流程工业管控一体化技术

作者：北京泰科威科技有限公司 卞正岗

欢迎访问e展厅 展厅 7 工业PC/工控机展厅 DCS卡, 平板电脑, 工控板, 单板机, 监控系统, ... 前言：由于计算机技术和网络技术的飞速发展，一个以信息化带动工业化的热潮，在我国企业中受到了高度重视。自1973年美国J.Harrington博士提出CIM计算机集成制造的概念以来，逐渐在机械工业及其它离散工业形成了CIMS计算机集成制造系统。在石油化工、冶金、电力、建材、轻工、医药、食品等流程工业为主的行业形成了CIPS计算机集成生产系统，一般人称之为CIMS。近十多年来，管控一体化的提法，更是脍炙人口。人们意识到要使企业与市场经济接轨，要增强企业核心竞争力，管控一体化的建设是当务之急。 不用讳言，CIMS本来是于机械制造业的CAD/CAM/CAPP的技术过关，其底层自动化由单机自动化走向系统自动化(或生产线自动化)及柔性制造、精良制造、敏捷制造、快速重组制造、虚拟制造技术的发展等等因素而发展起来。而这些，与流程工业的情况是有差异的。但是从管控一体化的角度看，从物质、能源和信息三大要素来看，从企业获取利润要通过算帐（包括预先算帐）、控制资金流向、达到最佳的客户满意度等管理要素来看，又基本相同。再细加分析，流程工业中，多种机电设备启停等均为离散控制、运动控制、原料和成品包装、称量、储运等及钢铁生产中后一阶段轧钢等为离散控制，所以流程工业中连续生产和离散生产混合型企业是很多的。一般来说，控制部分由控制对象不同，各行业差异较大；而管理部分由企业最终获取最大利润的目的相同，各行业则共同点较多。 流程工业除去生产连续性，管道化，资源能源消耗大及对环境影响大等方面特点外，影响着控制和管理两方面的物流信息是有其复杂性的，如石化企业原料原油成份差异大，就造成加工方案不同，二级负荷分配不同，下游产品不同，要做到按订单生产，这就使管理和控制有多种调度方案，形成最佳方案，将管理经验与计算机、网络技术相结合，考虑到一般企业的共性和石化企业的个性，实现符合该企业要求的管控一体化系统，以达到利润最大化、库存最小化、安全生产、环保节能，满足客户要求等项综合指标。 流程工业管控一体化的三层结构 在管控一体化技术的发展过程中，体系结构经过了10多年的发展，流程工业中已由美国普渡大学的PURDUE企业参政体系的五层结构经营决策层、企业管理层、生产调度层、过程优化层（过程监控层）、过程控制层过渡为三层结构（见图1），即BPS经营计划系统（Business Planning System）、MES制执行系统（Manufacturing Execution System）、PCS过程控制系统(Process Control System)。有鉴于BPS层是以ERP企业资源计划（Enterprise Resource Planning）为主，通常三层结构表述为ERP/MES/PCS，简述为计划层/执行层/控制层或管理层/生产层/控制层，这样解决了企业管理和生产中一些共性的问题。也为管理和控制链接中各企业的个性问题提供了解决方法。 ERP层是以财务分析/决策为核心的整体资源优化的技术，MES层是以生产综合指标为目标的生产过程优化控制、生产运行优化操作与优化管理的技术 ；PCS层是以产品的质量、数量和满足工艺要求为目标的以设备综合管理控制为核心的技术；ESP层强调企业的计划性，MES层强调计划的执行，PCS层强调设备的控制；其集成的数据流为ERP是100倍时间因子，时间粒度为天、周、月、季、年；MES层是10倍时间因子，时间粒度为秒、分、时、班、天、周、月、季、年 ；PCS层是1倍的时间因子，小于1秒或秒、分、时、班；信息反馈环有公司统计结果为控制对象，生产装置运行结果为控制对象，单回路控制、多回路控制及先进控制系统等三种类型（齐鲁石化公司信息部夏茂森副部长提出）……综合起来，成为一个信息集成动态系统，实现物流、信息流、资金流三流合一，实现人、财、物等资源的最佳利用，实现产、供、销业务结合，完成正常生产和突发事务处理，实现企业价值的最大化。 管控一体化系统是建立在计算机系统基础之上的，由于网络技术的发展，已实现扁平化，PCS层的DCS/PLC/SCADA/FCS、MES层和ERP层的服务器/客户器和HMI等各节点，分布在经交换机，集线器及各种接口连接而成的10M/100M/1000M的以太网上，由统一的或分级的实时数据库和关系数据库构成的数据共享的平台和以WEB技术为核心的信息交换平台，保证管控一体化各功能模块的正常运用行，保证开发人员和管理人员的日常操作和维护，因这主面不是本文重点，所以从略。 三层结构在功能划分上虽有重叠，但各有侧重，如同是设备管理，PCS层注重设备监控（如采用现场总线技术则设备故障诊断信息更丰富），MES层注重设备管理，ERP层注重设备维修计划、备品备件、设备资产管理等。其它生产计划、调度、成本、物流等方面，三层对数据的应用上也与此类似，关于石化企业，多变量预测控等先进控制功能模块，有些企业将其放在PCS层，也有些企业将其放在MES层。 流程工业由于连续长时间的生产，对设备管理，降低生产成本、配方及主副产品管理就给以足够重视，又流程工业工艺过程比较固定，所以生产计划应以工艺为主线。 由于互联网的普及，ERP层与企业外的联系加强了，所以供、销两方面的SCM供应链管理和CRM客户关系管理（或称SSM销售服务管理）得到加强，国家经贸季，信息产业部在2002年联合发布的“大力推进企业管理信息化建设指导意见”中提到ERP、SCM、CRM三项为工业IT的综合性管理体制理信息化系统，表示了对SCM、CRM在企业信息化建设中作用的重视。今后，SCM和CRM将与电子商务（EC）为现代企业的发展，开辟了一个新天地。 三层结构的确定，必然导致整个企业的业务流程、组织机构要经过改造与之相适应，企业管理制度、管理流程、业务报表等三项文件应作修改。 管控一体化的实施应按总体规划在先、分步实施在后的方法进行。在总体规划阶段，如上述的组织机构变动等三项文件及基础数据，信息编码、动态数据表的准备工作是很重要的 ；分步实施的方法可以自下而上、自上而下或齐头并进，因为模块是有相对独立性的，可以用手工方法试运行，但一般以先启用基础管理模块，如管理、生产数据管理模块为好，在此基础上再陆续启用其它外围模块 ；最终应通过绩效考核等模块的运行，使三层结构连成一体，起到管理决策效果，达到我们通常所说的“向管理要效益”。 MES形成了热点 在ERP推行了一段时间之后，人们发现要实现企业综合自动化（即管控一体化），对于处于中间层的生产现场管理或所谓的“车间”层控制SFC（Shop Floor Control）是不可或缺的。 20世纪90年代初美国管理界提出了MES层，MESA（Manufacturing Enterprise Solutions Association）对MES作如下定义：MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进生优化管理。当工厂发生实时事件时，MES能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使MES能够减少企业内部设有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力，改善物料的流通性能，又能提高生产回报率，通过双向的直接通讯在企业内部和副食产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。 MES在国外企业中推广很快，据美国AMR（Advanced Manufacturing Research）调整，对系统的计划及计划落实、实现操作过程自动化均很有利，能达到减少制造周期时间45%，减少数据输入时间为75%，为交班而准备的纸面工作可减少61%，以及减速少产品缺陷18%。 在流程工业中，MES又称为生产过程运行优化层，因生产管理与企业内部生产管理经验关系较密切，各行业、各企业的个性化问题较多，所以通用的MES软件较少，或需要客户化定制，需要自主开发和合作开发的MES软件较多，系统集成中业务流程特殊要求较多……。一般流程工业中主要技术有计划与调度技术、建模与流程模拟技术、实时优化技术、APC先进控制技术、故障诊断与维护技术、动态成本控制与管理技术、动态质量控制与管理技术、LIMS化验分析技术、数据校正技术、数据挖掘技术、数据仓库技术等。炼油石化企业还有油品调和技术、油品储运技术等。 MESA归纳有11个功能模块，即资源分配和状态管理、工序详细调度、生产单元分配、文档控制、数据采集、人力资源管理、质量管理、过程管理、维护管理、产品跟踪和产品清单管理、产品性能分析。MES在ERP和PCS之间起到了信息集线器的作用，架起了桥梁，解决了企业内部信息瓶颈问题。MES对来自ERP层的生产计划细化、分解，并会同质量、工艺、设备信息，从而生成操作指令，传递给PCS层实时监控PCS层的运行状态，采集物料、工艺、质量、设备状态数据，经过分析、计算与处理，触发新的事件，并将生产状态传递给ERP层，使管控一体化系统形成一个有机的整体，所以说MES是实现企业综合自动化的关键。 国内外情况 现代化的企业管理经历了MIS、CIMS直至现今的管控一体化诸阶段，ERP的应用（包括早期的MRP、MRP-Ⅱ等）已有20多年历史，1997年世界市场营业额约68亿美元，ERP产品已做到大型化、特色化，支持多种行业和各种类型企业等，应用的效果可以ARC调查报告为证。ARC调查后得出结论为：流程工业管控一体化技术可获得如下经济效益：产品质量提高19.2%、劳动生产率提高13.5%、产量提高11.5%，所以国外应用很广，尤以ERP为主，近10年MES也逐渐普及。 国外有多家从事管控一体化软件开发和工程公司，ERP方面有SAP、BANN、PEOPLE SOFT、ORACLE、GARTNER GROUP等公司；MES方面有ASPENTECH、CAMSTAR SYSTEM、MOUNTAIN SYSTEM等公司；另有一类原来生产DCS、PLC、HMI等PCS产品的公司，也开发了管控一体化的产品或在自动化系统中兼有管控一体化功能的产品，如HONEYWELL、ABB、SIEMENS、横河及GE Fanuc、ROCKWELL、Wonderware等公司。SAP公司的R/3财务管理系统应用很广，在全世界已有120多个国家采用此系统。 国内对ERP、MES等方面的软件需求很旺盛，所以外国相关公司均在国内设有办事处，或与中方合作，而且也陆续推出中文版软件。国内原来的财务软件公司和自动化、计算机公司也扩展了这方面的业务，较有名的有用友、金蝶、和利时、浙大中控、太极等公司。 国内在应用方面自1981年沈阳第一机床厂德国引进第一套MRPⅡ以来，已有700多家开展管控一体化的应用工作，流程工业中应用较好的有华北制药集团，它与和利时公司合作，取得了一定的经济效应。钢铁冶炼企业有宝钢、天津大无缝、酒泉钢铁公司，贵溪冶炼厂等企业。炼油石化企业实行管控一体化的企业较多，齐鲁石化公司、福建炼油厂等企业进行CIMS建设较早。由有关年鉴得知，近年来，在中石化总公司的组织下，先行在镇海炼化股份有限公司、仪征化纤股份有限公司、江苏石油公司、天津石油公司4家进行试点，以后再逐渐全面铺开。这4家公司在总体规划下，采用SAP公司的mySAP.com软件包，实施咨询顾问为埃森哲公司（ACCENTURE），2002年完成了企业ERP的初步设计、详细设计、运行环境准备、系统配置、数据准备和转换、集成测试、用户测试、人员培训等工作，目前运行良好，运行模块如表1所示。 结束语：国内应用正处在MES推广阶段，它将对管控一体化产生效益起到推动作用，让现代企业能够做到年有目标、季有计划、月有重点、日有调整，让设定、优化、监督、调整、跟踪、记录诸项做到顺畅而高效地运转。(end)

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