智能化生產技術是制造業不斷吸收機械、電氣、電子、信息(計算機、網絡、通信、控制論、人工智能等)、能源及現代系統管理等領域的成果，并將其綜合運用于產品研發、設計、制造、檢測、銷售、使用、服務乃至回收的全過程，以實現優質、高效、低耗、清潔、敏捷、柔性生產，提高對市場動態多變的適應能力和競爭能力的制造技術的總稱。

    本文作者綜述化工智能化生產技術及其在化學工業中的應用與進展。

1 儀表與自動化系統的數字化

    儀表與自動化系統經歷了氣動儀表(PCS，即第一代過程控制系統)、基于電動儀表(0～10mA、4～20mA模擬電流信號)的電動單元組合式模擬儀表控制系統(ACS，即第二代過程控制系統" title="過程控制系統" target="_blank">過程控制系統)、基于計算機的直接數字控制和監督計算機控制或計算機控制系統(即DDC、SCC、CCS，第三代過程控制系統)和基于微處理器的分布式控制系統(DCS，即第四代過程控制系統)后，又發展到了第五代過程控制系統。

    第四代DCS產品的主要標志是集成，其覆蓋現場儀表層、控制裝置單元層、工廠層和企業層4個層次。而前三代只覆蓋前三層，第四代則已成為過程控制和信息管理的綜合信息平臺。其功能包括過程控制、PLC、RTU(遠程采集發送器)、FCS、多回路調節器、智能采集和控制單元等功能集成以及組態軟件、I/O組件、PLC單元等產品集成，還包容過程控制、邏輯控制、批處理控制，并實現混合控制。

    1980年后出現的基于現場總線技術(Fieldbus)的現場總線控制系統(FCS)即第五代過程控制系統。目前正在發展過程中，其標準尚未統一，總體上是DCS、PLC、FCS三者的結合。

    今后的發展趨勢是發展智能儀表和現場總線技術，自動化儀表與裝置正在跨入真正的數字化、網絡化和智能化時代。其技術發展的主流則是測量信息數字化、檢測儀表智能化和現場控制與過程管理一體化。21世紀頭10年的熱點是傳感、執行與通信。儀器儀表不僅僅是工業時代的測量“工具”，而且是當今信息時代的信息源頭。近10年內，傳感器的數量將增加幾十倍，自動化系統中的非控制變量信息比例也將成倍增加，將利用固體物理特性產生的敏感機理開發成物理、化學、生物等敏感元件或傳感器，使傳感器技術向微型化、高精度、低能耗、智能化、集成化發展。信號無線傳輸、過程遠程無線監控以及非接觸式控制器也是方向。微型傳感器和組分模型在分子級對物理化學過程進行跟蹤和控制，而且是從原料的進廠到產品的出廠確保實現潛在的最大價值。微型智能傳感器在線實時實現化驗分析。由于內嵌智能傳感器，材料和設備也是智能的，可在線連續測量溫度、壓力、應力、應變、振動、位移等參數，及時預測預報潛在的損壞部位，并有自診斷、自修復功能，在出現事故前維修完畢。

    化工測量分析也將成為現場基礎技術，成倍或幾十倍地提高測量分析的分辨率和靈敏度，分析周期將縮短到十至幾十分之一，普遍采用如核磁共振(NMR)、微波(Microware)、近紅外光譜(NIR)分析技術，實現分子級的實時、在線、多指標、多功能、多用途的化驗分析。傳統的質量化驗分析室將由實時、在線、連續的產品質量、成分分析系統取代，最大限度地改善過程控制和環境監測質量。

    動態的信息網絡將在石油化工廠運行。成千上萬的傳感器通過網絡直接、實時傳送全廠的數據和圖像信息，并為嚴格、實時的優化模型提供數據；還與組分模型結合，在分子級描述過程的變化，預測產品組成，實現全廠的實時連續優化。先進控制將普及到全裝置、全廠范圍。依靠過程信息進行統計診斷、過程統計控制，將是高度自動化的關鍵。建立監測數據庫，只有首次出現的事故，才需要專家處理。在線監測可實現提前6個月的故障診斷和智能預報警。建立過程模型，進行靜態和動態模擬，模擬速度將比現在提高幾十倍或幾百倍，一天足以模擬全廠的所有裝置和單元。

    PLC、SCADA、DCS 控制系統、現場總線、工業以太網的發展趨勢呈現以下特點：

    (1)系統功能從低層(現場控制層)逐步向高層(監督控制、生產調度管理)擴展。

    (2)控制功能由單一的回路控制，逐步向綜合的邏輯控制、順序控制、程序控制、批量控制、配方控制、混合控制以及先進控制發展。

    (3)系統構成部件由DCS廠家專有的產品變為開放的市場采購產品。

    (4)技術標準逐漸走向開放、統一、集成。

    (5)由于開放性推進產品的趨同性，迫使DCS廠商向高層、與生產工藝結合緊密的高級控制功能發展，以求得短時間的差異性。

    (6)數字化向現場儀表裝置延伸，導致DCS體系結構和現場功能數字化、智能化、分散化。

    (7)標準的串行總線(以太網及其之上的TCP/IP協議、Porfibus、Modbus等)已成為DCS等工業控制系統中車間一級控制器廣泛采用的標準通信網絡和協議，但不可能取代底層的現場總線。

    (8)生產區域現場控制裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行和多點通信的數據總線稱為現場總線(FieldBus)。現場總線技術在20世紀70年代末出現，90年代成為熱點，是從模擬儀表到數字計算機的現場信號傳輸標準，真正解決了從儀表到計算機的換代問題，促進了儀表信息處理的現場化，形成了全數字化(變量單元和執行單元)、信息化和集成化的新一代DCS。現場總線技術將使現在的模擬與數字混合的、分散控制系統(DCS)更新換代為全數字式的徹底分散的現場總線控制系統(FCS)，真正做到危險分散、控制分散、信息集中和監控集中。

    (9)新一代即第四代DCS有過程知識系統、工廠資源管理系統，例如ABB的Industrial IT系統和HOLLiAS的國產HOLLiAS-Macs系統等，主要特征是集成和信息化，實現全廠實時控制以及PCS、MES和ERP 層的信息集成；混合控制系統：包容PLC、RTU、FCS等，進一步分散化；I/O處理單元小型化、智能化、低成本；平臺(組態軟件平臺、人機界面平臺、現場控制組件、I/O組件等)開放與應用專業化；提供了豐富的設備診斷、維修和管理功能。新一代DCS不僅是綜合控制系統，而且是集成化的綜合控制與信息管理系統。

    (10)PLC是一種產品形態的、可獨立運行的、執行直接控制功能的控制器系統。早期以邏輯控制為主。其小型PLC的I/O總數較少，約數十點；中型則由主機架和擴展機架組成，I/O總數則達500點左右；大型PLC系統由多臺PLC和高速網絡構成，可實現數千個I/O點的強大控制功能。PLC再與第三方人機界面和組態軟件配合，可組成完整的監督控制系統。

    另外，早期的SCADA系統只是針對遠程測量和監控，近年來的SCADA 則基于廣域網和互聯網，而且不局限于遠程遙測遙控，而泛指以監督控制為主的各種計算機系統，其組成可以是PLC設備，也可以是DCS，或者是專用的SCADA產品。

2 生產經營管理與生產過程控制的集成化或一體化

    MES屬于企業管理應用軟件的范圍，起源于離散工業，又擴展到流程工業。DCS普及后，至今DCS和MES之間的接口還是薄弱環節。所以，在MES中，專門設計了PIMS(工廠信息管理系統)，接收DCS實時數據，實現生產績效管理和運行數據的集成。

    流程工業MES的主要功能模塊一般包括短期生產計劃、作業排產和調度(APS)、過程控制和管理、維護管理、技術信息管理、過程優化控制(APC)、提高質量管理功能的LIMS以及與ERP之間的連接。還有流程工業生產的特殊需求，如數據調理和校正、運行數據統計、公用工程平衡管理、設備壽命預測、設備性能計算、罐區管理、罐區平衡、物料平衡等，都作為MES的單一功能模塊，并往往集成到MES系統中。

    下面列舉國外兩個針對流程工業尤其適用于石油化工的比較突出和優秀的MES產品方案：

    2.1 Honeywell的MES方案

    Honeywell公司是世界著名的自動化儀表、過程控制和工業軟件公司，其MES產品從20世紀90年代末開始，先由單一的MES功能模塊發展到整體解決方案。

    其MES產品的核心是Business.FLEX# PKS#。該產品將經營目標轉化為生產操作目標，同時將經過處理驗證的生產績效數據進行反饋，從而形成計劃管理層、生產執行層和過程控制層三個層次的周期循環。

    該產品由價值鏈管理(VCM)、先進計劃與調度(AP&S)、運行管理、油品調和及儲運自動化(BMA)和生產管理5個應用套件共30多個模塊組成。價值鏈管理又包括銷售預測、運輸計劃、生產排產、原材料計劃、供應鏈事件管理、庫存計劃、價值鏈循環優化和生產計劃管理等。先進計劃調度包括原材料供應及產品分配與優化、原油組分分析、原油采購計劃、原油調度優化、生產實況分析、油品調和調度等。運行管理包括操作指令下達、運行監控、事件監控、實驗室信息管理與集成、油罐組分跟蹤、產品規格管理、多單元生產運行計劃等。油品儲運及調和自動化包括調和調度計劃、在線調和優化、調和比率控制和調和績效統計、油品輸轉及庫存跟蹤、罐存計量管理、輸轉模型建立、油品輸轉控制、油品移動路徑選擇等。生產管理包括物料平衡和庫存盤點、成本核算、組分計算與平衡、批量跟蹤與控制、原材料消耗統計、物料移動跟蹤、多單元生產運行計劃、操作指令下達和實驗室信息管理等。方案如圖1所示。

 

 

圖1 HoneywellMES解決方案

    另外，Honeywell又將其MES解決方案與資產管理解決方案——@SSET.MAXTM、先進控制與區域優化解決方案——Profit.PlusTM、生產信息集成平臺——Uniformance#等應用套件和信息集成平臺整合為協同生產管理解決方案，也可看成是其廣義的MES或者是MES功能模塊的擴充。

    2.2 ASPENTech的MES方案

    美國ASPENTech公司是化學工業領域著名的流程模擬、先進控制和供應鏈管理優化軟件公司，近幾年經過并購和整合，也定位在MES解決方案供應商。它提出了企業運營管理的理念并開發集成了相應的軟件產品。根據ASPEN的定義，企業運營管理(EOM)是一個企業級的集成解決方案，把ERP層、MES層和DCS層進行整合，高效地設計、管理和運營制造與供應鏈的相關業務。根據ASPEN的觀點，ERP的功能是回答已發生了什么？而EOM的功能則是回答未來應該怎么做并執行這些決策。ASPEN公司用于過程工業運營管理的MES產品為ASPENPlantelligence，即智能工廠解決方案，如圖2所示。

 

 

圖2 ASPENPlantelligence方案

該方案自1998年推出，并不斷發展和完善，得到了許多大型石油化工公司的采用。方案主要包括流程模擬、虛擬工廠模擬器、生產計劃與優化、生產調度與優化、先進控制與實時優化(RTOPT)、實時數據庫與信息管理、數據校正與物料平衡、績效監控與績效管理、油品調和、生產指令管理與操作日志、油品移動和罐區管理等11個功能模塊以及ASPENEnterprisePlatform(AEP)集成平臺，實現生產經營管理與生產過程控制的一體化。

    今后的發展趨勢是，生產執行系統將走向成熟并成為應用熱點，是解決過程控制層和經營層之間信息隔斷的關鍵。據美國ARC公司調查，53%的客戶反映ERP對工廠生產存在著負面影響。其主要原因之一就是缺乏真實的、及時的、全面的生產過程現場信息，連接現場被忽略

，這就是生產執行系統產生的原由。生產執行系統將逐漸成為集成化的生產執行系統(I-MES)。全面覆蓋生產計劃優化、滾動調度、實時數據庫、數據校正、收率計算、成本控制、生產統計、KPI指標實時監控、績效分析、流程模擬、質量控制、在線優化、先進控制、資產管理、設備診斷維護、罐區計量輸轉、庫存管理自動化、在線優化控制、質量控制、比率控制。并且下聯DCS、PLC、ESD(緊急停車系統)和ASM(異常事件管理系統)，上聯ERP、SCM、HSE、E-Business、E-Cooperation和DSS(決策支持系統)。過去的10年，MES理念、技術和軟件產品已經成熟，今后10～20年，將是在石油化工中迅速普及的技術領域。

 

 

3 企業內部與外部供應鏈管理一體化

    ERP是對企業資源進行有效綜合的計劃與管理，是提高企業經營效率和效益的手段和概念。其中心是計劃，而不是財務。實現這個目的軟件叫ERP軟件，當前德國SAP公司的R/3最有名。ERP面向企業的主要業務，包括產品定貨、原材料采購、生產制造、配送、銷售、會計等一系列業務流，是覆蓋全公司的信息系統，其關鍵業務包括計劃、財務會計和管理會計，還有人力資源管理等。ERP的數據庫要與實時數據庫相連，提取生產過程的有關數據，ERP又和供應鏈管理(SCM)集成。

    供應鏈指相互之間提供原材料、零部件、產品、技術或者服務的生產商、供應商、零售商以及合作伙伴等組成的網絡關系。供應鏈管理(SCM)則是對供應鏈中涉及的物流、資金流、信息流進行規劃、設計、管理與控制，從而提高供應鏈中各個成員的效率、效益和競爭能力。最終保證客戶滿意，即在正確的時間把正確的產品或服務送到正確的地點。它是在企業資源計劃(ERP)的基礎上，把企業的生產過程、庫存系統、銷售系統與供應商、零售商以及各種合作伙伴集成為一個有機體，最大限度地縮短工作周期，提高工作效率，有效利用資源，創造更大價值。

    供應鏈是將企業活動當作一種供需過程描述，即從最初獲取原材料到通過生產制造，轉換成最終產品，交付給最終用戶的采購、生產、銷售的若干供需環節的有序鏈接。供應鏈管理是對供應鏈所涉及的組織的集成和對物流、資金流、信息流的協同，提高供應鏈相關企業的競爭能力。總之，供應鏈管理就是優化和改進供應鏈的所有活動。

    廣義供應鏈管理，包括供應鏈規劃(SCP)、供應鏈執行(SCE)和傳統的進、銷、存管理；狹義供應鏈管理，包括供應鏈執行和傳統的進、銷、存管理。供應鏈管理與另外幾個概念有關，但有區別，如圖3所示。

 

 

 

圖3 供應鏈及其相關概念的關系

    后勤管理是指經過分銷渠道達到最終用戶的物料管理和信息管理，又發展為后勤工程、后勤管理和后勤分配。

    物資配送管理，指處理與企業最直接的一級用戶之間的物流業務，把產品銷售給用戶。最近幾年，后勤管理基本上泛指物流管理。

    物料管理指供應鏈中間部分的物流和信息流。即采購、庫存管理、倉儲管理、生產作業計劃控制、分銷配送管理等，包括從原料的采購進廠、入庫、生產再到產品交付給一級用戶。

    供應鏈管理的內容從20世紀中期開始出現。對制造業，從早期的MRP$到ERP就是它的起源。由MRP和MRP$到SCM，從企業內部延伸到外部，都體現了供應鏈管理的產生和發展進程。它在ERP的基礎上，把企業內部經營過程的所有業務系統如訂單、采購、庫存、計劃、生產、質量、運輸、市場、銷售、服務等以及財務、人事管理均納入一條供應鏈進行統籌管理。

    20世紀80年代后期，一些重要的公司如BASF、DOW、Dupont發現，單靠企業自身生產過程優化和經營管理改善，所獲得的效益越來越小，因此開始考慮由“眼睛向內”轉到“眼睛向外”，分析上下游企業的供需關系。到90年代，這些企業不得不把管理的視點轉移到與自己相關的、但卻是獨立的企業之間的協調和企業外部的物流、資金流和信息流的集成和優化上。ERP盡管在90年代增加了與客戶和供應商的交互，但仍然不具有協調多個企業間資源的觀念和能力，仍舊是面向企業內部的事務處理系統。另外，ERP的計劃管理模型基本上是繼承MRP-$，存在著嚴重的弱點和不足。另外，特別是ERP缺少決策支持能力。只在事后反映企業做了什么、做得怎樣，并不能在事前告訴企業要做什么、怎樣做好。因此，發展、擴展ERP勢在必行。

    高級計劃與排產計劃(APS)可以對總體資源和產品族進行長達數年的預測，可以完成ERP的主生產計劃、物料需求計劃、能力計劃和年度進度編制的工作。APS著眼點是整個供應鏈，其計劃范圍已擴展到企業外部，并采用線形規劃、約束優化、模擬、OLAP等決策技術，解決許多復雜問題。因此，現在ERP一般同時作為APS的信息源，并接收APS計劃、決策、預測的結果。現在的ERP有用APS引擎取代MRP模塊或把APS作為ERP 套件之一的趨勢，這就是擴展的ERP(ExtendedERP)概念。

    從ERP提升到供應鏈管理(SCM)和電子商務是今后的發展趨勢。目前，國外排名前50名的石化公司都普及應用了ERP基本模塊。近90%的石油天然氣企業也都實施了具有行業特色的ERP基本模塊。

4 結 語

    石油化工企業的IT投資重點是：20世紀70～80年代為DCS，90年代為ERP，進入21世紀后則轉為以供應鏈管理為主的企業運營管理(enterprise operation management，EOM)。因為ERP回答的是已經發生了什么，它是交易的執行和生成歷史的報表，是現在看過去。EOM則回答今后應發生什么，生成最佳決策，指導企業執行最佳決策；是從供應鏈的角度，注重增值的環節，從過去、現在推斷、優化將來。供應鏈管理是一種新的商務模式和理念，它強調更多地關注價值的創造，而不單是降低成本；更多地關注企業組織之間和外部，而不單是組織內部和生產環節。要把煉油廠、化工廠融于全球性的采購、供應、交易、客戶的環境和國際貿易體系中。

    上層的ERP、SCM、E-Business和DSS，中層的EOM 和MES，下層的DCS、PLC和ESD等的有機組合，則構成了化工企業智能化生產技術的整體。

    今后幾年，化工智能制造技術即化工信息化技術的重點將是檢測技術的數字化、控制技術的智能化、生產過程控制與經營管理一體化，以及企業內部與外部供應鏈管理優化的一體化。