化工过程现代集成系统关键技术研究

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1、-国家自然科学基金委员会化学科学部关于化学/化工学科前沿和“十五”优先资助领域的意见书化工过程现代集成系统关键技术的研究华南理工大学化工学院(执笔：钱宇)一.前言化学工程是研究物料以工业规模发生物理或化学状态变化的过程与装置的设计与操作的一门技术科学。作为化工类各学科的应用基础，化学工程的研究进展对石油加工、化工、轻工、材料加工、冶金等过程工业的发展将有重要作用。进入21世纪的化学工业应改变以往化工行业大量消耗资源和能源及污染环境的形象，将重点研究使过程工业优质、低耗、高效、经济和安全无公害地生产，为改善和提高人类生活质量提供

2、各种化学品。为此在继续研究各单元操作的三传一反过程的同时，更要针对化工生产日益大型化、集成化和复杂化而深入研究过程系统特性，如大型石化企业和多品种多牌号精细化工过程的整体综合特性，及对企业生存和发展至关重要的经营管理技术和生产运行全过程全生命周期的系统集成技术。二十世纪下半叶以来，科学技术发展的一个重要特征，是各个学科领域的相互渗透和相互支撑。过程系统工程作为化学工程中的一个新兴交叉子学科，是在系统工程、化学工程、过程控制、信息技术、计算机技术等学科发展的基础上萌生并发展起来的。一方面，它对化工流程中化学反应、分离过程、能量交

3、换过程等各单元子过程追求集成和优化，寻求最佳的技术经济目标；另一方面，它采用数学模拟和物理模拟相结合的方法，从信息、任务、和方法等多种角度的集成对过程系统进行最优设计，实施最优操作、最优控制，实现过程系统的综合整体优化。近十年来，现代信息技术(特别是网络技术)的飞跃发展，使人们能在数秒之间完成与世界上任何地方的通信，从而使地球变“小”了许多。这样便导致世界市场的形成，并带来激烈的市场竞争：产品的生命周期越来越短；用户对产品质量、品种和价格的要求越来越高。每个企业都面临着求生存、争发展的严峻考验。同时，日趋严峻的资源、环境及安全

4、等方面的约束，要求过程工业企业必须利用先进的信息、控制与系统技术，改善生产和管理。在这种情况下，九十年代初借鉴于在机械、电子等制造行业得到蓬勃发展的CIMS概念，对于流程工业提出了CIPS(ComputerIntegratedProcessSystem)概念[1]。其目的是采用计算机技术、通讯技术、自动化技术以及有关生产技术，建立全企业或全厂的包括经营决策、管理信息、生产调度、监督控制和直接控制在内的管理及控制全部生产活动的综合系统，从而达到提高企业经济效益和竞争能力的.---目的；其核心是“集成”，即通过多种技术的综合，从而

5、达到全企业或全厂的信息集成、任务集成、工具(或方法)集成和人机的协同工作。在国内，近年来CIPS已经开始起步。据报道，中国石化总公司在齐鲁石化炼油厂、辽化化纤厂、茂明乙烯工业公司、福建炼油厂等进行CIPS试点，在信息集成方面已取得了初步经验。在理论研究方面，近几年有不少关于CIPS的探索性文献[2~3]，提出了过程工业CIPS的体系结构。该功能结构模型体现了递阶控制的思想和多层跨平台概念，各功能层次所涉及的内容、范围不同，因而实现的系统平台也不相同。二.化工过程现代集成系统近年来随着敏捷制造(AgileManufacture

6、)、并行工程(ConcurrentEngineering)、精良生产(LeanProduction)、人件(Humanware)、生命周期(LifeCycles)、企业再造(Reengineering)等一系列新的概念、技术或方案的提出，使集成制造的思想得到了进一步丰富和发展。并行工程，是在信息集成的基础上实现过程的重构、集成和优化，即过程集成。并行工程是一种系统工程的方法，将产品的设计过程、制造过程及各种支持过程集成起来，并行地协调处理。从一开始就能考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期的所有因素，其目标是提高整个制造过程(

7、从设计、工艺、制造到服务)的质量，降低产品生命周期费用，缩短产品研究开发周期。对于流程工业来说针对不同的角度同时存在三个生命周期[4]：从工厂及其设备的角度看其生命周期经历了设计、安装、运行和废弃几个阶段；从生产过程的角度看其生命周期经历了开车、稳定运行和停车几个阶段；从经营管理的角度看其生命周期经历了市场分析、产品设计、过程设计、设备选型、购买和安装、运行和维护几个阶段。对于流程工业这样一个存在多生命周期的复杂过程，要实施并行工程有相当的难度。其关键的技术在于两点：(1)如何建立一个贯穿整个生命周期的产品数据模型以便于处于不

8、同生命周期阶段的开发人员进行信息共享和交换；(2)以及如何建立一种信息并行协调处理的机制。敏捷制造即企业集成，其基本思想是通过动态灵活的企业联盟、先进的柔性生产技术和高素质的人员的全面集成，使企业快速响应市场变化，获取长期的经济效益。敏捷制造的特征之一就是多企业在信息集成的基