化工智能化生产技术及其应用进展

 本文评述了化工智能化生产技术在测量技术的数字化、控制仪表及装置的智能化、现场过程控制与经营管理的一体化方面的应用与进展；对当前流行的主要技术、概念，例如ERP、MES、DCS、SCM、APS等及其关系进行了论述与解释。

智能化生产技术是制造业不断吸收机械、电气、电子、信息（计算机、网络、通信、控制论、人工智能等）、能源及现代系统管理等领域的成果，并将其综合运用于产品研发、设计、制造、检测、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、敏捷、柔性生产，提高对市场动态多变的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。

本文作者综述化工智能化生产技术及其在化学工业中的应用与进展。

1 仪表与自动化系统的数字化

仪表与自动化系统经历了气动仪表（PCS，即第一代过程控制系统）、基于电动仪表（0～10mA、4～20mA模拟电流信号）的电动单元组合式模拟仪表控制系统（ACS，即第二代过程控制系统）、基于计算机的直接数字控制和监督计算机控制或计算机控制系统（即DDC、SCC、CCS，第三代过程控制系统） 和基于微处理器的分布式控制系统（DCS，即第四代过程控制系统）后，又发展到了第五代过程控制系统。

第四代DCS产品的主要标志是集成，其覆盖现场仪表层、控制装置单元层、工厂层和企业层4个层次。而前三代只覆盖前三层，第四代则已成为过程控制和信息管理的综合信息平台。其功能包括过程控制、PLC、RTU（远程采集发送器）、FCS、多回路调节器、智能采集和控制单元等功能集成以及组态软件、I/O组件、PLC单元等产品集成，还包容过程控制、逻辑控制、批处理控制，并实现混合控制。

1980年后出现的基于现场总线技术（Fieldbus）的现场总线控制系统（FCS）即第五代过程控制系统。目前正在发展过程中，其标准尚未统一，总体上是DCS、PLC、FCS三者的结合。

今后的发展趋势是发展智能仪表和现场总线技术，自动化仪表与装置正在跨入真正的数字化、网络化和智能化时代。其技术发展的主流则是测量信息数字化、检测仪表智能化和现场控制与过程管理一体化。21世纪头10年的热点是传感、执行与通信。仪器仪表不仅仅是工业时代的测量“工具”，而且是当今信息时代的信息源头。近10年内，传感器的数量将增加几十倍，自动化系统中的非控制变量信息比例也将成倍增加，将利用固体物理特性产生的敏感机理开发成物理、化学、生物等敏感元件或传感器，使传感器技术向微型化、高精度、低能耗、智能化、集成化发展。信号无线传输、过程远程无线监控以及非接触式控制器也是方向。微型传感器和组分模型在分子级对物理化学过程进行跟踪和控制，而且是从原料的进厂到产品的出厂确保实现潜在的最大价值。微型智能传感器在线实时实现化验分析。由于内嵌智能传感器，材料和设备也是智能的，可在线连续测量温度、压力、应力、应变、振动、位移等参数，及时预测预报潜在的损坏部位，并有自诊断、自修复功能，在出现事故前维修完毕。

化工测量分析也将成为现场基础技术，成倍或几十倍地提高测量分析的分辨率和灵敏度，分析周期将缩短到十至几十分之一，普遍采用如核磁共振（NMR）、微波 （Microware）、近红外光谱（NIR）分析技术，实现分子级的实时、在线、多指标、多功能、多用途的化验分析。传统的质量化验分析室将由实时、在线、连续的产品质量、成分分析系统取代，最大限度地改善过程控制和环境监测质量。

动态的信息网络将在石油化工厂运行。成千上万的传感器通过网络直接、实时传送全厂的数据和图像信息，并为严格、实时的优化模型提供数据；还与组分模型结合，在分子级描述过程的变化，预测产品组成，实现全厂的实时连续优化。先进控制将普及到全装置、全厂范围。依靠过程信息进行统计诊断、过程统计控制，将是高度自动化的关键。建立监测数据库，只有首次出现的事故，才需要专家处理。在线监测可实现提前6个月的故障诊断和智能预报警。建立过程模型，进行静态和动态模拟，模拟速度将比现在提高几十倍或几百倍，一天足以模拟全厂的所有装置和单元。

PLC、SCADA、DCS 控制系统、现场总线、工业以太网的发展趋势呈现以下特点：

（1）系统功能从低层（现场控制层）逐步向高层（监督控制、生产调度管理）扩展。

（2）控制功能由单一的回路控制，逐步向综合的逻辑控制、顺序控制、程序控制、批量控制、配方控制、混合控制以及先进控制发展。

（3）系统构成部件由DCS厂家专有的产品变为开放的市场采购产品。

（4）技术标准逐渐走向开放、统一、集成。

（5）由于开放性推进产品的趋同性，迫使DCS厂商向高层、与生产工艺结合紧密的高级控制功能发展，以求得短时间的差异性。

（6）数字化向现场仪表装置延伸，导致DCS体系结构和现场功能数字化、智能化、分散化。

（7）标准的串行总线（以太网及其之上的TCP/IP协议、Porfibus、Modbus等）已成为DCS等工业控制系统中车间一级控制器广泛采用的标准通信网络和协议，但不可能取代底层的现场总线。

（8）生产区域现场控制装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线（FieldBus）。现场总线技术在20世纪 70年代末出现，90年代成为热点，是从模拟仪表到数字计算机的现场信号传输标准，真正解决了从仪表到计算机的换代问题，促进了仪表信息处理的现场化，形成了全数字化（变量单元和执行单元）、信息化和集成化的新一代DCS。现场总线技术将使现在的模拟与数字混合的、分散控制系统（DCS）更新换代为全数字式的彻底分散的现场总线控制系统（FCS），真正做到危险分散、控制分散、信息集中和监控集中。

（9）新一代即第四代DCS有过程知识系统、工厂资源管理系统，例如ABB的Industrial IT系统和HOLLiAS的国产HOLLiAS-Macs系统等，主要特征是集成和信息化，实现全厂实时控制以及PCS、MES和ERP 层的信息集成；混合控制系统：包容PLC、RTU、FCS等，进一步分散化；I/O处理单元小型化、智能化、低成本；平台（组态软件平台、人机界面平台、现场控制组件、I/O组件等）开放与应用专业化；提供了丰富的设备诊断、维修和管理功能。新一代DCS不仅是综合控制系统，而且是集成化的综合控制与信息管理系统。

（10）PLC是一种产品形态的、可独立运行的、执行直接控制功能的控制器系统。早期以逻辑控制为主。其小型PLC的I/O总数较少，约数十点；中型则由主机架和扩展机架组成，I/O总数则达500点左右；大型PLC系统由多台PLC和高速网络构成，可实现数千个I/O点的强大控制功能。PLC再与第三方人机界面和组态软件配合，可组成完整的监督控制系统。

另外，早期的SCADA系统只是针对远程测量和监控，近年来的SCADA 则基于广域网和互联网，而且不局限于远程遥测遥控，而泛指以监督控制为主的各种计算机系统，其组成可以是PLC设备，也可以是DCS，或者是专用的SCADA产品。

2 生产经营管理与生产过程控制的集成化或一体化

MES属于企业管理应用软件的范围，起源于离散工业，又扩展到流程工业。DCS普及后，至今DCS和MES之间的接口还是薄弱环节。所以，在MES中，专门设计了PIMS（工厂信息管理系统），接收DCS实时数据，实现生产绩效管理和运行数据的集成。

流程工业MES的主要功能模块一般包括短期生产计划、作业排产和调度（APS）、过程控制和管理、维护管理、技术信息管理、过程优化控制（APC）、提高质量管理功能的LIMS以及与ERP之间的连接。还有流程工业生产的特殊需求，如数据调理和校正、运行数据统计、公用工程平衡管理、设备寿命预测、设备性能计算、罐区管理、罐区平衡、物料平衡等，都作为MES的单一功能模块，并往往集成到MES系统中。

下面列举国外两个针对流程工业尤其适用于石油化工的比较突出和优秀的MES产品方案：

2.1 Honeywell的MES方案

Honeywell公司是世界着名的自动化仪表、过程控制和工业软件公司，其MES产品从20世纪90年代末开始，先由单一的MES功能模块发展到整体解决方案。

其MES产品的核心是Business.FLEX# PKS#。该产品将经营目标转化为生产操作目标，同时将经过处理验证的生产绩效数据进行反馈，从而形成计划管理层、生产执行层和过程控制层三个层次的周期循环。

该产品由价值链管理（VCM）、先进计划与调度（AP&S）、运行管理、油品调和及储运自动化（BMA）和生产管理5个应用套件共30多个模块组成。价值链管理又包括销售预测、运输计划、生产排产、原材料计划、供应链事件管理、库存计划、价值链循环优化和生产计划管理等。先进计划调度包括原材料供应及产品分配与优化、原油组分分析、原油采购计划、原油调度优化、生产实况分析、油品调和调度等。运行管理包括操作指令下达、运行监控、事件监控、实验室信息管理与集成、油罐组分跟踪、产品规格管理、多单元生产运行计划等。油品储运及调和自动化包括调和调度计划、在线调和优化、调和比率控制和调和绩效统计、油品输转及库存跟踪、罐存计量管理、输转模型建立、油品输转控制、油品移动路径选择等。生产管理包括物料平衡和库存盘点、成本核算、组分计算与平衡、批量跟踪与控制、原材料消耗统计、物料移动跟踪、多单元生产运行计划、操作指令下达和实验室信息管理等。





另外，Honeywell又将其MES解决方案与资产管理解决方案——@SSET.MAXTM、先进控制与区域优化解决方案——Profit.PlusTM、生产信息集成平台——Uniformance#等应用套件和信息集成平台整合为协同生产管理解决方案，也可看成是其广义的MES或者是MES功能模块的扩充。

2.2 ASPENTech的MES方案

美国ASPENTech公司是化学工业领域着名的流程模拟、先进控制和供应链管理优化软件公司，近几年经过并购和整合，也定位在MES解决方案供应商。它提出了企业运营管理的理念并开发集成了相应的软件产品。根据ASPEN的定义，企业运营管理（EOM）是一个企业级的集成解决方案，把ERP层、MES层和DCS层进行整合，高效地设计、管理和运营制造与供应链的相关业务。根据ASPEN的观点，ERP的功能是回答已发生了什么？而EOM的功能则是回答未来应该怎么做并执行这些决策。ASPEN公司用于过程工业运营管理的MES产品为ASPENPlantelligence，即智能工厂解决方案，




该方案自1998年推出，并不断发展和完善，得到了许多大型石油化工公司的采用。方案主要包括流程模拟、虚拟工厂模拟器、生产计划与优化、生产调度与优化、先进控制与实时优化（RTOPT）、实时数据库与信息管理、数据校正与物料平衡、绩效监控与绩效管理、油品调和、生产指令管理与操作日志、油品移动和罐区管理等11个功能模块以及ASPENEnterprisePlatform（AEP）集成平台，实现生产经营管理与生产过程控制的一体化。

今后的发展趋势是，生产执行系统将走向成熟并成为应用热点，是解决过程控制层和经营层之间信息隔断的关键。据美国ARC公司调查，53%的客户反映ERP 对工厂生产存在着负面影响。其主要原因之一就是缺乏真实的、及时的、全面的生产过程现场信息，连接现场被忽略，这就是生产执行系统产生的原由。生产执行系统将逐渐成为集成化的生产执行系统（I-MES）。全面覆盖生产计划优化、滚动调度、实时数据库、数据校正、收率计算、成本控制、生产统计、KPI指标实时监控、绩效分析、流程模拟、质量控制、在线优化、先进控制、资产管理、设备诊断维护、罐区计量输转、库存管理自动化、在线优化控制、质量控制、比率控制。并且下联DCS、PLC、ESD（紧急停车系统）和ASM（异常事件管理系统），上联ERP、SCM、HSE、E-Business、E- Cooperation和DSS（决策支持系统）。过去的10年，MES理念、技术和软件产品已经成熟，今后10～20年，将是在石油化工中迅速普及的技术领域。

3 企业内部与外部供应链管理一体化

ERP是对企业资源进行有效综合的计划与管理，是提高企业经营效率和效益的手段和概念。其中心是计划，而不是财务。实现这个目的软件叫ERP软件，当前德国SAP公司的R/3最有名。ERP面向企业的主要业务，包括产品定货、原材料采购、生产制造、配送、销售、会计等一系列业务流，是覆盖全公司的信息系统，其关键业务包括计划、财务会计和管理会计，还有人力资源管理等。ERP的数据库要与实时数据库相连，提取生产过程的有关数据，ERP又和供应链管理 （SCM）集成。

供应链指相互之间提供原材料、零部件、产品、技术或者服务的生产商、供应商、零售商以及合作伙伴等组成的网络关系。供应链管理（SCM）则是对供应链中涉及的物流、资金流、信息流进行规划、设计、管理与控制，从而提高供应链中各个成员的效率、效益和竞争能力。最终保证客户满意，即在正确的时间把正确的产品或服务送到正确的地点。它是在企业资源计划（ERP）的基础上，把企业的生产过程、库存系统、销售系统与供应商、零售商以及各种合作伙伴集成为一个有机体，最大限度地缩短工作周期，提高工作效率，有效利用资源，创造更大价值。

供应链是将企业活动当作一种供需过程描述，即从最初获取原材料到通过生产制造，转换成最终产品，交付给最终用户的采购、生产、销售的若干供需环节的有序链接。供应链管理是对供应链所涉及的组织的集成和对物流、资金流、信息流的协同，提高供应链相关企业的竞争能力。总之，供应链管理就是优化和改进供应链的所有活动。

广义供应链管理，包括供应链规划（SCP）、供应链执行（SCE）和传统的进、销、存管理；狭义供应链管理，包括供应链执行和传统的进、销、存管理。供应链管理与另外几个概念有关，但有区别。





后勤管理是指经过分销渠道达到最终用户的物料管理和信息管理，又发展为后勤工程、后勤管理和后勤分配。

物资配送管理，指处理与企业最直接的一级用户之间的物流业务，把产品销售给用户。最近几年，后勤管理基本上泛指物流管理。

物料管理指供应链中间部分的物流和信息流。即采购、库存管理、仓储管理、生产作业计划控制、分销配送管理等，包括从原料的采购进厂、入库、生产再到产品交付给一级用户。

供应链管理的内容从20世纪中期开始出现。对制造业，从早期的MRP$到ERP就是它的起源。由MRP和MRP$到SCM，从企业内部延伸到外部，都体现了供应链管理的产生和发展进程。它在ERP的基础上，把企业内部经营过程的所有业务系统如订单、采购、库存、计划、生产、质量、运输、市场、销售、服务等以及财务、人事管理均纳入一条供应链进行统筹管理。

20世纪80年代后期，一些重要的公司如BASF、DOW、Dupont发现，单靠企业自身生产过程优化和经营管理改善，所获得的效益越来越小，因此开始考虑由“眼睛向内”转到“眼睛向外”，分析上下游企业的供需关系。到90年代，这些企业不得不把管理的视点转移到与自己相关的、但却是独立的企业之间的协调和企业外部的物流、资金流和信息流的集成和优化上。ERP尽管在90年代增加了与客户和供应商的交互，但仍然不具有协调多个企业间资源的观念和能力，仍旧是面向企业内部的事务处理系统。另外，ERP的计划管理模型基本上是继承MRP-$，存在着严重的弱点和不足。另外，特别是ERP缺少决策支持能力。只在事后反映企业做了什么、做得怎样，并不能在事前告诉企业要做什么、怎样做好。因此，发展、扩展ERP势在必行。

高级计划与排产计划（APS）可以对总体资源和产品族进行长达数年的预测，可以完成ERP的主生产计划、物料需求计划、能力计划和年度进度编制的工作。 APS着眼点是整个供应链，其计划范围已扩展到企业外部，并采用线形规划、约束优化、模拟、OLAP等决策技术，解决许多复杂问题。因此，现在ERP一般同时作为APS的信息源，并接收APS计划、决策、预测的结果。现在的ERP有用APS引擎取代MRP模块或把APS作为ERP 套件之一的趋势，这就是扩展的ERP（ExtendedERP）概念。

从ERP提升到供应链管理（SCM）和电子商务是今后的发展趋势。目前，国外排名前50名的石化公司都普及应用了ERP基本模块。近90%的石油天然气企业也都实施了具有行业特色的ERP基本模块。

4 结 语

石油化工企业的IT投资重点是：20世纪70～80年代为DCS，90年代为ERP，进入21世纪后则转为以供应链管理为主的企业运营管理 （enterprise operation management，EOM）。因为ERP回答的是已经发生了什么，它是交易的执行和生成历史的报表，是现在看过去。EOM则回答今后应发生什么，生成最佳决策，指导企业执行最佳决策；是从供应链的角度，注重增值的环节，从过去、现在推断、优化将来。供应链管理是一种新的商务模式和理念，它强调更多地关注价值的创造，而不单是降低成本；更多地关注企业组织之间和外部，而不单是组织内部和生产环节。要把炼油厂、化工厂融于全球性的采购、供应、交易、客户的环境和国际贸易体系中。

上层的ERP、SCM、E-Business和DSS，中层的EOM 和MES，下层的DCS、PLC和ESD等的有机组合，则构成了化工企业智能化生产技术的整体。

今后几年，化工智能制造技术即化工信息化技术的重点将是检测技术的数字化、控制技术的智能化、生产过程控制与经营管理一体化，以及企业内部与外部供应链管理优化的一体化。