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)的內容、發(fā)展和展望。
關(guān)鍵詞：先進(jìn)制造；現代制造；智能化制造；石油化工；信息技術(shù)

    世界工業(yè)經(jīng)過(guò)了機械化、電氣化、自動(dòng)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(shí)代以后，工業(yè)界，特別是制造業(yè)，包括石油化工業(yè)，開(kāi)始向數字化、網(wǎng)絡(luò )化、模型化，或者稱(chēng)智能化方向發(fā)展。智能化生產(chǎn)技術(shù)將給整個(gè)工業(yè)界，包括石油化工界，帶來(lái)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)濟的基礎產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)，是國家綜合國力的重要體現。制造業(yè)是將原材料轉化為物質(zhì)產(chǎn)品的行業(yè)，包括機械制造、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(lèi)財富的60%~80%，其生產(chǎn)總值一般占一個(gè)國家國內生產(chǎn)總值的20%~55%，如美國則占50%以上。在一個(gè)國家工業(yè)生產(chǎn)力的構成中，制造技術(shù)的作用一般占60%左右。

    制造技術(shù)是當代科技發(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(zhù)舉足輕重的影響和作用。

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

    進(jìn)入21世紀后，美國國家科學(xué)研究委員會(huì )工程技術(shù)委員會(huì )與制造與工程設計院共同組織的制造業(yè)挑戰展望委員會(huì )對2020年制造業(yè)所面臨的形勢，提出了六大挑戰和目標。
(1)快速響應市場(chǎng)能力的挑戰-全部制造環(huán)節并行實(shí)現。
(2)打破傳統經(jīng)營(yíng)面臨的組織、領(lǐng)域及時(shí)間壁壘的挑戰-技術(shù)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(cháng)的環(huán)保壓力的挑戰-可持續發(fā)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(shí)合作模式的格局正在形成。
(6)技術(shù)創(chuàng )新的挑戰-全球制造工藝及產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，包括分子級設計和原子級設計。

    從20世紀下半葉，發(fā)達國家相繼出現柔性制造（Flexible Manufacturing）、集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）、準時(shí)生產(chǎn)（Just In Time，JIT）、精良生產(chǎn)（Lean Production，LP）、敏捷制造(Agile Manufacturing)等現代制造技術(shù)與制造模式。到20世紀末，制造業(yè)掀起了一場(chǎng)新的現代制造技術(shù)革命。美國等發(fā)達國家正式提出“現代制造技術(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(wú)污染工業(yè)制造技術(shù)（Clean Manufacturing in Process Industries）、21世紀全球同步集成制造技術(shù)（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(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)計劃（AMTP）；日本1989年提出智能制造技術(shù)（IMT）國際合作計劃；韓國提出高級現代技術(shù)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(shù)研究發(fā)展戰略計劃（ESPRIT）。1991年，歐洲提出工業(yè)技術(shù)基礎研究計劃（BRITE-EURAM）。歐共體還聯(lián)合實(shí)施FGMS（Future Generation Manufacturing System），即智能制造計劃。

    在美國的高技術(shù)發(fā)展研究計劃“星球大戰”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(huì )把CIM列入美國長(cháng)期安全和經(jīng)濟繁榮的22項關(guān)鍵技術(shù)之一。1981年在國家標準局建立“自動(dòng)化制造實(shí)驗基地（AMRF）”。

    現代制造技術(shù)是制造業(yè)不斷吸收機械、電氣、電子、信息（計算機、網(wǎng)絡(luò )、通信、控制論、人工智能等），能源及現代系統管理等領(lǐng)域的成果，并將其綜合運用于產(chǎn)品研發(fā)、設計、制造、檢測管理、銷(xiāo)售、使用、服務(wù)乃至回收的制造全過(guò)程，以實(shí)現優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、敏捷、柔性生產(chǎn)，提高對市場(chǎng)動(dòng)態(tài)多變的適應能力和競爭能力的制造技術(shù)的總稱(chēng)。

    現代設計技術(shù)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(guò)程的并行化、設計過(guò)程的智能化（人工智能和專(zhuān)家系統）、設計手段的擬實(shí)化（模擬、仿真、虛擬現場(chǎng)、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(huán)節的邏輯化和系統化、多變量的動(dòng)態(tài)優(yōu)化、研發(fā)設計制造一體化、產(chǎn)品全壽命周期最優(yōu)化。

    現代制造自動(dòng)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90年代末期，美國ASPEN公司提出智能化工廠(chǎng)（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70~80年代，過(guò)程工業(yè)信息化的利潤機會(huì )在DCS，90年代則轉向ERP，而到21世紀初，DCS和ERP的利潤機會(huì )下降，新的利潤提升則讓位給企業(yè)運營(yíng)管理（Enterprise Operation Management，EOM）。智能工廠(chǎng)的核心是績(jì)效管理。ERP側重于事務(wù)處理、生成歷史報表，著(zhù)眼點(diǎn)是過(guò)去發(fā)生了什么，而企業(yè)運行管理是判斷應發(fā)生什么，生成并執行最佳運行方案，其著(zhù)眼點(diǎn)是從過(guò)去、當前來(lái)預測、決策未來(lái)，其依賴(lài)技術(shù)是線(xiàn)性規劃、模擬、協(xié)同工作、虛擬現實(shí)等技術(shù)。智能化工廠(chǎng)集成了供應鏈計劃（SCP，Supply Chain Planning）和生產(chǎn)執行系統（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(chǎng)自動(dòng)化鏈，具體包括四部分。
(1)  計劃與調度 生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)調度、分銷(xiāo)調度、精確計劃模型。
(2)  先進(jìn)控制與優(yōu)化 多變量預估控制、非線(xiàn)性控制、在線(xiàn)推理計算、控制器監控、實(shí)時(shí)優(yōu)化與監控、實(shí)時(shí)過(guò)程監控。                                                                                     (3)  績(jì)效管理 生產(chǎn)收率計量、生產(chǎn)報告、質(zhì)量管理、實(shí)際與計劃對比分析、單元績(jì)效考核，并根據生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程反饋到操作人員的實(shí)時(shí)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(yíng)績(jì)效、調度績(jì)效、計劃績(jì)效、財務(wù)績(jì)效、6σ績(jì)效進(jìn)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(jìn)行計劃（P）、按計劃進(jìn)行調度（S）、按工廠(chǎng)能力進(jìn)行優(yōu)化（O）并執行（E）；再對執行結果進(jìn)行度量統計（M）、對度量統計結果進(jìn)行分析（A），根據分析進(jìn)行改進(jìn)（I），形成一個(gè)P、S、O、E、M、A、I良性循環(huán)的實(shí)時(shí)績(jì)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，世界將全面進(jìn)入知識經(jīng)濟時(shí)代。21世紀初葉，主導知識經(jīng)濟社會(huì )的仍是信息經(jīng)濟。進(jìn)入21世紀以來(lái)，世界上的石油化工企業(yè)都面臨著(zhù)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(chǎn)清潔產(chǎn)品、面對全球性競爭和獲得最佳運營(yíng)業(yè)績(jì)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)展智能儀表和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)
    在高新技術(shù)推動(dòng)下，自動(dòng)化儀表與裝置正在跨入真正的數字化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化時(shí)代。其技術(shù)發(fā)展的主流則是測量信息數字化、檢測儀表智能化和現場(chǎng)控制與過(guò)程管理一體化。21世紀頭10年的熱點(diǎn)是傳感、執行與通信。儀器儀表不僅僅是工業(yè)時(shí)代的測量“工具”，而且是當今信息時(shí)代的信息源頭。近10年內傳感器的數量將增加幾十倍。自動(dòng)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(chǎn)生的敏感機理，開(kāi)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(wú)線(xiàn)傳輸、過(guò)程遠程無(wú)線(xiàn)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(xué)過(guò)程進(jìn)行跟蹤和控制，而且是從原油的進(jìn)廠(chǎng)到產(chǎn)品的出廠(chǎng)，確保每桶原油實(shí)現潛在的最大價(jià)值。微型智能傳感器在線(xiàn)實(shí)時(shí)實(shí)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(xiàn)連續測量溫度、壓力、應力、應變、振動(dòng)、位移等參數，及時(shí)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(chǎng)基礎技術(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)現分子級（Molecular）的實(shí)時(shí)、在線(xiàn)、多指標、多功能、多用途的化驗分析。傳統的質(zhì)量化驗分析室將由實(shí)時(shí)、在線(xiàn)、連續的產(chǎn)品質(zhì)量、成分分析系統取而代之，最大限度地改善過(guò)程控制和環(huán)境監測質(zhì)量。

    現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)將使現在的模擬與數字混合的、分散控制系統（DCS）更新?lián)Q代為全數字式的徹底分散的現場(chǎng)總線(xiàn)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(dòng)態(tài)的信息網(wǎng)絡(luò )將在石油化工廠(chǎng)運行。成千上萬(wàn)的傳感器通過(guò)網(wǎng)絡(luò )直接、實(shí)時(shí)傳送全廠(chǎng)的數據和圖像信息，并為嚴格的實(shí)時(shí)優(yōu)化模型提供數據，還與組份模型結合，在分子級描述過(guò)程的變化，預測產(chǎn)品組成，實(shí)現全廠(chǎng)的實(shí)時(shí)連續優(yōu)化。先進(jìn)控制將普及到全裝置、全廠(chǎng)范圍。依靠過(guò)程信息進(jìn)行統計診斷、過(guò)程統計控制，將是高度自動(dòng)化的關(guān)鍵。建立監測數據庫，只有首次出現的事故，才需要專(zhuān)家處理。在線(xiàn)監測可實(shí)現提前6個(gè)月的故障診斷和智能預報警。建立過(guò)程模型，進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬，模擬速度將比現在提高幾十倍或幾百倍，一天以?xún)茸阋阅M全廠(chǎng)的所有裝置和單元。

(2)  生產(chǎn)執行系統將走向成熟并成為應用熱點(diǎn)
    生產(chǎn)執行系統又叫制造執行系統或生產(chǎn)運行管理系統，是解決過(guò)程控制層和經(jīng)營(yíng)層之間信息隔斷的關(guān)鍵。Emerson公司引自《SCOR》的數據表明，ERP的實(shí)施規模大、周期長(cháng)，導致46%逾期完工，41%超過(guò)支出預算，49%財務(wù)未達目標，沒(méi)實(shí)現預期的回報。據美國ARC公司調查，53%的客戶(hù)反映ERP對工廠(chǎng)生產(chǎn)存在著(zhù)負面影響。其主要原因之一就是缺乏真實(shí)的、及時(shí)的、全面的生產(chǎn)過(guò)程現場(chǎng)信息，連接現場(chǎng)被忽略了，這就是生產(chǎn)執行系統產(chǎn)生的原由。生產(chǎn)執行系統將隨著(zhù)計算機技術(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)執行系統（I-MES）。全面覆蓋生產(chǎn)計劃優(yōu)化、滾動(dòng)調度、實(shí)時(shí)數據庫、數據校正、收率計算、成本控制、生產(chǎn)統計、KPI指標實(shí)時(shí)監控、績(jì)效分析、流程模擬、質(zhì)量控制、在線(xiàn)優(yōu)化、先進(jìn)控制、資產(chǎn)管理、設備診斷維護、罐區油品計量輸轉、庫存管理自動(dòng)化、在線(xiàn)調和優(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(chē)系統）和ASM（異常事件管理系統），上聯(lián)ERP、SCM、HSE、E-Business、E-Cooperation和DSS（決策支持系統）。過(guò)去的10年，MES理念、技術(shù)和軟件產(chǎn)品已經(jīng)顯著(zhù)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。

    以財務(wù)為核心，集物流、資金流、信息流為一體，包括財務(wù)會(huì )計（FI）、管理會(huì )計（CO）、銷(xiāo)售與分銷(xiāo)（SD）、物料管理（MM）、流程行業(yè)生產(chǎn)計劃（PP）、工廠(chǎng)與設備維護（PM）、人力資源（HR），甚至包括資產(chǎn)會(huì )計、項目管理、庫存管理、電子市場(chǎng)（e-Procurement &e-Marketplace）等模塊。覆蓋了石油勘探、開(kāi)發(fā)、原油儲運、煉油、化工、石化產(chǎn)品配送和銷(xiāo)售，以及油庫、加油站的整個(gè)供應鏈的企業(yè)資源計劃。其中，Shell使用ERP的用戶(hù)已經(jīng)達到6.1萬(wàn)個(gè)，占其分布全球近150個(gè)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?，F在考慮進(jìn)一步規范核心業(yè)務(wù)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(lái)西亞ERP為5個(gè)國家和地區的集中模式，其他多為一個(gè)國家一個(gè)系統，最終將按三個(gè)事業(yè)部整合為三個(gè)集中的系統。ExxonMobil的ERP實(shí)施覆蓋了全球200多個(gè)國家中的分支機構的運營(yíng)，涉及10萬(wàn)名員工。其早期采取分布模式，每個(gè)地區或國家有一套SAP系統，現在已經(jīng)集成為整個(gè)公司一套SAP系統，而且服務(wù)器也實(shí)現了大集中。

    專(zhuān)家認為，石油化工企業(yè)的IT投資重點(diǎn)是：20世紀70~80年代為DCS，90年代為ERP，而進(jìn)入21世紀后則轉為以供應鏈管理為主的企業(yè)運營(yíng)管理EOM。因為ERP回答的是已經(jīng)發(fā)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(guò)去，而EOM則是回答今后應發(fā)生什么，生成最佳決策，指導企業(yè)執行最佳決策；是從供應鏈的角度，注重增值的環(huán)節，從過(guò)去、現在來(lái)推斷、優(yōu)化將來(lái)。供應鏈管理是一種新的商務(wù)模式和理念，它強調更多地關(guān)注價(jià)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，而不單是組織內部和生產(chǎn)環(huán)節，要把煉油廠(chǎng)、化工廠(chǎng)融于全球性的采購、供應、交易、客戶(hù)的環(huán)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(yè)智能化生產(chǎn)技術(shù)的整體。

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