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張志檁

摘要：概述了世界智能化制造技術的產生與發展，以及石油化工工業智能化生產技術的內容、發展和展望。
關鍵詞：先進制造；現代制造；智能化制造；石油化工；信息技術

    世界工業經過了機械化、電氣化、自動化等主要階段以后，基本完成了工業化的主要任務。在進入信息時代以后，工業界，特別是制造業，包括石油化工業，開始向數字化、網絡化、模型化，或者稱智能化方向發展。智能化生產技術將給整個工業界，包括石油化工界，帶來巨大的影響。

1   智能化制造技術研究的形成與發展

    制造業包括石油化工業，是國民經濟的基礎產業和支柱產業，是國家綜合國力的重要體現。制造業是將原材料轉化為物質產品的行業，包括機械制造、電子制造、非金屬制品制造（如石油化工產品制造）、成衣制造以及各種型材制造等。它創造了人類財富的60%~80%，其生產總值一般占一個國家國內生產總值的20%~55%，如美國則占50%以上。在一個國家工業生產力的構成中，制造技術的作用一般占60%左右。

    制造技術是當代科技發展最活躍的領域，是產品更新、生產發展、國際間經濟競爭的重要手段。制造技術水平對制造業的發展有著舉足輕重的影響和作用。

    20世紀后期，隨著現代科技的進步，尤其是電子技術、計算機技術、信息技術、自動化技術和現代管理技術與傳統制造技術的緊密融合，制造業發生了革命性變化，并形成了新興的現代制造技術、先進制造技術、綜合自動化制造技術或智能化制造技術（以下通稱現代制造技術）。

    進入21世紀后，美國國家科學研究委員會工程技術委員會與制造與工程設計院共同組織的制造業挑戰展望委員會對2020年制造業所面臨的形勢，提出了六大挑戰和目標。
(1)快速響應市場能力的挑戰-全部制造環節并行實現。
(2)打破傳統經營面臨的組織、領域及時間壁壘的挑戰-技術資源的整合與集成。
(3)信息的挑戰-信息向知識的轉化。
(4)日益增長的環保壓力的挑戰-可持續發展。
(5)制造全球化和資源自由化的挑戰-可重組工程、全球基于柔性、臨時合作模式的格局正在形成。
(6)技術創新的挑戰-全球制造工藝及產品的開發，包括分子級設計和原子級設計。

    從20世紀下半葉，發達國家相繼出現柔性制造（Flexible Manufacturing）、集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）、準時生產（Just In Time，JIT）、精良生產（Lean Production，LP）、敏捷制造(Agile Manufacturing)等現代制造技術與制造模式。到20世紀末，制造業掀起了一場新的現代制造技術革命。美國等發達國家正式提出“現代制造技術（Modern Manufacturing Technology，MMT）”或“先進制造技術（Advanced Manufacturing Technology，AMT）”、“智能制造技術（Intelligent Manufacturing Technology，IMT）”、無污染工業制造技術（Clean Manufacturing in Process Industries）、21世紀全球同步集成制造技術（Global Man 21）、自律性制造系統（Holonic Development）和知識系統化（Systematization of knowledge）等概念，并作為國家優先發展的關鍵技術。美國1991年提出《國家關鍵技術報告》，1993年提出先進制造技術計劃（AMTP）；日本1989年提出智能制造技術（IMT）國際合作計劃；韓國提出高級現代技術國家計劃（G-7）；德國提出制造2000計劃；歐共體1988年提出“尤里卡（EREKA）計劃、歐洲信息技術研究發展戰略計劃（ESPRIT）。1991年，歐洲提出工業技術基礎研究計劃（BRITE-EURAM）。歐共體還聯合實施FGMS（Future Generation Manufacturing System），即智能制造計劃。

    在美國的高技術發展研究計劃“星球大戰”中，集成制造技術（CIM）研究占有重要地位。美國國家關鍵技術委員會把CIM列入美國長期安全和經濟繁榮的22項關鍵技術之一。1981年在國家標準局建立“自動化制造實驗基地（AMRF）”。

    現代制造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、檢測管理、銷售、使用、服務乃至回收的制造全過程，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。

    現代設計技術包括設計范疇的擴展化（面向“X”設計）、設計手段的計算機化、設計過程的并行化、設計過程的智能化（人工智能和專家系統）、設計手段的擬實化（模擬、仿真、虛擬現場、快速原型）、分析手段的精確化、多種方法手段的綜合化、設計環節的邏輯化和系統化、多變量的動態優化、研發設計制造一體化、產品全壽命周期最優化。

    現代制造自動化技術的發展趨勢包括制造敏捷化、制造網絡化、制造虛擬化、制造柔性化、制造智能化、制造全球協同化、制造綠色化。

    在20世紀90年代末期，美國ASPEN公司提出智能化工廠（plantelligence）解決方案，已在BP、Shell等公司實施。Honeywell公司提出了一體化業務解決方案（Business Flex）已在ExxonMobil、Shell、LG-CALTEX等公司實施。在20世紀70~80年代，過程工業信息化的利潤機會在DCS，90年代則轉向ERP，而到21世紀初，DCS和ERP的利潤機會下降，新的利潤提升則讓位給企業運營管理（Enterprise Operation Management，EOM）。智能工廠的核心是績效管理。ERP側重于事務處理、生成歷史報表，著眼點是過去發生了什么，而企業運行管理是判斷應發生什么，生成并執行最佳運行方案，其著眼點是從過去、當前來預測、決策未來，其依賴技術是線性規劃、模擬、協同工作、虛擬現實等技術。智能化工廠集成了供應鏈計劃（SCP，Supply Chain Planning）和生產執行系統（MES，Manufacturing Execution System）及相關業務流程，上接ERP，下連DCS，形成了垂直的智能化工廠自動化鏈，具體包括四部分。
(1)  計劃與調度 生產計劃、生產調度、分銷調度、精確計劃模型。
(2)  先進控制與優化 多變量預估控制、非線性控制、在線推理計算、控制器監控、實時優化與監控、實時過程監控。                                                                                     (3)  績效管理 生產收率計量、生產報告、質量管理、實際與計劃對比分析、單元績效考核，并根據生產經營過程反饋到操作人員的實時信息形成基層管理的日報、中層管理的月報及上層管理的年報，又分別形成不同層面的KPI記分卡，對其運行控制、執行監督、計劃考核及戰略計劃各層的運營績效、調度績效、計劃績效、財務績效、6σ績效進行管理。
(4)  操作者仿真培訓。

    總之，最佳運行方案的設計是按訂單進行計劃（P）、按計劃進行調度（S）、按工廠能力進行優化（O）并執行（E）；再對執行結果進行度量統計（M）、對度量統計結果進行分析（A），根據分析進行改進（I），形成一個P、S、O、E、M、A、I良性循環的實時績效管理（Real-Time Performance Management）。

2   石油化工業智能化生產技術的發展趨勢

    21世紀，世界將全面進入知識經濟時代。21世紀初葉，主導知識經濟社會的仍是信息經濟。進入21世紀以來，世界上的石油化工企業都面臨著共同的挑戰，諸如最大限度地降低成本、提高利潤、保障安全、生產清潔產品、面對全球性競爭和獲得最佳運營業績等等。在這種形勢下，石油化工業智能化生產技術的發展趨勢如下：
(1)  發展智能儀表和現場總線技術
    在高新技術推動下，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、低功耗、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，而且是從原油的進廠到產品的出廠，確保每桶原油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，分析周期將縮短十倍到幾十倍，普遍采用如NMR（Nuclear Magnetic Resonance，核磁共振分析）、微波（Microware）、近紅外光譜（NIR）分析技術，實現分子級（Molecular）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、成分分析系統取而代之，最大限度地改善過程控制和環境監測質量。

    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。

    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，并為嚴格的實時優化模型提供數據，還與組份模型結合，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，一天以內足以模擬全廠的所有裝置和單元。

(2)  生產執行系統將走向成熟并成為應用熱點
    生產執行系統又叫制造執行系統或生產運行管理系統，是解決過程控制層和經營層之間信息隔斷的關鍵。Emerson公司引自《SCOR》的數據表明，ERP的實施規模大、周期長，導致46%逾期完工，41%超過支出預算，49%財務未達目標，沒實現預期的回報。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，連接現場被忽略了，這就是生產執行系統產生的原由。生產執行系統將隨著計算機技術、網絡技術和通信技術的發展，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、罐區油品計量輸轉、庫存管理自動化、在線調和優化控制、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顯著成熟，今后10年或20年，將是石油化工業看好并且迅速普及的技術領域。

(3)  從ERP提升到供應鏈管理（SCM）和電子商務
    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。

    以財務為核心，集物流、資金流、信息流為一體，包括財務會計（FI）、管理會計（CO）、銷售與分銷（SD）、物料管理（MM）、流程行業生產計劃（PP）、工廠與設備維護（PM）、人力資源（HR），甚至包括資產會計、項目管理、庫存管理、電子市場（e-Procurement &e-Marketplace）等模塊。覆蓋了石油勘探、開發、原油儲運、煉油、化工、石化產品配送和銷售，以及油庫、加油站的整個供應鏈的企業資源計劃。其中，Shell使用ERP的用戶已經達到6.1萬個，占其分布全球近150個國家和地區雇員總數的55%。其早期基本采取分散式，僅SAP系統就達60多套。現在考慮進一步規范核心業務流程和降低IT運行成本，將IT系統變成集中式的結構。目前，其人力資源系統采用完全集中式，歐洲ERP為集中式，馬來西亞ERP為5個國家和地區的集中模式，其他多為一個國家一個系統，最終將按三個事業部整合為三個集中的系統。ExxonMobil的ERP實施覆蓋了全球200多個國家中的分支機構的運營，涉及10萬名員工。其早期采取分布模式，每個地區或國家有一套SAP系統，現在已經集成為整個公司一套SAP系統，而且服務器也實現了大集中。

    專家認為，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，而進入21世紀后則轉為以供應鏈管理為主的企業運營管理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，是在現在看過去，而EOM則是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、現在來推斷、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，構成了石油化工企業智能化生產技術的整體。

參考文獻：
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