智能化生产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、销售、使用、服务乃至回收的全过程，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。

　　本文作者综述化工智能化生产技术及其在化学工业中的应用与进展。

　　1 仪表与自动化系统的数字化

　　自动化系统指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程，其目标是"稳，准，快".自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。因此，自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显着标志。

　　仪表与自动化系统经历了气动仪表（PCS,即代过程控制系统）、基于电动仪表（0~10mA、4~20mA模拟电流信号）的电动单元组合式模拟仪表控制系统（ACS,即第二代过程控制系统）、基于计算机的直接数字控制和监督计算机控制或计算机控制系统（即DDC、SCC、CCS,第三代过程控制系统）和基于微处理器的分布式控制系统（DCS,即第四代过程控制系统）后，又发展到了第五代过程控制系统。微处理器用一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。微处理器与传统的中央处理器相比，具有体积小，重量轻和容易模块化等优点。微处理器的基本组成部分有：寄存器堆、运算器、时序控制电路，以及数据和地址总线。微处理器能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。

　　第四代DCS产品的主要标志是集成，其覆盖现场仪表层、控制装置单元层、工厂层和企业层4个层次。而前三代只覆盖前三层，第四代则已成为过程控制和信息管理的综合信息平台。其功能包括过程控制、PLC、RTU（远程采集发送器）、FCS、多回路调节器、智能采集和控制单元等功能集成以及组态软件、I/O组件、PLC单元等产品集成，还包容过程控制、逻辑控制、批处理控制，并实现混合控制。

　　1980年后出现的基于现场总线技术（Fieldbus）的现场总线控制系统（FCS）即第五代过程控制系统。目前正在发展过程中，其标准尚未统一，总体上是DCS、PLC、FCS三者的结合。现场总线（Fieldbus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。现场总线（Fieldbus）是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于  现场总线技术

　　过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。

　　今后的发展趋势是发展智能仪表和现场总线技术，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。微型传感器和组分模型在分子级对物理化学过程进行跟踪和控制，微传感器技术发展速度快，一些理论、方法及实现技术尚未成熟的特点，本书紧密结合微传感器的发展动态，对热、辐射、机械、磁、化学量微传感器的基本理论及实现技术进行分类阐述，同时介绍了微传感器系统及其数据获取与处理方面的知识，旨在为读者提供一本微传感器方面的入门读物。本书帮助读者在掌握微传感器基础知识的基础上，建立微传感器设计、研究、制作及实验分析等方面的基本概念。当遇到具体的微传感器问题时，能查到文献，能读懂文献内容，能自行设计实验，能对实验结果进行分析总结。而且是从原料的进厂到产品的出厂确保实现潜在的价值。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，分析周期将缩短到十至几十分之一，普遍采用如核磁共振（NMR）、微波（Microware）、近红外光谱（NIR）分析技术，实现分子级的实时、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、成分分析系统取代，限度地改善过程控制和环境监测质量。

　　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、实时的优化模型提供数据；还与组分模型结合，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，才需要处理。

　　PLC、SCADA、DCS 控制系统、现场总线、工业以太网的发展趋势呈现以下特点：

　　（1）系统功能从低层（现场控制层）逐步向高层（监督控制、生产调度管理）扩展。

　　（2）控制功能由单一的回路控制，逐步向综合的逻辑控制、顺序控制、程序控制、批量控制、配方控制、混合控制以及先进控制发展。

　　（3）系统构成部件由DCS厂家专有的产品变为开放的市场采购产品。

　　（4）技术标准逐渐走向开放、统一、集成。

　　（5）由于开放性推进产品的趋同性，迫使DCS厂商向高层、与生产工艺结合紧密的控制功能发展，以求得短时间的差异性。

　　（6）数字化向现场仪表装置延伸，导致DCS体系结构和现场功能数字化、智能化、分散化。DCS系统（DIstributed Control System,分散控制系统）是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统。它是计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术相结合的产物，可提供窗口友好的人机界面和强大的通讯功能，是完成过程控制、过程管理的现代化设备，具有广阔的应用前景。

　　（7）标准的串行总线（以太网及其之上的TCP/IP协议、Porfibus、Modbus等）已成为DCS等工业控制系统中车间控制器广泛采用的标准通信网络和协议，但不可能取代底层的现场总线。

　　（8）生产区域现场控制装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线（FieldBus）。现场总线技术在20世纪70年代末出现，90年代成为热点，是从模拟仪表到数字计算机的现场信号传输标准，真正解决了从仪表到计算机的换代问题，促进了仪表信息处理的现场化，形成了全数字化（变量单元和执行单元）、信息化和集成化的新一代DCS.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。FCS是由DCS与PLC发展而来，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了革命性的一步。而目前，新型的DCS与新型的PLC,都有向对方靠拢的趋势。新型的DCS已有很强的顺序控制功能；而新型的PLC,在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的交叉。DCS系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。

　　（9）新一代即第四代DCS有过程知识系统、工厂资源管理系统，例如ABB的Industrial IT系统和HOLLiAS的国产HOLLiAS-Macs系统等，主要特征是集成和信息化，实现全厂实时控制以及PCS、MES和ERP 层的信息集成；混合控制系统：包容PLC、RTU、FCS等，进一步分散化；I/O处理单元小型化、智能化、低成本；提供了丰富的设备诊断、维修和管理功能。新一代DCS不仅是综合控制系统，而且是集成化的综合控制与信息管理系统。

　　（10）PLC是一种产品形态的、可独立运行的、执行直接控制功能的控制器系统。早期以逻辑控制为主。其小型PLC的I/O总数较少，约数十点；中型则由主机架和扩展机架组成，I/O总数则达500点左右；大型PLC系统由多台PLC和高速网络构成，可实现数千个I/O点的强大控制功能。PLC主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器，用于控制机械的生产过程。可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

　　另外，早期的SCADA系统只是针对远程测量和监控，近年来的SCADA 则基于广域网和互联网，而且不局限于远程遥测遥控，而泛指以监督控制为主的各种计算机系统，其组成可以是PLC设备，也可以是DCS,或者是专用的SCADA产品。

　　2 生产经营管理与生产过程控制的集成化或一体化

　　MES属于企业管理应用软件的范围，起源于离散工业，又扩展到流程工业。DCS普及后，至今DCS和MES之间的接口还是薄弱环节。所以，在MES中，专门设计了PIMS（工厂信息管理系统），接收DCS实时数据，实现生产绩效管理和运行数据的集成。

　　流程工业MES的主要功能模块一般包括短期生产计划、作业排产和调度（APS）、过程控制和管理、维护管理、技术信息管理、过程优化控制（APC）、提高质量管理功能的LIMS以及与ERP之间的连接。

　　下面列举国外两个针对流程工业尤其适用于石油化工的比较突出和的MES产品方案：

　　2.1 Honeywell的MES方案

　　Honeywell公司是世界着名的自动化仪表、过程控制和工业软件公司，其MES产品从20世纪90年代末开始，先由单一的MES功能模块发展到整体解决方案。

　　其MES产品的是Business.FLEX# PKS#.该产品将经营目标转化为生产操作目标，同时将经过处理验证的生产绩效数据进行反馈，从而形成计划管理层、生产执行层和过程控制层三个层次的周期循环。

　　该产品由价值链管理（VCM）、先进计划与调度（AP&S）、运行管理、油品调和及储运自动化（BMA）和生产管理5个应用套件共30多个模块组成。价值链管理又包括销售预测、运输计划、生产排产、原材料计划、供应链事件管理、库存计划、价值链循环优化和生产计划管理等。先进计划调度包括原材料供应及产品分配与优化、原油组分分析、原油采购计划、原油调度优化、生产实况分析、油品调和调度等。运行管理包括操作指令下达、运行监控、事件监控、实验室信息管理与集成、油罐组分跟踪、产品规格管理、多单元生产运行计划等。生产管理包括物料平衡和库存盘点、成本核算、组分计算与平衡、批量跟踪与控制、原材料消耗统计、物料移动跟踪、多单元生产运行计划、操作指令下达和实验室信息管理等。方案如图1所示。

　　图1 HoneywellMES解决方案

　　另外，Honeywell又将其MES解决方案与资产管理解决方案--@SSET.MAXTM、先进控制与区域优化解决方案--Profit.PlusTM、生产信息集成平台--Uniformance#等应用套件和信息集成平台整合为协同生产管理解决方案，也可看成是其广义的MES或者是MES功能模块的扩充。

　　2.2 ASPENTech的MES方案

　　美国ASPENTech公司是化学工业领域着名的流程模拟、先进控制和供应链管理优化软件公司，近几年经过并购和整合，也定位在MES解决方案供应商。它提出了企业运营管理的理念并开发集成了相应的软件产品。根据ASPEN的定义，企业运营管理（EOM）是一个企业级的集成解决方案，把ERP层、MES层和DCS层进行整合，高效地设计、管理和运营制造与供应链的相关业务。根据ASPEN的观点，ERP的功能是回答已发生了什么，ASPEN公司用于过程工业运营管理的MES产品为ASPENPlantelligence,即智能工厂解决方案，如图2所示。

　　图2 ASPENPlantelligence方案

　　该方案自1998年推出，并不断发展和完善，得到了许多大型石油化工公司的采用。方案主要包括流程模拟、虚拟工厂模拟器、生产计划与优化、生产调度与优化、先进控制与实时优化（RTOPT）、实时数据库可用于工厂过程的自动采集、存储和监视，可在线存储每个工艺过程点的多年数据，可以提供清晰、的操作情况画面，用户既可浏览工厂当前的生产情况，也可回顾过去的生产情况，可以说，实时数据库对于流程工厂来说就如同飞机上的"黑匣子".与信息管理、数据校正与物料平衡、绩效监控与绩效管理、油品调和、生产指令管理与操作日志、油品移动和罐区管理等11个功能模块以及ASPENEnterprisePlatform（AEP）集成平台，实现生产经营管理与生产过程控制的一体化。

　　今后的发展趋势是，生产执行系统将走向成熟并成为应用热点，是解决过程控制层和经营层之间信息隔断的关键。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。

　　,这就是生产执行系统产生的原由。生产执行系统将逐渐成为集成化的生产执行系统（I-MES）。生产执行系统，英文是Manufacturing Execution System, 简称MES. 本处采用了中国仪器仪表学会的译法，也被译作"制造执行系统". 生产执行系统是美国AMR公司（Advanced Manufacturing Research,Inc.）在90年代初提出的，旨在加强物料需求计划的执行功能，通过生产执行系统把物料需求计划同车间作业现场控制联系起来。AMR公司将MES定义为"位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统",它为操作人员/管理人员提供计划的执行、并跟踪所有生产相关资源（人员、设备、物料等）的当前状态。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、罐区计量输转、库存管理自动化、在线优化控制、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）。

　　3 企业内部与外部供应链管理一体化

　　ERP是对企业资源进行有效综合的计划与管理，是提高企业经营效率和效益的手段和概念。ERP是Event-related Potentials的简称，事件相关电位，是一种特殊的脑诱发电位，通过有意地赋予刺激仪特殊的心理意义，利用多个或多样的刺激所引起的脑的电位。另外，也指企业资源计划（Enterprise Resource Planning）、有效不应期（Effective Refractive Period）、制造rmvb格式的软件（Easy RealMedia Producer）、电子道路计价（Electronic Road Pricing）。其中心是计划，而不是财务。实现这个目的软件叫ERP软件，当前德国SAP公司的R/3有名。ERP面向企业的主要业务，包括产品定货、原材料采购、生产制造、配送、销售、会计等一系列业务流，是覆盖全公司的信息系统，其关键业务包括计划、财务会计和管理会计，还有人力资源管理等。ERP的数据库要与实时数据库相连，提取生产过程的有关数据，ERP又和供应链管理（SCM）集成。

　　供应链指相互之间提供原材料、零部件、产品、技术或者服务的生产商、供应商、零售商以及合作伙伴等组成的网络关系。供应链管理（SCM）则是对供应链中涉及的物流、资金流、信息流进行规划、设计、管理与控制，从而提高供应链中各个成员的效率、效益和竞争能力。终保证客户满意，即在正确的时间把正确的产品或服务送到正确的地点。

　　供应链是将企业活动当作一种供需过程描述，即从初获取原材料到通过生产制造，转换成终产品，交付给终用户的采购、生产、销售的若干供需环节的有序链接。供应链管理是对供应链所涉及的组织的集成和对物流、资金流、信息流的协同，提高供应链相关企业的竞争能力。

　　广义供应链管理，包括供应链规划（SCP）、供应链执行（SCE）和传统的进、销、存管理；狭义供应链管理，包括供应链执行和传统的进、销、存管理。供应链管理与另外几个概念有关，但有区别，如图3所示。

　　图3 供应链及其相关概念的关系

　　后勤管理是指经过分销渠道达到终用户的物料管理和信息管理，又发展为后勤工程、后勤管理和后勤分配。

　　物资配送管理，指处理与企业直接的用户之间的物流业务，把产品销售给用户。近几年，后勤管理基本上泛指物流管理。

　　物料管理指供应链中间部分的物流和信息流。即采购、库存管理、仓储管理、生产作业计划控制、分销配送管理等，包括从原料的采购进厂、入库、生产再到产品交付给用户。

　　供应链管理的内容从20世纪中期开始出现。对制造业，从早期的MRP$到ERP就是它的起源。由MRP和MRP$到SCM,从企业内部延伸到外部，都体现了供应链管理的产生和发展进程。

　　20世纪80年代后期，一些重要的公司如BASF、DOW、Dupont发现，单靠企业自身生产过程优化和经营管理改善，所获得的效益越来越小，因此开始考虑由"眼睛向内"转到"眼睛向外",分析上下游企业的供需关系。到90年代，这些企业不得不把管理的视点转移到与自己相关的、但却是独立的企业之间的协调和企业外部的物流、资金流和信息流的集成和优化上。只在事后反映企业做了什么、做得怎样，并不能在事前告诉企业要做什么、怎样做好。因此，发展、扩展ERP势在必行。

　　计划与排产计划（APS）可以对总体资源和产品族进行长达数年的预测，可以完成ERP的主生产计划、物料需求计划、能力计划和年度进度编制的工作。APS着眼点是整个供应链，其计划范围已扩展到企业外部，并采用线形规划、约束优化、模拟、OLAP等决策技术，解决许多复杂问题。因此，现在ERP一般同时作为APS的信息源，并接收APS计划、决策、预测的结果。现在的ERP有用APS引擎取代MRP模块或把APS作为ERP 套件之一的趋势，这就是扩展的ERP概念。

　　从ERP提升到供应链管理（SCM）和电子商务是今后的发展趋势。目前，国外前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。

　　4 结 语

　　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,进入21世纪后则转为以供应链管理为主的企业运营管理。指导企业执行决策；是从供应链的角度，注重增值的环节，从过去、现在推断、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，则构成了化工企业智能化生产技术的整体。

　　今后几年，化工智能制造技术即化工信息化技术的重点将是检测技术的数字化、控制技术的智能化、生产过程控制与经营管理一体化，以及企业内部与外部供应链管理优化的一体化。