概念，不仅建立起各层次的信息交互，也集成了企业功能视图中的各项功能，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提供了一个开放的环境，该环境集成了PCS层、MES层和ERP层的各种应用软件，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三层应用的平台。该平台借鉴了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模型(如图13)，形成分层次的企业生产。智能工厂中的实时数据库和关系数据库作为企业信息平台的载体，充当了“模块”的角色。如图14所示，时，企业生产各层次问的模型通过数据库进行信息交互，同时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平台对应的层次，从而实现企业功能。智能工厂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、测试和培训提供平台。

0 引 言

    面对激烈的商业竞争，流程工业企业纷纷通过提高产品质量、降低运营成本和缩短交货期等手段来提升自己的竞争力。在这个过程中，计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System，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(Computer Integrated Manufacturing Open System Archltecture，CIM-OSA)、普渡大学的普渡企业参考体系结构(Purdue Enterprise Reference Archltecture，PERA)，以及美国制造研究(Advanced Manufacturing Rebbbbbb，AMR)的企业资源规划(Enterprise Resource Planning，ERP)／制造执行系统(Manufacturing Executive System，MES)／过程控制系统(Process Control system，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 Logic controllcr，PLC)、集散控制系统(Dlstributed Control system，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、传递和加工处理；ERP层主要根据企业的人、财、物的总结状况和产、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，技术发挥了的作用。

    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的一门技术，而计算机技术的不断发展，是推动了技术的广泛应用。现在，企业迫切需要通过技术来提高自身的竞争能力，能否有效应用，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的需求各不相同，并使得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应用，以及ERP／MES／PCS一层集成技术进行总结和综述，指出流程r业应用的发展方向。

1 过程控制系统层中的

    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。根据状态的不同，PCS层的流程可分为稳态和动态。

    1.1 稳态

    稳态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，所以稳态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，为动态提供初值和起始状态，同时还是过程综合和优化的基础。化工过程稳态的研究始于20世纪50年代，并于1958年由美国Kellogg公司推出个稳态软件——Flexible Flowsheeting，此后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。这类稳态应用对化工过程的动态具有一定的指导作用。

    触摸屏是连接人和机器的人机界面(Human Machine Interface简称HMI)。通过相应组态软件设计，可对工件感应淬火参数进行现场实时填表式设置，实现工件感应淬火的通用性。应用HMI替代传统控制面板、键盘及显示器，可对感应淬火装备实现智能化可视操作及实时、历史信息监控，从而实现系统操作控制的自动化。

1 通用感应淬火装备控制系统组成设计

    利用触摸屏HMI，结合可编程序控制器PLC(Programmable Imgic Controller)，配套相应组态软件设计，通过传感与通信，可实现参数现场填表式设定，实时曲线、动画与历史数据再现，将操作显示集为一体，从而实现工业控制自动化。其组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

    在控制系统中，触摸屏HMI与PLC构成系统的上位机与下位机。通过HMI填表式参数设定，将运行参数写入PLC的存储区域进行运算处理。PLC对现场数据的实时采集与处理，以“变量”方式实现运算处理单元与机械设备或过程之间的通信，并根据需要地把机械设备动作或过程参数映射在运算处理单元上，完成对整个系统自动控制。

    应用HMI技术的通用感应淬火自动控制系统主要由可编程序控制器，HMI触摸屏、配套的组态软件、以及相应的传感器、通信接口等组成。其系统原理图如图2所示。

图2 系统原理图

    触摸屏(HMI)承担感应淬火工艺流程监控、即时填表式参数输入、实时淬火数据及状态显示、生产管理、发布生产操作命令、资料存储、打印等作用。PLC的功能是现场信息，通过通信及时向HMI传送各类实时感应淬火状态和数据，并通过HMI以直观形象的曲线和动画形式实现实时显示，并根据程序运行结果，通过HMI触摸屏发布指令控制设备操作，实现感应淬火装备的通用性与自动化。

    组态软件设计形成不同功能的HMI界面。通过HMI对需要调试的10余个工艺参数(电压、电流、加热功率、加热时间、扫描速度、旋转速度等)进行即时填表式触摸设定。通过PLC现场采集电流、电压进行能量分析计算，对功率密度、温度等实施现场组态监控，实现感应加热和冷却过程温度梯度的优化控制及能量监控，好地解决各类工件感应淬火中淬硬层不连续的问题。缩短特殊工件工艺调试周期，并保证批量工件淬火质量的一致性。

2 通用感应淬火装备控制系统软件设计

    根据通用感应淬火自动控制的要求，选用性价比较高的HMI(触摸屏)、PLC及相应组态软件。通过调用组态元器件、启用配方及运用宏指令功能，设计感应淬火通用性、自动化的HMI界面。结合PLC软件程序设计，完成通用感应淬火的自动控制。

2.1 即时填表式参数设定实现系统的通用

    启动配方、调用组态按钮及数值输入，设计工艺管理即时填表式参数设定界面，实现系统的通用，如图3所示。

图3 填表式操作界面

    将触摸屏一部分内存划分为若干个等量存储空间区域，每个区域形成相应的立配方，一个配方对应于一个工件，所有的工件具有对应的编号。每一配方由二维表格构成，根据工件感应淬火工艺要求设定11个参数，构成表格的列；根据零件感应淬火不同工艺区段的个数，形成表格的行。在HMI界面上，输入需感应淬火的工件编号，对应其相应配方，可触摸实现现场即时填表式参数设定和修改。执行过程中直接触摸设置的“下载”、“上载”键即可实现HMI-PLC，或PLC-HMI的工艺参数或存储。因此在同一个工件上，可自动实现同时淬火、连续扫描淬火、分段同时淬火、分段连续扫描淬火的工艺。多可构成千余种工件的淬火工艺存储，方便随时选择。

    利用填表式界面可对各种工件工艺参数进行触摸填表设置，操作简单方便。尤其在通用感应淬火工艺研究实验中，可以根据参数变化趋势及监控信息不断即时上百个工艺参数，在短工艺研究周期获得优化工艺参数，降低工艺试验成本，并提高感应淬火质量的一致性。

    如1.1节所述，稳态只是动态过程达到平稳状态时的简化处理，然而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，因此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，使用动态。动态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(Computer Aided Design，)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。但是这些动态软件通用性较差，直到80年代后期，才由美国Aspen Tech公司推出了的通用动态软件SPEED UP。20世纪90年代，动态软件得到了进一步发展，新的软件不断问世，其中应用为广泛的是加拿大Hyprotech公司的HYSIS、美国Aspen Tech公司的DYNAMICS等。此外，用于培训石化企业操作工人的培训系统也可视为一种动态软件，这类软件兴起于20世纪80年代，比较典型的培训系统有美国ABB Simcon公司的Simcon动态模拟器，*北京燕山石油化工有限公司培训也开发了相应的工艺操作培训软件，了良好的效果。

    利用动态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，使过程系统运行在状态。

    (2)过程系统的控制器设计  动态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)过程系统的分析和预测  对现有生产流程进行动态建模，运行动态，分析和预测过程系统的状况。

    (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

    在MES层，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，以支持这些软件好地实现其功能。这时的平台通常对企业的生产进行，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。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 平台与MES系统

    与应用于PCS层的有所不同，基于MES应用的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层的应用关注对装置的控制，因此需要细致地描述装置生产状态的变化情况：而MES层的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 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的，通过调度，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。如的商业调度软件Aspen Tech公司的Aspen Orion、Hyprotech与KBC公司的HYSIS．Rfinery都集成了调度、线性规划和系统等技术，巴西圣保罗大学开发的SIPP和希腊佩特雷大学开发的调度软件也都将调度和其他优化技术相结合，以实现调度指令的生成。

 输入按钮编号为key1—key5，如图3所示。其中key1为清零按钮，负责数码管显示清零，为设定取号做准备。在向PLC输入取号设定值时，如果每个位号直接对应一个输入点，则该PLC不能满足要求；采用3牟4矩阵式键盘式也将占用PLC的7个输入点，不能再满足其他输入要求。应用TRIZ理论的39个工程参数描述该问题时，改善的工程参数为32(自动化程度)，恶化的工程参数为33(操作流程的方便性)。查冲突问题解决矩阵，得到解决矛盾的发明原理：2(分离原理)、5(合并原理)、13(反向原理)和16(未达到或过的作用)。经过仔细分析，发现原理5(合并)对本文的借鉴意义较大。根据原理5，通过累加连续按key2的次数作为设定值，大大节省了PLC输入点；同时通过LED实时显示设定值的变化。设定取值后，按key3启动模拟取过程；key4为暂停按钮；key5为手动调节按钮，调节号复位回到取口，确立原点。

    3．3选控制的实现

    本文选控制采用L298驱动电机进行选，其外电路如图3所示。L298是高电压、大电流的全桥驱动芯片，可以用来驱动两个直流电动机、步进电动机和继电器线圈等感性负载。控制盘转动取时，判定运动方向。当判断为正向运动时，Y01置为“l”，INl接通高电平；Y00置为“O”，IN2接通低电平，则电机驱动盘正向运动，同时制动器松开。当判断反向运动时，Y01置为“0”，INl接通高低平；Y00置为“1”，IN2接通高电平，则电机驱动盘反向运动，同时制动器松开。当所选来到取口时，Y01和Y00同时置为“0”或“1”，IN1和IN2同时接通低电平或高电平，则电机停止运动，同时制动器抱闸，完成一次选过程。

    3．4显示系统的实现

    利用PLC控制直接驱动LED进行号显示时．占用较多的PLC输出点数。应用TRIZ理论的工程参数描述该问题时，改善的技为32(自动化程度)，通用性恶化的技术参数为36(系统的复杂性)。查询冲突问题解决矩阵，到解决矛盾的发明原理：15(动态化原理)、(24)中介物原理和10(预操作原理)。经过分析，借鉴原理24(中介物)本文数码管显示系统主要由施密特触发器的六反相器74LSl4、7段显示译码器74LS48译码器和7段共阴的数码管组成，如图3所示。其中74LS48的LT、RBI和BI／RBO端子接高电平，实现7段显示译码器基本功能的输入(ABCD)和输出(Ya—Yg)。输入的设定值通过PLC的Y2一Y5驱动74LSl4将信号输入74LS48，74LS48将输入信号译码后进行数码管显示。该系统借助中介译码芯器实现数码显示驱动，节省了PLC输出点，工作，廉。

    PLC控制系统实物装置如图4所示，在运用中效果良好，具有较高的推广。

图4 PLC控制装置实物图

4 结束语

    TRIZ理论是一种非常有效的程式化的设计方法，它帮助工程设计人员快速发现主要问题，有效地支持工程实际问题的解决。本文在设计基于力扬EXlnl4MT型PLC的库自动选控制系统中应用TRIZ理论，通过用丁程参数描述问题对象，分别借鉴合并原理和中介物原理，有效实现了取号设定值输入系统和数码管系统的设计。该方案大大节省PLC输入点和输出点，工作，廉，在生产实践中证明是有效的。