流程工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與體系設(shè)計(jì)技術(shù)研究

摘 要:本文基于筆者多年從事工業(yè)自動(dòng)化的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以流程工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與體系設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，論文首先分析了流程自動(dòng)化企業(yè)的需求，進(jìn)而探討了綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的整體解決方案，全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞:流程工業(yè)企業(yè) 綜合自動(dòng)化系統(tǒng) 整體結(jié)構(gòu) 體系設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):TB47\t\t\t文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A\t\t\t文章編號(hào):1672-3791(2011)10(a)-0090-02

我國(guó)的石油、化工、冶金等流程工業(yè)企業(yè)，在以前的管理上，計(jì)算機(jī)(數(shù)據(jù)采集、設(shè)定值控制)、電工控制、儀表控制(主要指過程控制的溫度、壓力、液位、流量等物理量的儀表控制，或取代常規(guī)儀表的DCS控制)是分成幾部分，分屬不同專業(yè)，各自獨(dú)立發(fā)展。即使現(xiàn)在進(jìn)行了改革調(diào)整，部分企業(yè)將機(jī)電儀合為一個(gè)部門，但是在這個(gè)部門內(nèi)部，它們?nèi)匀皇前凑詹煌膶I(yè)來進(jìn)行管理的?，F(xiàn)在把這幾部分連接起來，或融合在一起，形成機(jī)、電、儀一體化的系統(tǒng)(也可稱為電儀一體化)，為流程工業(yè)企業(yè)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)打基礎(chǔ)。

隨著全球化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的形成以及我國(guó)經(jīng)濟(jì)體制由計(jì)劃經(jīng)濟(jì)向市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)化，流程工業(yè)企業(yè)也面臨多變的外部環(huán)境。流程工業(yè)企業(yè)由單純生產(chǎn)型向生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)型轉(zhuǎn)變，信息技術(shù)加快了企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)節(jié)奏，縮短新產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)到銷售的時(shí)間成為企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。企業(yè)必須抓住市場(chǎng)機(jī)遇，根據(jù)市場(chǎng)變化調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改變組織機(jī)構(gòu)以及生產(chǎn)過程與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，快速及時(shí)地響應(yīng)市場(chǎng)變化。現(xiàn)在許多企業(yè)都提出了要采用先進(jìn)的信息技術(shù)，改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略任務(wù)，最大限度地提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，贏得新發(fā)展，以應(yīng)對(duì)經(jīng)濟(jì)全球化和加入WTO后的挑戰(zhàn)，因此全面系統(tǒng)地研究流程工業(yè)企業(yè)人員組織、經(jīng)營(yíng)管理、計(jì)劃調(diào)度、生產(chǎn)優(yōu)化與控制等方面的問題，綜合利用先進(jìn)的信息技術(shù)、過程集成和自動(dòng)化技術(shù)，是提高我國(guó)流程工業(yè)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。

1 流程工業(yè)對(duì)綜合自動(dòng)化需求的特點(diǎn)

流程工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)決定了它對(duì)綜合自動(dòng)化有獨(dú)特需求。

(1)基礎(chǔ)自動(dòng)化水平。由于計(jì)算機(jī)在這個(gè)行業(yè)應(yīng)用較早，裝置控制系統(tǒng)基本上有DCS和PLC等計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，基礎(chǔ)自動(dòng)化水平較高，還有保證生產(chǎn)穩(wěn)定進(jìn)行的生產(chǎn)流程模擬計(jì)算、操作優(yōu)化、先進(jìn)控制、大系統(tǒng)理論等的支持(吳光宇，2002)。(2)生產(chǎn)方式。流程工業(yè)企業(yè)是大批量生產(chǎn)方式，產(chǎn)品品種變化少，其產(chǎn)品種類相對(duì)穩(wěn)定，物料流和工藝單一且固定。生產(chǎn)過程是連續(xù)的，物料流和能量流是持續(xù)不間斷進(jìn)行的。(3)優(yōu)化目標(biāo)。流程工業(yè)企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)過程是進(jìn)行大批量的生產(chǎn)，要求生產(chǎn)設(shè)備能夠“安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)期、滿負(fù)荷、優(yōu)質(zhì)”運(yùn)行，從而達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)目標(biāo)，現(xiàn)在在石化等行業(yè)推行的清潔生產(chǎn)模式，還要求盡可能減少對(duì)周圍環(huán)境的各種污染。(4)優(yōu)化手段。流程工業(yè)企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)過程是以實(shí)時(shí)調(diào)度能源流和物料流、調(diào)整生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)、控制算法的優(yōu)選和控制設(shè)定點(diǎn)等為手段來達(dá)到最優(yōu)的生產(chǎn)狀況。(5)設(shè)備管理。設(shè)備的故障診斷相當(dāng)重要。診斷的目的是確保安全生產(chǎn)，減少設(shè)備突發(fā)故障的發(fā)生。(6)生產(chǎn)環(huán)境。流程工業(yè)企業(yè)所處環(huán)境一般較苛刻，如高(低)溫、高(負(fù))壓、易燃易爆、有毒害、強(qiáng)腐蝕性等。其管理強(qiáng)調(diào)和環(huán)境的集成。(7)參數(shù)測(cè)量滯后且復(fù)雜。流程工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)中，在制品、產(chǎn)成品的數(shù)量和質(zhì)量多需間接測(cè)量方法和手段進(jìn)行測(cè)量。(8)工程設(shè)計(jì)。流程工業(yè)企業(yè)是連續(xù)生產(chǎn)過程，主要是通過實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化，提高研制和設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的能力。而且工廠上新產(chǎn)品，往往需要建設(shè)新的生產(chǎn)流程線，或者對(duì)原有的生產(chǎn)線進(jìn)行改擴(kuò)建，投資大，周期長(zhǎng)。(9)供需鏈緊密穩(wěn)定。流程工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過程相對(duì)固定，供應(yīng)商也相對(duì)不變，其供需鏈管理更強(qiáng)調(diào)聯(lián)系的緊密性、穩(wěn)定性，強(qiáng)調(diào)與外部供應(yīng)商形成相互信任相互依賴的戰(zhàn)略伙伴關(guān)系。

2 流程工業(yè)企業(yè)的需求分析

2.1 市場(chǎng)需求

在新的全球化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境下，流程工業(yè)企業(yè)將面臨全球市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)的挑戰(zhàn)，企業(yè)間的戰(zhàn)略關(guān)系也逐漸發(fā)生變化。市場(chǎng)壓力主要來自以下幾個(gè)方面。

(1)流程工業(yè)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)決策、計(jì)劃調(diào)度、過程優(yōu)化控制等發(fā)生了重大變化，由過去的單一品種、滿負(fù)荷生產(chǎn)、穩(wěn)定狀況下的線性最優(yōu)控制轉(zhuǎn)化為多品種、變負(fù)荷、變工況條件的優(yōu)化控制，同時(shí)新的生產(chǎn)工藝過程對(duì)生產(chǎn)、質(zhì)量、效益、安全的要求越來越高。(2)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的目的是參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，在市場(chǎng)銷售中獲得收益。企業(yè)需要一個(gè)經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)、實(shí)用的集成化系統(tǒng)，使企業(yè)最大限度地發(fā)揮其潛能，在當(dāng)今日趨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。(3)單純的提高生產(chǎn)裝置的控制水平，尋求局部的最優(yōu)投入產(chǎn)出比，其效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通過提高綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的整體性和資源調(diào)度帶來的效益。僅僅是生產(chǎn)管理控制(包括優(yōu)化控制)己不能完全解決問題。

2.2 信息需求

在流程工業(yè)企業(yè)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，ERP、MES和PCS層對(duì)于信息的需求是不同的，主要包括三個(gè)層次如下。

(1)PCS層采用DCS、PLC及先進(jìn)控制等手段來提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化水平，其數(shù)據(jù)對(duì)于實(shí)時(shí)性要求比較高，例如要求系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，處理的對(duì)象主要為生產(chǎn)過程變量。(2)MES層是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)于整個(gè)生產(chǎn)過程(從生產(chǎn)命令下達(dá)到產(chǎn)品完成)進(jìn)行優(yōu)化管理，并實(shí)時(shí)地將生產(chǎn)過程信息反饋給上層系統(tǒng)，在時(shí)間跨度上主要是班組級(jí)和天，部門為工廠生產(chǎn)執(zhí)行部門。(3)ERP層對(duì)企業(yè)的各個(gè)方面的資源進(jìn)行合理的配置，使之充分發(fā)揮效能，從而獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。其時(shí)間要求一般是月和季，部門主要為公司管理部門。

3 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的整體解決方案

針對(duì)流程工業(yè)企業(yè)的特點(diǎn)，我們采用緊密結(jié)合企業(yè)功能結(jié)構(gòu)與需求的三層模式、兩套平臺(tái)、高效集成的方式為流程工業(yè)企業(yè)提供一套完整的綜合自動(dòng)化整體解決方案。

3.1 三層模式

針對(duì)流程工業(yè)企業(yè)的信息化建設(shè)所需求的功能結(jié)構(gòu)與要求，推出一系列經(jīng)營(yíng)決策、生產(chǎn)優(yōu)化與管理和先進(jìn)控制等應(yīng)用軟件，構(gòu)成了從上到下的ERP層、生產(chǎn)執(zhí)行管理層和過程控制層的相應(yīng)功能需求解決方案。

(1)ERP層:主要是突出ERP管理平臺(tái)的建設(shè)，應(yīng)用ERP的理念、方法和技術(shù)，建立以規(guī)范業(yè)務(wù)流程為基礎(chǔ)、以財(cái)務(wù)為核心、一體化經(jīng)營(yíng)的管理平臺(tái)。

(2)生產(chǎn)執(zhí)行管理層:突出管控一體化的平臺(tái)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)信息集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的有效集成，建立信息集成和功能集成的管控一體化平臺(tái)，建設(shè)數(shù)據(jù)校正、物料平衡、能量平衡、計(jì)劃優(yōu)化、調(diào)度優(yōu)化、流程模擬、質(zhì)量管理信息系統(tǒng)等功能模塊軟件，可以為上層的ERP系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)、可靠、準(zhǔn)確、唯一的經(jīng)營(yíng)和成本信息。

(3)過程控制層:該層以DCS用LC鄺CS等開放式控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)控制技術(shù)軟件，利用先進(jìn)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的信息集成技術(shù)，建立實(shí)時(shí)數(shù)采與監(jiān)控系統(tǒng)、罐區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)、先進(jìn)與優(yōu)化控制系統(tǒng)、班組級(jí)成本考核系統(tǒng)等，全面提升流程工業(yè)企業(yè)的工藝管理和裝置控制水平。

3.2 兩套平臺(tái)

為了很好地解決流程工業(yè)企業(yè)對(duì)于數(shù)據(jù)需求的復(fù)雜性，我們推出了兩套平臺(tái)的解決方式來處理不同的部門、不同的層面對(duì)于數(shù)據(jù)的需求。在下層我們采用浙江中控軟件技術(shù)有限公司自主開發(fā)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)來集成過程控制層的所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在上層系統(tǒng)中，我們則以成熟的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，開發(fā)了一套適用于流程工業(yè)企業(yè)的綜合集成軟件平臺(tái)。

3.2.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)(ESP-iSYS)

ESP-iSYS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是實(shí)現(xiàn)流程工業(yè)企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)過程控制、流程模擬和生產(chǎn)調(diào)度的基礎(chǔ)，是連接現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)與生產(chǎn)執(zhí)行管理系統(tǒng)的橋梁。

ESP-iSYS為流程工業(yè)企業(yè)提供了統(tǒng)一而完整的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、監(jiān)視和Web瀏覽功能，提供API、OPC、DDE、ODBC、OLEDB等多種數(shù)據(jù)接口服務(wù)方式，便于建立多種應(yīng)用。

ESP-iSYSS采用了COM/DCOM、系統(tǒng)容錯(cuò)、任務(wù)調(diào)度、高效數(shù)據(jù)壓縮、位號(hào)映射等先進(jìn)技術(shù)，保證系統(tǒng)在企業(yè)局域網(wǎng)環(huán)境下的高效、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行，并具有十分突出的開放性和可擴(kuò)展性。

3.2.2 綜合集成軟件平臺(tái)(ESP-PlantJet)

ESP-PlantJet是浙江中控軟件技術(shù)有限公司針對(duì)流程工業(yè)企業(yè)研制開發(fā)的綜合集成軟件平臺(tái)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用分層、分布式的組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能支持大用戶量及計(jì)算量應(yīng)用。同時(shí)，借助于分布式技術(shù)，使系統(tǒng)更合理、靈活、更具有擴(kuò)展性。整個(gè)系統(tǒng)自下而上可劃分為工廠數(shù)據(jù)模型、支撐環(huán)境、業(yè)務(wù)處理和人機(jī)接口等四個(gè)層次。

ESP-PlantJet系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)來實(shí)施，并輔之以工作站上的常用工具軟件，這樣，就更能充分地利用己有的信息，從而為解決方案帶來了附加價(jià)值。

3.3 高效集成

本綜合自動(dòng)化整體解決方案的高效集成體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與下層DCS之間的高效集成:ESP-iSYS可以通過DDE、OPC及自定義的接口與DCS、PLC、FCS等開放式控制系統(tǒng)或者智能儀表連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和管理。ESP-iSYS支持包括橫河、ABB、Fisher Rosemount、Foxboro、Honeywell、浙大中控、西門子、OMRON等幾乎所有的主流型DCS、PLC和FCS等。

(2)全系列的先進(jìn)控制軟件:以APC-Adcon為代表的先進(jìn)控制軟件，涉及到多變量預(yù)測(cè)控制、預(yù)測(cè)函數(shù)控制、軟測(cè)量、模型辨識(shí)、物料平衡、數(shù)據(jù)校正等等方面，這些軟件既能夠很方便與ESP-iSYS進(jìn)行集成應(yīng)用，也能夠根據(jù)客戶和現(xiàn)場(chǎng)的情況單獨(dú)使用。

(3)ESP-iSYS與ESP-PlantJet之間的高效連接:由于這兩個(gè)平臺(tái)均是自主開發(fā)、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件系統(tǒng)，充分發(fā)揮了平臺(tái)的高效聯(lián)結(jié)機(jī)制，保證兩個(gè)平臺(tái)之間能夠正確、及時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

綜合自動(dòng)化整體解決方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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