浅析聚丙烯多牌号生产调度模型的建立方法

摘要：目前生产调度越来越受到众多生产单位的重视，有效的生产调度能够合理分配任务，减低生产成本，提高企业竞争能力。文章在介绍国内外聚丙烯工业现状的基础上，介绍了生产调度相关研究方法，并分析了基于供应链的聚丙烯多牌号生产调度模型。

关键词：聚丙烯；多牌号切换生产调度模型；生产调度

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）08-0032-02

生产调度问题已经越来越引起企业界的重视。随着全球经济一体化趋势的加剧，企业之间的竞争将日趋激烈，越来越多的企业认识到要想在激烈的市场竞争中生存，就必须对市场的变化做出快速反应。聚丙烯产品总计100多个牌号，我国大型聚丙烯装置只能生产几种至十几种牌号，根据市场需求，聚丙烯装置需要经常性地进行牌号切换，属于多牌号生产。然而切换过程产生的过渡料不属于任何一种牌号，是最低档的混合物产品或是废品。按我国目前的情况，牌号切换过渡时间过长，造成大量资源和能源的浪费。本文就聚丙烯多牌照生产调度进行相关理论技术分析。

一、聚丙烯工业现状及工艺进展

聚丙烯，是以丙烯单体为主聚合而成的一种合成树脂，是聚烯烃家族中的重要成员之一。根据高分子链立体结构的不同，聚丙烯可分为三个品种等规聚丙烯（IPP）、旬规聚丙烯（SPP）和无规聚丙烯（APP）。从市场需求分析，尽管我国的聚丙烯生产工业取得了迅猛发展，生产能力和产量大幅度增长，但在数量、质量以及品种方面仍不能满足国民经济的高速发展。近年来我国的工业虽然发展很快，但还是要从许多国家或地区进口产品，我国对的PP需求将和世界需求趋势一样呈现高速增长，世界平均年增幅为5.3%，但PP的生产将受到丙烯原料来源的制约，因此PP的消费前景将会是供不应求。

自丙烯聚合实现工业化以来，聚丙烯的工艺技术发展很快，目前已有几十种技术路线。按聚合类型分类，聚丙烯的生产工艺技术主要有四种溶液聚合法、溶剂聚合法、液相本体聚合法和气相本体聚合法按聚合后处理工序分类，可分为三类，即最原始的聚丙烯生产工艺，称为第一代工艺第二代工艺省去了脱灰工序第三代工艺革除了脱灰和脱无规物工艺。全球有40多个国家的100多家公司生产聚丙烯，所采用的工艺技术主要有：Himont公司液相、气相组合式聚丙烯工艺；Amoco公司气相聚丙烯工艺；三井油化公司的Hypol工艺；BASF公司的Novolen气相工艺；UCC/Shell公司的Unipol气相工艺；Philips公司的气相工艺公司液相法聚。

二、聚丙烯多牌号生产

聚丙烯连续生产过程的牌号切换研究是伴随着柔性生产模式的需求而产生的，由于牌号切换问题的复杂性以及化工和计算机技术的限制，该领域的研究起步较晚，但前景广阔。目前对聚丙烯稳定生产阶段，国内外大多采用工作点附近的近似线性系统或PID控制，但牌号切换和多牌号生产是工作点的转换过程，无法作类似的近似。因此，需要采用先进控制策略实现切换过程的优化，例如Honeywell公司通过应用先进的牌号切换控制策略，已将不同牌号切换的平均过渡时间成功地缩短到5小时以内，为欧美发达国家的相关聚丙烯企业带来了显著的经济效益。对聚丙烯多牌号生产供应链过程进行研究目前来说仍然处于初级研究阶段，值得关注包括建模方面，即将机理建模和经验建模两者结合起来，采用兼有两者的优点的半经验半机理模型应是今后理想的多牌号生产建模发展的方向之一；还有优化方面，即通过分解多牌号生产为连续过程和离散事件方式，避免使用混合整数规划，提高优化运算速度；另外就是控制方面，即将各种先进控制策略和智能控制结合起来，弥补各自的缺陷，以提高控制效果。

生产调度是在一定的时间内，进行可用共享资源的分配和加工任务的排序，以满足某个或某些特定的生产指标。生产调度主要涉及生产作业的具体安排和资源的详细分配。生产调度问题的研究方法最初集中在数学规划、仿真调度和简单的规则上，这些方法只适用于求解中小规模的生产调度问题，对于大规模调度问题的求解效果不好。随着各种新的相关学科与优化技术的建立和发展，在调度领域出现了许多新的优化方法。近年来，模拟退火算法、神经网络算法、几搜索法和进化算法等依据自然法则具有智能因素的搜索算法在求解调度优化问题中得到了相当广泛的研究和应用，在解决诸多难的调度优化问题上显示出了较好的特性，取得了比传统方法好的结果。

三、基于供应链的聚丙烯多牌号生产调度分析

（一）问题描述

基于供应链的调度优化是指在有约束条件或资源有限的情况下找出系统的最佳决策方案，其目的在于追求整个供应链的效率。传统聚丙烯生产过程缺乏柔性，不能达到生长过程全面优化从而导致生产过程稳定性差。针对工艺环节上的内在缺陷，将工艺过程设计和生产计划调度集成，通过信息销售、市场、生产、供应和研发数据之间的广泛交换来指导操作过程。另外，分析工厂原材料和能量的平衡数据，并采用参数估计技术估测不可测量变量。基于计划、调度安排、优化、控制的多牌号生产计划集成模。生产过程的调度包括供料时序安排和产品牌号切换规则。目前的那些多牌号产品的生产调度通常都是按照一种事先设定的安排表来进行的，而这个安排表通常以生产上的方便性和易操作性为确定规则。然而，在目前在市场行情变化日益快速的情况下，原有的这种生产调度模式已经不再那么有效。一个能够以最快速度对市场变化情况做出反应的生产调度策略需要将生产对象的有利潜在因素和约束条件考虑进去，需要一个有效的策略尽量降低所需的产品库存量，通过灵活的质量需求反馈策略和产品的生产投递周期使得顾客的需求最好最快地得到满足。

（二）模型建立

聚丙烯连续生产过程的生产管理决策问题，包括生产调度、对象的优化操作和任务控制，这些任务之间必须协调一致才能发挥出最高的效益。在考虑聚丙烯产品牌号个数有限的情况下建立系统的一个数学模型包括基本控制系统，这个模型包括了生产过程的一系列生产条件约束和产品牌号间的切换规律。在不考虑噪声和外界扰动的情况下建立起一个优化问题，通过求解该优化问题,可以获得具有某个给定产品牌号的最优生产操作过程。通过引入一系列的决策变量最终将所考虑的最优化生产调度问题转化为一个混合整数线性规划问题，即一个以累积增加值为目标函数，以库存约束、采购约束、牌号切换约束为约束条件的优化调度问题。

聚丙烯连续多牌号生产过程的模型是由准静态和动态过程的描述建立的。在考虑聚丙烯产品牌号个数有限的情况下建立系统的一个数学模型包括基本控制系统，这个模型包括了生产过程的一系列生产条件约束和产品牌号间的切换规律。在不考虑噪声和外界扰动的情况下建立起一个优化问题，通过求解该优化问题可以获得具有某个给定产品牌号的最优生产操作过程。在建立数学模型时，采用连续时间描述。当进行多牌号生产时，在需求驱动型的市场中，必须考虑销售行为对整个生产过程的影响，因此从生产管理最优化的角度引入企业订单利润的一决策变量。这里的产品牌号利润蕴涵着对该牌号产品未来销售情况的预测，同时引入一系列相关的决策变量。基于统一离散时间表达法，这里建立了聚丙烯单阶段多牌号连续生产过程的优化调度数学模型，模型表达为一个问题。统一离散时间表示法（UDM，Uniform time Discretization Model），是在离散时间表示的基础之上，把感兴趣的时间段分成许多等长度的时间段。任何类型的事件如每个任务的开始和结束，设备的转换和其他资源的转换等，只能在时间段的边界发生。把时间从1标记到H，这样开始和结束时间点分别为1和H+1。这种时间表示方法的优点是便于建模，它通过提供一些参考点定位所有竞争资源的操作。为了使感兴趣的时间段内可用的资源水平变化，或者一个任务在其处理时间内所需要的资源量的变化与时间段的边界一致，时间段的长度就需要足够的小。

对于这里的混合整数规划问题，模型的规模比较大，0-1变量也比较多，不能像线性规划那样求解，需要根据具体的模型特点选择适当的方法来求解，有些时候在求解过程中还需要人的参与。实际MILP调度优化模型一般可利用现有商业软件，如CPLEX（ILOG公司）、OSL（IBM公司）、XPRESS（Dash Associate）等进行求解。题的求解相对复杂得多，不同非线性问题求解速度及解是否收敛差别很大，非凸的问题求解要得到全局最优解必须得到NLP松弛模型的全局最优解，否则得到的很可能是局部最优解而非全局最优解。

四、结语

本文从聚丙烯生产过程的工艺特点出发，介绍了聚丙烯生产过程工艺流程，在此基础之上，基于供应链的聚丙烯多牌号生产调度分析，相关技术得以分析，对新兴的石化企业提高经济效益、节能降耗、充分利用资源等有积极意义。

参考文献

[1]郑德成．聚丙烯装置用氢优化及改造措施[J]．中外能源，2009，（1）．

[2]杜新胜，吕锋．聚丙烯研究与进展[J]．化工中间体，2008，（12）．

作者简介：张业孟（1981－），女，安徽六安人，供职于大港油田石油化工公司聚丙烯厂，研究方向：聚丙烯工艺。