张志檩

摘要：概述了世界智能化制造技术的产生与发展，以及石油化工工业智能化生产技术的内容、发展和展望。
关键词：先进制造；现代制造；智能化制造；石油化工；信息技术

    世界工业经过了机械化、电气化、自动化等主要阶段以后，基本完成了工业化的主要任务。在进入信息时代以后，工业界，特别是制造业，包括石油化工业，开始向数字化、网络化、模型化，或者称智能化方向发展。智能化生产技术将给整个工业界，包括石油化工界，带来巨大的影响。

1   智能化制造技术研究的形成与发展

    制造业包括石油化工业，是国民经济的基础产业和支柱产业，是国家综合国力的重要体现。制造业是将原材料转化为物质产品的行业，包括机械制造、电子制造、非金属制品制造（如石油化工产品制造）、成衣制造以及各种型材制造等。它创造了人类财富的60%~80%，其生产总值一般占一个国家国内生产总值的20%~55%，如美国则占50%以上。在一个国家工业生产力的构成中，制造技术的作用一般占60%左右。

    制造技术是当代科技发展最活跃的领域，是产品更新、生产发展、国际间经济竞争的重要手段。制造技术水平对制造业的发展有着举足轻重的影响和作用。

    20世纪后期，随着现代科技的进步，尤其是电子技术、计算机技术、信息技术、自动化技术和现代管理技术与传统制造技术的紧密融合，制造业发生了革命性变化，并形成了新兴的现代制造技术、先进制造技术、综合自动化制造技术或智能化制造技术（以下通称现代制造技术）。

    进入21世纪后，美国国家科学研究委员会工程技术委员会与制造与工程设计院共同组织的制造业挑战展望委员会对2020年制造业所面临的形势，提出了六大挑战和目标。
(1)快速响应市场能力的挑战-全部制造环节并行实现。
(2)打破传统经营面临的组织、领域及时间壁垒的挑战-技术资源的整合与集成。
(3)信息的挑战-信息向知识的转化。
(4)日益增长的环保压力的挑战-可持续发展。
(5)制造全球化和资源自由化的挑战-可重组工程、全球基于柔性、临时合作模式的格局正在形成。
(6)技术创新的挑战-全球制造工艺及产品的开发，包括分子级设计和原子级设计。

    从20世纪下半叶，发达国家相继出现柔性制造（Flexible Manufacturing）、集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）、准时生产（Just In Time，JIT）、精良生产（Lean Production，LP）、敏捷制造(Agile Manufacturing)等现代制造技术与制造模式。到20世纪末，制造业掀起了一场新的现代制造技术革命。美国等发达国家正式提出“现代制造技术（Modern Manufacturing Technology，MMT）”或“先进制造技术（Advanced Manufacturing Technology，AMT）”、“智能制造技术（Intelligent Manufacturing Technology，IMT）”、无污染工业制造技术（Clean Manufacturing in Process Industries）、21世纪全球同步集成制造技术（Global Man 21）、自律性制造系统（Holonic Development）和知识系统化（Systematization of knowledge）等概念，并作为国家优先发展的关键技术。美国1991年提出《国家关键技术报告》，1993年提出先进制造技术计划（AMTP）；日本1989年提出智能制造技术（IMT）国际合作计划；韩国提出高级现代技术国家计划（G-7）；德国提出制造2000计划；欧共体1988年提出“尤里卡（EREKA）计划、欧洲信息技术研究发展战略计划（ESPRIT）。1991年，欧洲提出工业技术基础研究计划（BRITE-EURAM）。欧共体还联合实施FGMS（Future Generation Manufacturing System），即智能制造计划。

    在美国的高技术发展研究计划“星球大战”中，集成制造技术（CIM）研究占有重要地位。美国国家关键技术委员会把CIM列入美国长期安全和经济繁荣的22项关键技术之一。1981年在国家标准局建立“自动化制造实验基地（AMRF）”。

    现代制造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、检测管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，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。

    现代设计技术包括设计范畴的扩展化（面向“X”设计）、设计手段的计算机化、设计过程的并行化、设计过程的智能化（人工智能和专家系统）、设计手段的拟实化（模拟、仿真、虚拟现场、快速原型）、分析手段的精确化、多种方法手段的综合化、设计环节的逻辑化和系统化、多变量的动态优化、研发设计制造一体化、产品全寿命周期最优化。

    现代制造自动化技术的发展趋势包括制造敏捷化、制造网络化、制造虚拟化、制造柔性化、制造智能化、制造全球协同化、制造绿色化。

    在20世纪90年代末期，美国ASPEN公司提出智能化工厂（plantelligence）解决方案，已在BP、Shell等公司实施。Honeywell公司提出了一体化业务解决方案（Business Flex）已在ExxonMobil、Shell、LG-CALTEX等公司实施。在20世纪70~80年代，过程工业信息化的利润机会在DCS，90年代则转向ERP，而到21世纪初，DCS和ERP的利润机会下降，新的利润提升则让位给企业运营管理（Enterprise Operation Management，EOM）。智能工厂的核心是绩效管理。ERP侧重于事务处理、生成历史报表，着眼点是过去发生了什么，而企业运行管理是判断应发生什么，生成并执行最佳运行方案，其着眼点是从过去、当前来预测、决策未来，其依赖技术是线性规划、模拟、协同工作、虚拟现实等技术。智能化工厂集成了供应链计划（SCP，Supply Chain Planning）和生产执行系统（MES，Manufacturing Execution System）及相关业务流程，上接ERP，下连DCS，形成了垂直的智能化工厂自动化链，具体包括四部分。
(1)  计划与调度 生产计划、生产调度、分销调度、精确计划模型。
(2)  先进控制与优化 多变量预估控制、非线性控制、在线推理计算、控制器监控、实时优化与监控、实时过程监控。                                                                                     (3)  绩效管理 生产收率计量、生产报告、质量管理、实际与计划对比分析、单元绩效考核，并根据生产经营过程反馈到操作人员的实时信息形成基层管理的日报、中层管理的月报及上层管理的年报，又分别形成不同层面的KPI记分卡，对其运行控制、执行监督、计划考核及战略计划各层的运营绩效、调度绩效、计划绩效、财务绩效、6σ绩效进行管理。
(4)  操作者仿真培训。

    总之，最佳运行方案的设计是按订单进行计划（P）、按计划进行调度（S）、按工厂能力进行优化（O）并执行（E）；再对执行结果进行度量统计（M）、对度量统计结果进行分析（A），根据分析进行改进（I），形成一个P、S、O、E、M、A、I良性循环的实时绩效管理（Real-Time Performance Management）。

2   石油化工业智能化生产技术的发展趋势

    21世纪，世界将全面进入知识经济时代。21世纪初叶，主导知识经济社会的仍是信息经济。进入21世纪以来，世界上的石油化工企业都面临着共同的挑战，诸如最大限度地降低成本、提高利润、保障安全、生产清洁产品、面对全球性竞争和获得最佳运营业绩等等。在这种形势下，石油化工业智能化生产技术的发展趋势如下：
(1)  发展智能仪表和现场总线技术
    在高新技术推动下，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、低功耗、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，而且是从原油的进厂到产品的出厂，确保每桶原油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，分析周期将缩短十倍到几十倍，普遍采用如NMR（Nuclear Magnetic Resonance，核磁共振分析）、微波（Microware）、近红外光谱（NIR）分析技术，实现分子级（Molecular）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、成分分析系统取而代之，最大限度地改善过程控制和环境监测质量。

    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。

    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，并为严格的实时优化模型提供数据，还与组份模型结合，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，一天以内足以模拟全厂的所有装置和单元。

(2)  生产执行系统将走向成熟并成为应用热点
    生产执行系统又叫制造执行系统或生产运行管理系统，是解决过程控制层和经营层之间信息隔断的关键。Emerson公司引自《SCOR》的数据表明，ERP的实施规模大、周期长，导致46%逾期完工，41%超过支出预算，49%财务未达目标，没实现预期的回报。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，连接现场被忽略了，这就是生产执行系统产生的原由。生产执行系统将随着计算机技术、网络技术和通信技术的发展，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、罐区油品计量输转、库存管理自动化、在线调和优化控制、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显著成熟，今后10年或20年，将是石油化工业看好并且迅速普及的技术领域。

(3)  从ERP提升到供应链管理（SCM）和电子商务
    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。

    以财务为核心，集物流、资金流、信息流为一体，包括财务会计（FI）、管理会计（CO）、销售与分销（SD）、物料管理（MM）、流程行业生产计划（PP）、工厂与设备维护（PM）、人力资源（HR），甚至包括资产会计、项目管理、库存管理、电子市场（e-Procurement &e-Marketplace）等模块。覆盖了石油勘探、开发、原油储运、炼油、化工、石化产品配送和销售，以及油库、加油站的整个供应链的企业资源计划。其中，Shell使用ERP的用户已经达到6.1万个，占其分布全球近150个国家和地区雇员总数的55%。其早期基本采取分散式，仅SAP系统就达60多套。现在考虑进一步规范核心业务流程和降低IT运行成本，将IT系统变成集中式的结构。目前，其人力资源系统采用完全集中式，欧洲ERP为集中式，马来西亚ERP为5个国家和地区的集中模式，其他多为一个国家一个系统，最终将按三个事业部整合为三个集中的系统。ExxonMobil的ERP实施覆盖了全球200多个国家中的分支机构的运营，涉及10万名员工。其早期采取分布模式，每个地区或国家有一套SAP系统，现在已经集成为整个公司一套SAP系统，而且服务器也实现了大集中。

    专家认为，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，而进入21世纪后则转为以供应链管理为主的企业运营管理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，是在现在看过去，而EOM则是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、现在来推断、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，构成了石油化工企业智能化生产技术的整体。

参考文献：
[1]  蔡建明. 大型公司IT应用要走集中化道路[J]. 北京: 中国化工信息, 2003, 30.
[2]  盛晓敏, 邓朝晖. 先进制造技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002.
[3]  盛定高. 现代制造技术概论[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003.