流程工业综合自动化技术发展的思考

流程工业综合自动化技术发展的思考

流程工业是指在我国国民经济中占有重要经济地位的石化、炼油、化工、冶金、制药、建材、轻工、造纸、采矿、环保、电力等工业行业。这些行业普遍存在能耗大、产品质量差、生产过程工艺落后、自动化水平低、管理水平低、信息集成度低、综合竞争力弱等现状。流程工业综合自动化系统是将先进的工艺装备技术、现代管理技术和以先进控制与优化技术为代表的信息技术相结合，将企业的生产过程控制、优化、运行、计划与管理作为一个整体进行控制与管理，提供整体解决方案，以实现企业的优化运行、优化控制与优化管理，从而成为提高企业竞争力的核心高技术。

1 我国流程工业企业对综合自动化技术的需求

流程工业是一个非常巨大的产业，在产业中占据重要的地位，是国民经济发展中极为重要的基础支柱产业，是制造业的重要组成部分。其特点是以处理连续或间歇物料流、能量流为主，产品多以大批量的形式生产。流程工业的生产和加工方法主要有化学反应、分离、混合等等，这些都与离散制造工业有显著不同。在知识经济时代的21世纪，作为传统工业的流程工业将仍然是经济发展的重要支柱产业。据1998年估计全球流程工业的年产值超过5万亿美元，其中仅化工和石油化工部分就超过1万2千亿美元。根据2000年中国统计年鉴，1999年按行业分国有及国有控股企业中，工业总产值35 571.18亿元，工业增加值12 132.41亿元。其中典型的流程工业工业总产值共计23 396.53亿元，占总产值的65.77％，工业增加值8 810.18亿元，占总量的72.62％。数据参阅表1［1］。

从我国2000年工业统计数据来看，工业总产值、工业增加值等主要经济指标，石油和化学工业均居全国第1位，其实现利润占全国工业利润的25.45％；冶金工业居全国第2位；电力工业居第3位。我国22家骨干企业中，流程工业企业约占1/3；在71家重点企业中，流程工业企业约占1/2。在2000年全球500强的行业中，中国石油化工集团公司居58位、中国国家电力公司居83位、中国化工进出口总公司居307位。由此可见，流程工业在我国国民经济中的重要地位。

但所有这些流程工业均存在能耗高、成本高、劳动生产率低、资源利用率低的特点，能耗普遍比国外先进水平高出30％，劳动生产率只及国外的20%～30％左右，生产成本普遍高出国外1～2倍。美国60％的石化企业应用了先进控制技术（我国不到20％），在线优化的过程生产增加收益的典型值为装置产值的3%～5％（我国不到1％）。又如有色金属行业，我国10种常用有色金属年产量为650多万t，居世界第2位，但由于总体过程自动化技术和装备水平与国外相比还有较大的差距，使得我国有色金属行业采选业资源利用率仅为35%，发达国家为60％以上；硫利用率（环境污染）我国为50％，发达国家为95％以上。

据美国ARC公司调查，应用流程工业综合自动化技术可获得显著的经济效益，如产品质量提高19.2%，劳动生产率提高13.5％，产量提高11.5％。这正是流程工业综合自动化技术的重要潜在市场。

2 综合自动化技术国内外发展的现状

20世纪80年代后期，随着计算机技术和网络技术的迅速发展，流程工业控制中出现了多学科间的相互渗透与交叉，信号处理技术、计算机技术、通讯技术及计算机网络与自动控制技术的结合使过程控制开始突破自动化孤岛模式，出现了集控制、优化、调度、管理、经营于一体的综合自动化新模式。

20世纪90年代，随着计算机技术的日新月异，计算机集成生产系统的研究已成为自动化领域的一个前沿课题。国外大型流程企业、特别是石油化工企业均重视信息集成技术的应用，纷纷以极大的热情和精力，构架工厂级、公司级甚至超公司级的信息集成系统。1995年美国、日本、西欧等国已有100多家炼油、化工企业在实施CIMS计划，推动了流程工业综合

自动化技术在实际生产中的应用，如日本三井石油化学工业公司、美国德曹达公司、高尔公司等化工企业都相继建立了综合自动化系统。

意大利AGIP石油公司提出了以数据模型为核心的工厂信息集成系统的方案，信息采集从低层到上层，从供应链的源头到产品的客户。他以面向数据的模型为核心系统，连接实时数据库和关系数据库，对生产过程进行过程监视、控制和诊断，环境监测，单元整合，模拟和优化。在管理决策层进行物料平衡、生产计划、调度、排产、企业资源计划、离线在线模拟与优化等。目前国外实施综合自动化技术的大型流程工业企业已占很大比例。

另一方面，国外已有许多传统的自动化仪器仪表厂家逐步向综合自动化整体解决方案供应商转化，如Honeywell、ABB、Rockwell等著名公司。Rockwell公司提出e－ManufacturingTM 解决方案；ABB公司提出基于MES（生产过程制造执行系统）的综合自动化解决方案，开发相应的工业IT；AspenTech和Honeywell这两家大公司都已不再局限于过程自动化系统与软件领域，而是在其中下层自动化软硬件优势的基础上分别提出了面向企业整体的解决方案，如AspenTech公司推出的Aspen Engineering SuiteTM、Aspen Manufacturing SuiteTM和Aspen Supply Chain SuiteTM套件，以及提出了智能化工厂的概念PlantelligenceTM。Honeywell的子公司HiSpec Solutions推出面向石油与天然气、制浆造纸、化工、炼油工业的Unified ManufacturingTM Solutions for Business Optimization套件。例如：过程优化是工业过程自动化的核心技术之一，他通过生产装置的安全平稳运行和优化操作使生产计划高效地实施。为了实现这一目标，首先需获取正确反映生产装置状态的原始生产数据，利用数据校正技术，分析、综合出产品质量、装置能力及状况、能源消耗、故障报警等信息，实现质量监控、故障诊断和安全管理，同时利用流程模拟技术模拟生产装置状况，进行生产作业计划的优化调度，以最少的能耗、最高的安全性或最大的产品效益，确定各个生产装置的负荷并通过静态实时优化向先进控制层提供最优操作条件。因此，这些大公司已逐步形成了对流程企业综合自动化软件和系统产品的垄断之势，软件及服务价格动辄在几十万到几百万美元，并已开始大规模地向我国国内市场推销。

非常重要的一点是国外著名大公司及研究机构已针对综合自动化技术与系统提出了2个重要的概念：一是提出解决方案，二是发展工业信息技术（工业IT）。这对发展我国的综合自动化技术及相应的软硬件产业提供了很好的思路［2］。

我国经过20年的研究和攻关，在流程工业综合自动化领域已积累了大量的科研成果，特别是在“九五”计划期间，产生了大批具有产业化前景的高技术成果和产品，如集散控制系统（DCS)、现场总线技术、先进控制软件、实时优化软件、过程管理与优化软件、企业管理和生产调度系统软件等。已缩短了与国际先进水平的差距，部分成果达到国际先进水平，并广泛应用于国内众多石化、化工、医药、冶金、建材／轻工等流程企业，产生了巨大的经济效益和社会效益。在以信息化带动工业化的进程中发挥了重要的作用。

但总体而言，我国在流程工业综合自动化技术与系统的研究与产业化过程中同国外先进技术相比还存在很大的差距，主要体现在技术深度上不够、应用基础研究不够、相关领域技术借用不够、系统化程度不够、集成能力不够、产品化程度不够、产业化能力不强等诸多方面。近5年来，通过“九五”科技攻关和863高技术计划CIMS主题的大力支持，在以下几方面取得了重大突破：(1)研制开发成功了集散控制系统（DCS），并实现了产业化，目前在国内市场占有率达到35％左右；(2)研制开发成功基于现场总线FF、HART、Profibus等技术的现场设备与控制系统；(3)在以MES为核心的ERP/MES/PCS综合自动化体系结构中，形成了一批MES的功能化模块及软件；(4)研制开发了一批先进的控制软件及优化管理技术、方法的软件，并取得了初步的应用；(5)通过“九五”攻关和863计划CIMS主题的支持，已初步建设了一批典型的示范工程，并在相关基础研究方面取得了一系列重要成果。

国内虽有许多高等院校和科研院所参与开发和攻关，但真正在原创性、产品化和产业化方面

取得突破的关键技术还远远满足不了市场的巨大需求。近10年来，许多科研人员参与技术和产品开发并进行创业活动，整体上取得了巨大的成功，拥有了一批具有自主知识产权的技术和产品，并有一定的市场份额，为今后大规模产业化和资产重组奠定了良好的基础。

3 流程工业综合自动化技术的主要内容

一般而言，流程工业企业对综合自动化技术的需求主要关注4方面的问题。(1)安全：即需要用高可靠性的控制系统、检测和执行机构对设备与装置的运行提供保证，进而对关键装置进行故障诊断与健康维护。(2)低成本：通过先进的工艺及工艺参数以降低能耗和原料消耗，以及通过先进的建模技术、控制技术和实时优化技术来提高产品的合格率和转化率。(3)高效率：通过先进的计划调度与排产技术和流程模拟技术来提高设备利用率和劳动生产率。（4）提高竞争力：通过数据和信息的综合集成，如先进的管理技术（包括ERP、CRM、SCM等）、电子商务、价值链分析技术等，以促进企业价值的增值，最终提高企业的综合竞争力。

根据国内外综合自动化技术的发展趋势和网络技术的发展现状，流程工业综合自动化技术的总体结构可以分成3层结构。

a.以PCS（过程控制系统）为代表的基础自动化层。主要内容包括先进控制软件、软测量技术、实时数据库技术、可靠性技术、数据融合与数据处理技术、集散控制系统(DCS)、现场控制系统（FCS）、多总线网络化控制系统、基于高速以太网和无线技术的现场控制设备、传感器技术、特种执行机构等等。

b.以MES（生产过程制造执行系统）为代表的生产过程运行优化层。主要内容包括先进建模与流程模拟技术（AMT：Advanced Modeling Technologies）、先进计划与调度技术（APS：Advanced Planning and Scheduling）、实时优化技术（RTO：Real-time Optimization）、故障诊断与健康维护技术、数据挖掘与数据校正技术、动态质量控制与管理技术、动态成本控制与管理技术等等。

c.以ERP（企业资源管理）为代表的企业生产经营优化层。主要内容包括企业资源管理（ERP）、供应链管理（SCM）、客户关系管理（CRM)、产品质量数据管理（PqDM)、数据仓库技术、设备资源管理、企业电子商务平台等等。

通过研究生产过程制造执行系统（MES）及相关技术，可以实现在线成本的预测、控制和反馈校正，以形成生产成本控制中心，保证生产过程的优化运行；可以实施生产全过程的优化调度、统一指挥，以形成生产指挥中心，保证生产过程的优化控制；可以实现生产过程的质量跟踪、安全监控，以形成质量管理体系和设备健康保障体系，保证生产过程的优化管理。

4 我国发展综合自动化技术的机会与挑战

近20年来，我国国民经济平均以8％左右的速度增长，为我国产业结构的调整和技术进步奠定了良好的基础和条件。同时我国经济增长的潜力已受制于产品创新和应用新技术。特别是用高新技术改造传统产业，用信息化带动工业化是我国经济继续腾飞的关键。因此对于在国民经济中占有重要地位的流程工业全面应用综合自动化技术，从而全面提升企业综合竞争力已成为基本共识。

随着我国市场经济体制的不断完善和加入WTO，工业企业通过技术改造增加产品竞争力的愿望越来越迫切，需要大量以生产过程制造执行系统（MES）为主的综合自动化技术、软件和服务，这是重要的“天时”。国外软件商对我国市场十分重视，在石化、钢铁、炼油、电力等行业，倾销其优化软件，但由于这些软件对我国工业企业的适应性不够、工程服务和维护费用过高等因素，进口软件产品并非都取得了预期的效益，这也为我们自行开发适合我国工业企业特点的、具有较高性能价格比的MES各功能软件，并提供及时、周到、价格适宜的现场工程服务带来机遇，这是我们的“地利与人和”。

面临即将到来的21世纪，我国企业的经营管理人员在面临市场全球化机遇的同时正面临着

更大的挑战，高效率、高质量、低消耗、弹性生产的全球市场需求正在给我国企业生产经营管理人员带来巨大的压力。随着企业规模的扩大和管理水平的提高，企业越来越迫切需要具有大型分布式数据库和实时数据库的综合集成软件平台及相应的各种应用软件。

以流程工业供应链为例说明为企业提供整体解决方案的益处［4，5］。企业供应链环节所涉及的成本占企业总成本的60％～80％，因此，高效的供应链管理可以使总成本下降10％，相当于节省总销售额的3%～6％。这种效益是从以下一些方面取得的：(1)生产制造成本下降15％；(2)运输费用下降10%；(3)按时交货改进下降15％；(4)定单完成时间减少25%～35%；(5)仓库库存下降50%～80%；(6)现金—至—现金周期比一般公司好40%～65%；(7)客户需求预测和管理明显改进。

由上可见对流程工业而言，除了工艺和装备的革新与进步外，最重要的技术手段就是靠综合自动化技术。

5 产学研结合促进我国综合自动化技术与应用的发展

近20年来，我国工业控制领域在静态优化、质量控制、故障诊断、数据校正等方面进行了许多理论研究和应用开发，但均未形成有影响的商品化软件，离高技术产业化更有较大的距离。究其原因主要有以下几点。

a.从算法到算法，从理论到理论。大多数的先进控制与优化软件的研究开发人员均来自高等院校和研究院所，其出发点是“推销”他们的研究成果，如各种最新的控制算法(非线性控制、神经元网络控制、同时镇定等等），研究人员并未深究企业的具体需求，很少能做到“急人所急”。

b.尚未找到发展综合自动化软件产业的运行模式。虽然许多高等学校、研究院所兴办了不少所谓的高科技公司，但仍未摆脱“科研”的烙印，IBM公司和CISCO公司等均在企业内部提出“不盲目崇拜技术”的理念，因此我们“必须停止崇拜单纯的技术，开始注重技术对于客户的真正价值”。

c.综合自动化技术的理论与工程应用研究水平有待提高。必须尽快提高基于PCS/MES/ERP 结构的综合自动化理论与技术水平，努力提高或改善用户企业的基础自动化程度、管理模式和经营理念，否则会严重限制综合自动化技术产业的市场空间。

d.缺少客户（市场）第一的整体解决方案。理论与应用的结合本是自动化领域的基本出发点，但实际上我们缺少对企业需求整体的分析，因此也就很难提出整体解决方案，另一方面也缺少系统集成的能力。

以石化工业综合自动化技术发展为例，其发展战略是结合国内外市场激烈竞争的需求及生产经营的特点，从生产装置控制、优化操作到计划调度，从信息集成到企业管理和经营决策等各个层次提高信息技术应用水平，力争5年内在过程控制和生产经营方面达到国外大型石化企业的先进水平。

综上所述，加强对流程工业综合自动化技术研究与应用的投入，并注重从企业及市场的需求出发，结合高等学校和科研院所的力量，以产业化为目标，加强产学研相结合，加速促进相应高技术产业的发展。

因此，流程工业综合自动化系统与技术的总体发展战略应是：以提高流程工业企业经济效益、降低生产成本和增强企业综合竞争力为主要目标，发展我国过程自动化装备工业和相关的软件产业，形成一批具有自主知识产权和标志性的综合自动化软件和硬件技术产品。通过重大典型示范工程的推动，全面提高我国流程工业经济效益和综合竞争力，促进我国过程自动化软硬件产业的跨越式发展。