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張志檁

摘要：概述了世界智能化制造技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，以及石油化工工業(yè)智能化生產(chǎn)技術(shù)的內(nèi)容、發(fā)展和展望。
關(guān)鍵詞：先進(jìn)制造；現(xiàn)代制造；智能化制造；石油化工；信息技術(shù)

    世界工業(yè)經(jīng)過了機(jī)械化、電氣化、自動化等主要階段以后，基本完成了工業(yè)化的主要任務(wù)。在進(jìn)入信息時代以后，工業(yè)界，特別是制造業(yè)，包括石油化工業(yè)，開始向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、模型化，或者稱智能化方向發(fā)展。智能化生產(chǎn)技術(shù)將給整個工業(yè)界，包括石油化工界，帶來巨大的影響。

1   智能化制造技術(shù)研究的形成與發(fā)展

    制造業(yè)包括石油化工業(yè)，是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)，是國家綜合國力的重要體現(xiàn)。制造業(yè)是將原材料轉(zhuǎn)化為物質(zhì)產(chǎn)品的行業(yè)，包括機(jī)械制造、電子制造、非金屬制品制造（如石油化工產(chǎn)品制造）、成衣制造以及各種型材制造等。它創(chuàng)造了人類財(cái)富的60%~80%，其生產(chǎn)總值一般占一個國家國內(nèi)生產(chǎn)總值的20%~55%，如美國則占50%以上。在一個國家工業(yè)生產(chǎn)力的構(gòu)成中，制造技術(shù)的作用一般占60%左右。

    制造技術(shù)是當(dāng)代科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域，是產(chǎn)品更新、生產(chǎn)發(fā)展、國際間經(jīng)濟(jì)競爭的重要手段。制造技術(shù)水平對制造業(yè)的發(fā)展有著舉足輕重的影響和作用。

    20世紀(jì)后期，隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，尤其是電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)的緊密融合，制造業(yè)發(fā)生了革命性變化，并形成了新興的現(xiàn)代制造技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、綜合自動化制造技術(shù)或智能化制造技術(shù)（以下通稱現(xiàn)代制造技術(shù)）。

    進(jìn)入21世紀(jì)后，美國國家科學(xué)研究委員會工程技術(shù)委員會與制造與工程設(shè)計(jì)院共同組織的制造業(yè)挑戰(zhàn)展望委員會對2020年制造業(yè)所面臨的形勢，提出了六大挑戰(zhàn)和目標(biāo)。
(1)快速響應(yīng)市場能力的挑戰(zhàn)-全部制造環(huán)節(jié)并行實(shí)現(xiàn)。
(2)打破傳統(tǒng)經(jīng)營面臨的組織、領(lǐng)域及時間壁壘的挑戰(zhàn)-技術(shù)資源的整合與集成。
(3)信息的挑戰(zhàn)-信息向知識的轉(zhuǎn)化。
(4)日益增長的環(huán)保壓力的挑戰(zhàn)-可持續(xù)發(fā)展。
(5)制造全球化和資源自由化的挑戰(zhàn)-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(shù)創(chuàng)新的挑戰(zhàn)-全球制造工藝及產(chǎn)品的開發(fā)，包括分子級設(shè)計(jì)和原子級設(shè)計(jì)。

    從20世紀(jì)下半葉，發(fā)達(dá)國家相繼出現(xiàn)柔性制造（Flexible Manufacturing）、集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）、準(zhǔn)時生產(chǎn)（Just In Time，JIT）、精良生產(chǎn)（Lean Production，LP）、敏捷制造(Agile Manufacturing)等現(xiàn)代制造技術(shù)與制造模式。到20世紀(jì)末，制造業(yè)掀起了一場新的現(xiàn)代制造技術(shù)革命。美國等發(fā)達(dá)國家正式提出“現(xiàn)代制造技術(shù)（Modern Manufacturing Technology，MMT）”或“先進(jìn)制造技術(shù)（Advanced Manufacturing Technology，AMT）”、“智能制造技術(shù)（Intelligent Manufacturing Technology，IMT）”、無污染工業(yè)制造技術(shù)（Clean Manufacturing in Process Industries）、21世紀(jì)全球同步集成制造技術(shù)（Global Man 21）、自律性制造系統(tǒng)（Holonic Development）和知識系統(tǒng)化（Systematization of knowledge）等概念，并作為國家優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。美國1991年提出《國家關(guān)鍵技術(shù)報告》，1993年提出先進(jìn)制造技術(shù)計(jì)劃（AMTP）；日本1989年提出智能制造技術(shù)（IMT）國際合作計(jì)劃；韓國提出高級現(xiàn)代技術(shù)國家計(jì)劃（G-7）；德國提出制造2000計(jì)劃；歐共體1988年提出“尤里卡（EREKA）計(jì)劃、歐洲信息技術(shù)研究發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃（ESPRIT）。1991年，歐洲提出工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（BRITE-EURAM）。歐共體還聯(lián)合實(shí)施FGMS（Future Generation Manufacturing System），即智能制造計(jì)劃。

    在美國的高技術(shù)發(fā)展研究計(jì)劃“星球大戰(zhàn)”中，集成制造技術(shù)（CIM）研究占有重要地位。美國國家關(guān)鍵技術(shù)委員會把CIM列入美國長期安全和經(jīng)濟(jì)繁榮的22項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。1981年在國家標(biāo)準(zhǔn)局建立“自動化制造實(shí)驗(yàn)基地（AMRF）”。

    現(xiàn)代制造技術(shù)是制造業(yè)不斷吸收機(jī)械、電氣、電子、信息（計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信、控制論、人工智能等），能源及現(xiàn)代系統(tǒng)管理等領(lǐng)域的成果，并將其綜合運(yùn)用于產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、檢測管理、銷售、使用、服務(wù)乃至回收的制造全過程，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、敏捷、柔性生產(chǎn)，提高對市場動態(tài)多變的適應(yīng)能力和競爭能力的制造技術(shù)的總稱。

    現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)包括設(shè)計(jì)范疇的擴(kuò)展化（面向“X”設(shè)計(jì)）、設(shè)計(jì)手段的計(jì)算機(jī)化、設(shè)計(jì)過程的并行化、設(shè)計(jì)過程的智能化（人工智能和專家系統(tǒng)）、設(shè)計(jì)手段的擬實(shí)化（模擬、仿真、虛擬現(xiàn)場、快速原型）、分析手段的精確化、多種方法手段的綜合化、設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的邏輯化和系統(tǒng)化、多變量的動態(tài)優(yōu)化、研發(fā)設(shè)計(jì)制造一體化、產(chǎn)品全壽命周期最優(yōu)化。

    現(xiàn)代制造自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢包括制造敏捷化、制造網(wǎng)絡(luò)化、制造虛擬化、制造柔性化、制造智能化、制造全球協(xié)同化、制造綠色化。

    在20世紀(jì)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(shí)施。Honeywell公司提出了一體化業(yè)務(wù)解決方案（Business Flex）已在ExxonMobil、Shell、LG-CALTEX等公司實(shí)施。在20世紀(jì)70~80年代，過程工業(yè)信息化的利潤機(jī)會在DCS，90年代則轉(zhuǎn)向ERP，而到21世紀(jì)初，DCS和ERP的利潤機(jī)會下降，新的利潤提升則讓位給企業(yè)運(yùn)營管理（Enterprise Operation Management，EOM）。智能工廠的核心是績效管理。ERP側(cè)重于事務(wù)處理、生成歷史報表，著眼點(diǎn)是過去發(fā)生了什么，而企業(yè)運(yùn)行管理是判斷應(yīng)發(fā)生什么，生成并執(zhí)行最佳運(yùn)行方案，其著眼點(diǎn)是從過去、當(dāng)前來預(yù)測、決策未來，其依賴技術(shù)是線性規(guī)劃、模擬、協(xié)同工作、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)。智能化工廠集成了供應(yīng)鏈計(jì)劃（SCP，Supply Chain Planning）和生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES，Manufacturing Execution System）及相關(guān)業(yè)務(wù)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(jì)劃與調(diào)度 生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)調(diào)度、分銷調(diào)度、精確計(jì)劃模型。
(2)  先進(jìn)控制與優(yōu)化 多變量預(yù)估控制、非線性控制、在線推理計(jì)算、控制器監(jiān)控、實(shí)時優(yōu)化與監(jiān)控、實(shí)時過程監(jiān)控。                                                                                     (3)  績效管理 生產(chǎn)收率計(jì)量、生產(chǎn)報告、質(zhì)量管理、實(shí)際與計(jì)劃對比分析、單元績效考核，并根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)營過程反饋到操作人員的實(shí)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(yùn)行控制、執(zhí)行監(jiān)督、計(jì)劃考核及戰(zhàn)略計(jì)劃各層的運(yùn)營績效、調(diào)度績效、計(jì)劃績效、財(cái)務(wù)績效、6σ績效進(jìn)行管理。
(4)  操作者仿真培訓(xùn)。

    總之，最佳運(yùn)行方案的設(shè)計(jì)是按訂單進(jìn)行計(jì)劃（P）、按計(jì)劃進(jìn)行調(diào)度（S）、按工廠能力進(jìn)行優(yōu)化（O）并執(zhí)行（E）；再對執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行度量統(tǒng)計(jì)（M）、對度量統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析（A），根據(jù)分析進(jìn)行改進(jìn)（I），形成一個P、S、O、E、M、A、I良性循環(huán)的實(shí)時績效管理（Real-Time Performance Management）。

2   石油化工業(yè)智能化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢

    21世紀(jì)，世界將全面進(jìn)入知識經(jīng)濟(jì)時代。21世紀(jì)初葉，主導(dǎo)知識經(jīng)濟(jì)社會的仍是信息經(jīng)濟(jì)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界上的石油化工企業(yè)都面臨著共同的挑戰(zhàn)，諸如最大限度地降低成本、提高利潤、保障安全、生產(chǎn)清潔產(chǎn)品、面對全球性競爭和獲得最佳運(yùn)營業(yè)績等等。在這種形勢下，石油化工業(yè)智能化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢如下：
(1)  發(fā)展智能儀表和現(xiàn)場總線技術(shù)
    在高新技術(shù)推動下，自動化儀表與裝置正在跨入真正的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化時代。其技術(shù)發(fā)展的主流則是測量信息數(shù)字化、檢測儀表智能化和現(xiàn)場控制與過程管理一體化。21世紀(jì)頭10年的熱點(diǎn)是傳感、執(zhí)行與通信。儀器儀表不僅僅是工業(yè)時代的測量“工具”，而且是當(dāng)今信息時代的信息源頭。近10年內(nèi)傳感器的數(shù)量將增加幾十倍。自動化系統(tǒng)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(chǎn)生的敏感機(jī)理，開發(fā)成物理、化學(xué)、生物等敏感元件或傳感器。使傳感器技術(shù)向微型化、高精度、低功耗、智能化、集成化發(fā)展。信號無線傳輸、過程遠(yuǎn)程無線監(jiān)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(xué)過程進(jìn)行跟蹤和控制，而且是從原油的進(jìn)廠到產(chǎn)品的出廠，確保每桶原油實(shí)現(xiàn)潛在的最大價值。微型智能傳感器在線實(shí)時實(shí)現(xiàn)化驗(yàn)分析。由于內(nèi)嵌智能傳感器、材料和設(shè)備也是智能的，可在線連續(xù)測量溫度、壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、振動、位移等參數(shù)，及時預(yù)測預(yù)報潛在的損壞部位，并有自診斷、自修復(fù)功能，在出現(xiàn)事故前維修完畢。

    化工測量分析也將成為現(xiàn)場基礎(chǔ)技術(shù)。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(shù)，實(shí)現(xiàn)分子級（Molecular）的實(shí)時、在線、多指標(biāo)、多功能、多用途的化驗(yàn)分析。傳統(tǒng)的質(zhì)量化驗(yàn)分析室將由實(shí)時、在線、連續(xù)的產(chǎn)品質(zhì)量、成分分析系統(tǒng)取而代之，最大限度地改善過程控制和環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量。

    現(xiàn)場總線技術(shù)將使現(xiàn)在的模擬與數(shù)字混合的、分散控制系統(tǒng)（DCS）更新?lián)Q代為全數(shù)字式的徹底分散的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS），真正做到危險分散、控制分散、信息集中和監(jiān)控集中。

    動態(tài)的信息網(wǎng)絡(luò)將在石油化工廠運(yùn)行。成千上萬的傳感器通過網(wǎng)絡(luò)直接、實(shí)時傳送全廠的數(shù)據(jù)和圖像信息，并為嚴(yán)格的實(shí)時優(yōu)化模型提供數(shù)據(jù)，還與組份模型結(jié)合，在分子級描述過程的變化，預(yù)測產(chǎn)品組成，實(shí)現(xiàn)全廠的實(shí)時連續(xù)優(yōu)化。先進(jìn)控制將普及到全裝置、全廠范圍。依靠過程信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)診斷、過程統(tǒng)計(jì)控制，將是高度自動化的關(guān)鍵。建立監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，只有首次出現(xiàn)的事故，才需要專家處理。在線監(jiān)測可實(shí)現(xiàn)提前6個月的故障診斷和智能預(yù)報警。建立過程模型，進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)模擬，模擬速度將比現(xiàn)在提高幾十倍或幾百倍，一天以內(nèi)足以模擬全廠的所有裝置和單元。

(2)  生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)將走向成熟并成為應(yīng)用熱點(diǎn)
    生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)又叫制造執(zhí)行系統(tǒng)或生產(chǎn)運(yùn)行管理系統(tǒng)，是解決過程控制層和經(jīng)營層之間信息隔斷的關(guān)鍵。Emerson公司引自《SCOR》的數(shù)據(jù)表明，ERP的實(shí)施規(guī)模大、周期長，導(dǎo)致46%逾期完工，41%超過支出預(yù)算，49%財(cái)務(wù)未達(dá)目標(biāo)，沒實(shí)現(xiàn)預(yù)期的回報。據(jù)美國ARC公司調(diào)查，53%的客戶反映ERP對工廠生產(chǎn)存在著負(fù)面影響。其主要原因之一就是缺乏真實(shí)的、及時的、全面的生產(chǎn)過程現(xiàn)場信息，連接現(xiàn)場被忽略了，這就是生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)產(chǎn)生的原由。生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)將隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，逐漸成為集成化的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（I-MES）。全面覆蓋生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化、滾動調(diào)度、實(shí)時數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)校正、收率計(jì)算、成本控制、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、KPI指標(biāo)實(shí)時監(jiān)控、績效分析、流程模擬、質(zhì)量控制、在線優(yōu)化、先進(jìn)控制、資產(chǎn)管理、設(shè)備診斷維護(hù)、罐區(qū)油品計(jì)量輸轉(zhuǎn)、庫存管理自動化、在線調(diào)和優(yōu)化控制、質(zhì)量控制、比率控制，并且下聯(lián)DCS、PLC、ESD（緊急停車系統(tǒng)）和ASM（異常事件管理系統(tǒng)），上聯(lián)ERP、SCM、HSE、E-Business、E-Cooperation和DSS（決策支持系統(tǒng)）。過去的10年，MES理念、技術(shù)和軟件產(chǎn)品已經(jīng)顯著成熟，今后10年或20年，將是石油化工業(yè)看好并且迅速普及的技術(shù)領(lǐng)域。

(3)  從ERP提升到供應(yīng)鏈管理（SCM）和電子商務(wù)
    目前，國外排名前50名的石化公司都普及應(yīng)用了ERP基本模塊。近90%的石油天然氣企業(yè)也都實(shí)施了具有行業(yè)特色的ERP基本模塊。

    以財(cái)務(wù)為核心，集物流、資金流、信息流為一體，包括財(cái)務(wù)會計(jì)（FI）、管理會計(jì)（CO）、銷售與分銷（SD）、物料管理（MM）、流程行業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃（PP）、工廠與設(shè)備維護(hù)（PM）、人力資源（HR），甚至包括資產(chǎn)會計(jì)、項(xiàng)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(fā)、原油儲運(yùn)、煉油、化工、石化產(chǎn)品配送和銷售，以及油庫、加油站的整個供應(yīng)鏈的企業(yè)資源計(jì)劃。其中，Shell使用ERP的用戶已經(jīng)達(dá)到6.1萬個，占其分布全球近150個國家和地區(qū)雇員總數(shù)的55%。其早期基本采取分散式，僅SAP系統(tǒng)就達(dá)60多套。現(xiàn)在考慮進(jìn)一步規(guī)范核心業(yè)務(wù)流程和降低IT運(yùn)行成本，將IT系統(tǒng)變成集中式的結(jié)構(gòu)。目前，其人力資源系統(tǒng)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(qū)的集中模式，其他多為一個國家一個系統(tǒng)，最終將按三個事業(yè)部整合為三個集中的系統(tǒng)。ExxonMobil的ERP實(shí)施覆蓋了全球200多個國家中的分支機(jī)構(gòu)的運(yùn)營，涉及10萬名員工。其早期采取分布模式，每個地區(qū)或國家有一套SAP系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)集成為整個公司一套SAP系統(tǒng)，而且服務(wù)器也實(shí)現(xiàn)了大集中。

    專家認(rèn)為，石油化工企業(yè)的IT投資重點(diǎn)是：20世紀(jì)70~80年代為DCS，90年代為ERP，而進(jìn)入21世紀(jì)后則轉(zhuǎn)為以供應(yīng)鏈管理為主的企業(yè)運(yùn)營管理EOM。因?yàn)镋RP回答的是已經(jīng)發(fā)生了什么，它是交易的執(zhí)行和生成歷史的報表，是在現(xiàn)在看過去，而EOM則是回答今后應(yīng)發(fā)生什么，生成最佳決策，指導(dǎo)企業(yè)執(zhí)行最佳決策；是從供應(yīng)鏈的角度，注重增值的環(huán)節(jié)，從過去、現(xiàn)在來推斷、優(yōu)化將來。供應(yīng)鏈管理是一種新的商務(wù)模式和理念，它強(qiáng)調(diào)更多地關(guān)注價值的創(chuàng)造，而不單是降低成本；更多地關(guān)注企業(yè)組織之間和外部，而不單是組織內(nèi)部和生產(chǎn)環(huán)節(jié)，要把煉油廠、化工廠融于全球性的采購、供應(yīng)、交易、客戶的環(huán)境和國際貿(mào)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(jī)組合，構(gòu)成了石油化工企業(yè)智能化生產(chǎn)技術(shù)的整體。

參考文獻(xiàn)：
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