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石化企业管控一体化的发展趋势
企业： 日期：2010-11-10
领域：运动控制 点击数：1783
                    

    作者简介：张志檩，男，教授级高级工程师，享受国家政府津贴有突出贡献工程技术专家。中国石化股份有限公司信息系统管理部原副主任，中国石化集团公司 原信息中心副主任兼总工程师，原中国石化总公司信息中心副主任兼总工程师，清华大学研究生院兼职导师。

    进入21世纪初，人们更关注石油化工行业，关注自动化与信息化技术领域，关注信息化与工业化的融合，关注企业管控一体化。其实，大多数科学技术是按照图1的模式在发展。企业自动化和信息化也是如此。

                    

                     图1 企业自动化和信息化的发展模式

    一体化、集成、协同、融合等名词含义相近。西方讲集成，日本和中国讲一体化。管控一体化是企业生产经营管理与生产过程控制集成运作的简称。国外最早称为计算机集成制造，即CIM(Computer Integrated Manufacturing)。CIM是一种企业生产组织、管理与运行的新哲理，它借助于计算机硬、软件系统，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全部过程中有关组织（人）、技术、经营管理三要素集成起来，并将其信息流与物流有机地集成及优化运行，以实现产品高质、上市快、面本低、服务好(简称T.Q.C.S)，从而使企业赢得市场竞争。CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)，计算机集成制造系统便是这种哲理的物理实现。后来，又产生了B2M（business-to-manufacturing integration，full plant-to-enterprise interoperability）等理念、标准及技术。如图2所示。

                    

                               图2 B2M信息交互层次

    在中国，管控一体化的原意是经营管理和过程控制一体化，后来又拓展到管理业务和控制业务一体化；管理流程和控制流程一体化；管理网络和控制网络一体化；控制系统内部及其之间的一体化；管理系统内部及其之间的一体化；管理系统和控制系统一体化；企业间多系统一体化，集团多系统一体化；供应连虚拟企业之间的一体化；社会和企业的一体化等。
狭义的管控一体化只是CIMS的一部分，却是最主要的部分，也是企业推进两化融合的主要环节、具体体现和重要抓手。广义的管控一体化则超越了30年前的CIM理念。

    1 自动化与信息化的融合是工业革命的必然发展规律

    人类三次重大的社会变革，即农业革命、工业革命和信息革命。分别将人类从漫长的原始社会带入农业社会、工业社会和信息社会。农业革命经历了大约3000年，工业革命大约经历了300年，信息革命正方兴未艾，刚刚开始几十年。人类正在准备迈上信息社会的高级阶段——信息化社会。中国是发展中国家，工业化的使命还没完成，又迎来了信息化的浪潮。因此有必要简要回顾一下人类的工业史。即由手工业过渡到工场手工业，再由工场手工业发展到现代大工业，尽而实现工业化，及其各个时代相对于旧时的不同层次的现代化。

    工业化的三大技术特征主要概括为机械化、电气化和自动化。信息化也有三个技术特征，即数字化、网络化和数学模型化。中国工业化既要继续实现现代工业化的技术特征，机械化、电气化、自动化外，还要实现数字化、网络化和数学模型化，即信息化。

    1.1信息化引发传统工厂迈向现代工厂

    现代工厂有“两化”很重要。一是自动化，是实现工人绝大部分体力和少部分脑力的延伸，是减少工厂操作人员编制的主要途径。在追求工厂规模大型化、清洁化、差异化和高效化的同时，自然要考虑尽量减少用工定编，即向少人化的目标努力；二是信息化，是实现管理人员大部分脑力和部分体力的延伸，实现管理自动化、机构扁平化、压缩管理人员编制的主要途径。高度信息化的工厂，管理人员自然很少。自动化向上延伸，信息化向下延伸，自动化和信息化融合，上升为更高层次的自动化和信息化，即企业控制系统。

                 

                         图3 企业控制系统

    基于美国仪器仪表学会ISA S95标准的流程工业集成层次如图4所示。

                  

                 图4 基于美国仪器仪表学会ISA S95标准的流程工业集成层次

    自动化层次的扩展如图5所示。

                

                                   图5 自动化层次的扩展

    控制手段及对应范围（ Response）如图6所示。

              

                            图6 控制手段及对应范围

    这样，企业形成了从传感器到企业总部的自动化链（From the sensor to the corporate headquarters of automation chain）和数据流堆栈（Data Flow Stack）。如图7所示。

                     

                       图7 企业数据流堆栈

    2 过程控制系统（PCS）

    随着控制系统的标准化、系列化和通用化，规模越发扩展，其集成问题则演化为系统内部一体化，以及外部一体化。

    2.1传统或狭义的过程控制系统——过程控制系统一体化

               

                         图8 过程控制技术的延伸

    随着过程控制技术及其应用的延伸，产生了过程控制系统一体化的问题。

    2.1.1 PCS的主要动向

    ·DCS及其更新；
    ·FCS—减少投资成本，减少工程设计时间，减少安装和开车时间及费用，减少控制器和I/O接口设备及维护费用，减少控制室空间，和加快投资回收时间。Sell已达新建项目的66%；
    ·SCADA/PLC、电力控制系统（ELICS）、马达控制系统(Motor Control System，MCS)、智能调节阀（Smart Control Valve）；
    · 计量仪表、罐区计量系统（Tank n Gauging System）、流量检测装置（Metering System） 、能源监控系统；
    ·设备状态测试(Machine Monitoring System, MMS)、预测性维修、压缩机控制（ Compressor Control）与故障诊断；
    ·新型分析化验仪器、在线质量仪表；
    ·视频监控系统、安防系统、门禁系统等；
    ·紧急停车系统（Emergence Shut-Down System, ESD）、安全管理系统（SMS）、火灾瓦斯监测系统（Fire and Gas Detection System）等。

    2.1.2 DCS的发展趋势

   ·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；
    ·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；
    ·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；
    ·技术标准逐渐走向开放、统一、集成；
    ·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；
    ·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。

               

                               图9控制系统的发展轨迹

    2.2 现场总线——过程控制系统一体化的主要技术基础

    现场总线（Field Bus）技术在20世纪70年代末出现，90年代成为热点和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。

    先进控制——管控一体化的技术桥梁
    过程问题的通用描述如图10所示。

              

                   图10 过程问题的通用描述
 
    改进后的先进控制系统的效果如图11所示。

               

                        图11a 改进后的先进控制系统的效果

              

                       图11b 改进后的先进控制系统的效果

    工厂优化控制的集成层次及APC、OPT的地位如图12所示。

              

                    图12 工厂优化控制的集成层次及APC、OPT的地位 

    因此，形成了控制系统向现代控制系统的扩展。如图13所示。

              

                       图13 控制系统的层次关系

    3 企业控制系统——管控一体化的终极形式和目标是物流、资金流、信息流、决策流“四流合一”

    企业生产经营体系模型如图14所示。 

                 

                       图14 企业生产经营体系模型

    企业整体追求的是企业效益，依据是企业投入产出模型（INPUT-OUTPUT MODEL），如图15所示。

                 

                        图15 企业投入产出模型

    流程工业的 REPAC 模型和集成信息系统对照(1998年提出)如图16所示。

                

                图16 流程工业的 REPAC 模型和集成信息系统对照

    3.1 ERP——经营管理一体化

    计划决策层以ERP&SCM为代表，其发展领域为：
    ·ERP/ ERP-Ⅱ/ XERP；
    ·e-C/ c-C/ c-B；
    ·SCM/SCP/AP&S/.CRM/SRM；
    ·DSS/XHQ（Extend Headquarters）；
    ·KM/KPI/DW；
    ·EAI/BI/Porter；
    ·战略设计与模拟；
    ·SOX审计系统；
    ·竞争情报系统；

    3.2 MES——B2M一体化

    除制造执行的11个基本功能外，主要发展领域还有：
    ·传统先进控制（APC）——计算变量控制、解耦控制、自适应控制、统计控制等；
    ·多变量预估控制（MPC）；
    ·实时优化控制（RTO）；
    ·设备资产管理；
    ·实时数据库；
    ·流程模拟；
    ·质量管理，LIMS；
    ·计划排产与调度、罐区管理及油品调和；
    ·料平衡/能源信息系统（EIS）；
    ·成本预算和分析；
    ·KPI统计分析 ； 
    ·构造成集成、实时、智能的以MES为核心的生产调度指挥中心。

    同样，MES既然承担B2M集成的重要功能，自然要求其具备Open MES（内部模块之间的开放），OPEN IT架构（外部系统之间的开放）的性能。

    尽管MES在中国实施多年，但是仍然处于探索阶段。中国式的MES应该简略归纳为：计划制定执行与调度（主要面向计划统计与调度部门）；生产运行与操作（主要面向生产与技术部门）；生产监督与保障（主要面向设备、质量、安全、环保部门）。

    3.3 工厂三维可视化——设计、建设、生产、运维一体化

    主要是面向产品生命周期，工厂生命周期。

    3.4 过程模拟——工艺过程模拟与优化一体化

    国外的模拟优化技术，已经相当普及。不仅用于生产过程，而且用于公用工程；不仅有稳态模拟，而且有动态模拟；不仅有离线优化，而且有在线、实时、闭环优化；不仅有独立的优化，还有一体化优化。不仅有单厂的优化，还有多厂的优化。

    3.5 能源监控——生产运行与能源管理一体化

    能源管理遵循全生命周期（Life Cycle ）一体化管理的模式，也形成了See-Analysys-Do节能管理循环及其相关技术和整体解决方案。

    3.6 HSE——生产运行与HSE管理一体化

    生产运行管理必须高度重视HSE，真正达到安全第一，环保至上的理念。这就要求高可靠性工厂的流程设计和具有高度稳定运转技术（SSOT, Supper Stable Operation Technology），支撑生产运行与HSE管理一体化。
 
    3.7 智能生产指挥中心——管控一体化的集中表现形式

    西门子公司为企业提供了XHQ信息化全面集成解决方案，构架以生产运营调度指挥中心为代表的企业级集成系统，为管控一体化解决了最实质性的技术难题。 如图17所示。

               

              图17 以生产运营调度指挥中心为代表的企业级集成系统

    3.8 实时生产绩效管理——管控一体化的业务目标

    所谓绩效就是做事的结果，当然都希望结果是好的，即功业、成果、成绩、成效，目前流行为绩效。绩效的英文词汇是Performance，它是由动词Perform演变来的动名词。Perform是做、执行、完成、进行、运行、使用等意，动名词的意思就是该动作的性能、绩效了。实际上都是指做事、干活、工作的结果。干好干坏需要有比较基准和衡量指标，而且基准指标又太多，抓住主要的即关键，因此就又有关键绩效指标（Key Performance Indicators，KPI）一词。

    3.8.1 绩效管理的实时动态化

    从21世纪初，国外公司提出了企业控制系统（ECS, Enterprise Control Systems）、工厂到商务之间的协同能力(Plant-to-Business (P2B) Interoperability )、协同制造（Collaborative Manufacturing）、企业制造智能（Enterprise Manufacture Intelligence ，EMI）、企业运行智能（Enterprise Operation Intelligence ，EMI）、商务智能应用（financial or business intelligence (BI) applications）、实时制造环境（real-time Manufacturing environment ）、实时制造绩效管理（Real-time Manufacture Performance Management，见图1）、制造绩效服务（Manufacturing Performance Service, MPS，见图2）、卓越制造战略(Strategies for Manufacturing Excellence)、新一代企业总部（XHQ，neXt generation HeadQuarters）、新一代制造（Next Generation Manufacturing）等概念，其核心是提高企业总体运行性能或绩效，其特点是绩效性能管理的实时动态化，其技术基础则是工厂自动化与信息化的融合、衔接和集成。

    3.8.2 从静态供应连到动态供应链

    早期的SCM只是着眼于供应链内部的计划优化，但是违背计划的事件经常发生。因此认为更要关注供应链的过程及其优化，而且由企业内部扩展到企业外部的供应链。这就是协同制造管理（Collaborative Manufacturing Management, CMM）。CMM即SCM与SCPM的综合。供应链过程管理（Supply Chain Process Management , SCPM）的实质是根据供应链运行参考模型（SCOR，Supply Chain Operation Reference )中涉及的13项财务指标，建立供应链过程模型和财务模型，供应链过程的变革成果或者说企业的绩效反映到财务诸表，财务成果又可以对供应链过程进行评价。

    3.8.3 从事后绩效统计到实时绩效管理

    实时绩效管理是指对制造企业主要业务和制造过程进行管理，以达到最佳绩效的经营目的。为了实现RPM，决策支持过程业务优化，业务绩效管理对于提高绩效不可或缺。特别是整个供应链的可视化、迅速进行正确决策，占据了计划体系中的很大比例。CMM实现的关键是实时绩效管理（RPM）。实现实时绩效管理的主要技术是业务过程的实时管理、会计的实时化，以及收益的实时模拟等，构成了广义的SCM。 

    3.8.4 从绩效、关键绩效（KPI）到全面绩效(TPI)管理

    一是集约化管理则要求将管理空间和跨度扩展，随之而来的则是关键绩效指标的维度扩展、层次扩展、业务领域扩展、时间段的范围扩展。这就形成了多维的企业级的制造全过程、全方位的绩效管理；
    二是精细化管理则要求将管理粒度缩小、细化、深化。也就是说，集约化要求向宏观延伸，精细化要求向微观延伸。 

                  

                图18 实时制造绩效管理（RT-MPM）实现技术架构

    3.9共享服务中心（Shared Services Centre，SSC）——企业组织架构一体化

    企业运营一体化离不开企业组织架构重组和业务流程重组，其中一个流行趋势是业务服务共享，其模式是共享服务中心及其支撑技术。

    4 结语

    先进的国内外企业正在沿着集成的技术路线进步。如图19所示。构成了企业新一代自动化系统，协同与集成，即管控一体化。并创造了新的模式，向更高级发展。

                 

                 图19 企业集成技术进步路线图
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