化工定制化產品多批次智能化生產運行技術研究

馬孟模

（浙江中控軟件技術有限公司 浙江省杭州市 310053）

化工產業(yè)在國民經濟各個行業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，有效支撐著國民經濟的發(fā)展；伴隨產業(yè)技術及應用的發(fā)展，化工定制化產品逐漸成為新的市場增長點，給各行各業(yè)提供產品及資源支持，滿足不同類型的產品需求，保證服務配套支持。但化工產品的多樣化與定制化對于生產的標準化和高效化提出了挑戰(zhàn)，由于產品為定制化，難以滿足傳統(tǒng)的標準化生產，對于生產的柔性提出了更高的要求，需要結合多批次生產、多品種批量生產方式對傳統(tǒng)生產工藝及生產技術進行優(yōu)化改進，以滿足定制化化工產品的生產需求?；ざㄖ苹a品多批次生產技術是一項系統(tǒng)化的工程，包含了物料采購、計劃安排、計劃排產、倉儲物流等一系列項目，需要從系統(tǒng)架構、生產技術支持、工藝改進、網絡集成架構、數據采集及系統(tǒng)安全建設等方面綜合考量系統(tǒng)的優(yōu)化與改進，通過及時調整生產工藝，實現彈性化生產，實現現代化定制化工品柔性生產管理與控制，滿足市場應用的需求。

1 技術背景

定制化化工產業(yè)廣泛服務于石油化工行業(yè)、農業(yè)紡織業(yè)以及建筑業(yè)、食品工業(yè)、電子設備等諸多行業(yè)，已成為我國經濟產業(yè)發(fā)展的重要支柱，并逐步惠及主要的制造業(yè)領域如建筑食品、化工品生產等。在行業(yè)發(fā)展方面，定制化化工產品作為流程性行業(yè)，主要通過原材料整合、物理/化學方法處理使得原材料獲得增值。近年來，精細化化工產業(yè)也得到快速發(fā)展，生產方式多為批量性生產，伴隨對此產業(yè)鏈日益增長的需求，精細化產業(yè)鏈、定制化鏈建設逐步成為推動行業(yè)發(fā)展的重要舉措，有利于促進行業(yè)互利互惠，推進產業(yè)聚集，形成良性的產業(yè)發(fā)展環(huán)境。然而，也存在著資源利用率較低等問題。

從發(fā)展進程講，精細化工產業(yè)包含了傳統(tǒng)化工產業(yè)及新興化工產業(yè)兩個范疇，其中以農藥、燃料等為代表的傳統(tǒng)精細化工行業(yè)，具有較高的污染性，通過強化監(jiān)督管理，推動技術創(chuàng)新以降低污染性等舉措，不斷推進傳統(tǒng)精細化工行業(yè)綠色、健康發(fā)展；另一方面，新興精細化工產業(yè)依托于傳統(tǒng)化工產業(yè)發(fā)展成果，通過技術及工藝創(chuàng)新不斷拓展產業(yè)領域，如感光材料、香料等化合物或者混合物。

從產業(yè)發(fā)展來看，部分企業(yè)基于自動化水平提升的需求引入了APC 系統(tǒng)優(yōu)化工藝控制方法，然而仍存在著報表統(tǒng)計復雜等問題，因此如何生成批次性報告是目前亟待解決的重要行業(yè)痛點。需基于大數據分析，尋找影響質量的因素。目前行業(yè)面臨的其他挑戰(zhàn)還包括了環(huán)保壓力、成本壓力、市場生存和競爭壓力等方面，在產品同質化及資源利用率日趨的今天，如何克服此類問題將是對產業(yè)創(chuàng)新升級的重要考驗。在目前震蕩發(fā)展期，提升產品用戶粘性及質量可靠性將是推動產業(yè)發(fā)展的重要策略。

伴隨精細發(fā)展戰(zhàn)略的實施，行業(yè)也面臨提升和迭代，未來一段時間內的發(fā)展方向將以定制化、專業(yè)化為主，將信息化、網絡化與工業(yè)生產進行深度融合，以不斷提高生產效率及資源利用率，減少產品生產過程的浪費及損耗，提升技術創(chuàng)新實力及市場核心競爭力。

2 系統(tǒng)解決方案設計

基于上述行業(yè)的發(fā)展背景，我們有必要開展化工定制化產品多批次生產工藝的生產運行技術解決方案設計，通過實踐論證，該方案主要涵蓋了生產建模端、產業(yè)處理端及查詢探索端三大主要模塊，具體來說，分別對工廠及工藝建模、信息分析及傳輸、數據解碼、問題分析報表等進行方案建設。

2.1 系統(tǒng)架構設計

所設計的系統(tǒng)架構如圖1所示，包括了PCS 端、MES 端、ERP 信息端等，經工業(yè)通訊接口保證信息傳輸的高效性和實時性，其中，MES 系統(tǒng)模塊包括了生產系統(tǒng)、基礎平臺建設，并能實現高效的信息采集；信息采集源包括了生產過程設備和工藝實時運行監(jiān)控數據，基礎平臺模塊基于數據分析實現用戶管理、權限分配、工程建模、業(yè)務模型建立及數據轉儲等功能；生產系統(tǒng)可依據數據解碼、分析傳輸進行生產批次管理、工藝統(tǒng)計分析、報警管理，生成生產報表及核算報表，并依據工藝路線開展生產調度、工藝管理及工藝路線管理，保證工藝活動開展的有序性。ERP 模塊集成了ERP 系統(tǒng)及OA 系統(tǒng)，反映出該行業(yè)的經營計劃，并推動任務有序達成。

圖1：系統(tǒng)架構圖示

同時，針對配置批次分析功能的管理系統(tǒng)，還可實現工藝統(tǒng)計、質量管理、檢驗管理等功能，依托于工廠工藝架構及物流途徑建立工廠模型，依托于組分模型、工藝路線、活動集合、批次位號等建立工藝模型，可實現調度管理、異常日志管理、異常信號解析及處理等業(yè)務處理功能，根據生產批次、工序批次、活動記錄、備料記錄、暫存記錄、物流記錄、采樣記錄及產耗記錄等完成高效的查詢分析，和批控系統(tǒng)聯(lián)動，實現批次化自動生產，過程生產自動報表生成，極大地提升產業(yè)實施的自動化及精細化管理水平。

2.2 批次識別分析系統(tǒng)

（1）生產批次識別及生產過程還原。對生產線抽象分解后開展生產工藝建模，自動采集及記錄各生產設備的運行數據及運行狀態(tài)，包括反應釜的工藝參數及改造點等參數，基于模型數字化剖析對批次化生產狀態(tài)進行識別，并對生產數據進行分析，可自動生成工序列表和活動記錄等的批次報告，并可導出投入產出單耗等數據，以便于運維人員實時把握和了解每批成品生產過程。

（2）提供數據和效率支撐，服務于工藝分析?；陬A設的工藝指標和工藝標準，系統(tǒng)自動判定物料的超限情況，生成物料利用周期報告，并自動發(fā)出超期預警，結合批次報告還原當時現場的操作，對于工藝控制關鍵點，如格氏釜溫度、壓力、壓力等，開展批次性工藝分析，并結合生產大數據分析實現工藝操作優(yōu)化。

（3）降低原始數據處理工作量，提升工作效率。配置原始數據記錄及分析工具，即現場需求、斯邁特報表設計器、數據庫等功能模塊，大大提升了運行數據監(jiān)管的可靠性、完整性和可追溯性，生產原始記錄自動化也提升了生產作業(yè)各版塊的作業(yè)效率。

2.3 技術架構

生產控制系統(tǒng)控制層包括DCS 和底層設備，執(zhí)行層包括生產批次控制管理的BATCH 系統(tǒng)以及生產管理協(xié)同系統(tǒng)，生產數據實現自動化采集、分析，實現各系統(tǒng)間高效信息交互。系統(tǒng)基于微服務化平臺架構開發(fā)，應用了J2EE技術架構、跨多數據庫、AJAX 技術等，整體技術架構見圖2，包括系統(tǒng)架構層、平臺技術框架層、業(yè)務框架層以及業(yè)務應用層。

圖2：系統(tǒng)技術架構圖

2.4 網絡架構

基于OPC/MODBUS 協(xié)議創(chuàng)建了系統(tǒng)網絡架構，配置安全防護工具保證數據采集的準確性和安全性，配置了Mis Gate 和防火墻雙重保護，在實現高效數據采集分析的同時，對生產控制與管理層的數據進行有效隔離，保證了數據和現場設備控制的安全性。同時，為保證生產數據的完整性，利用冗余的方式搭建數據庫平臺，并支持通過外網以及手機端訪問生產管理數據。包括了過程控制網、數據采集網、生產管理網、辦公網等，其中，過程控制網用于生產運營管理，數據采集網配置了操作員、工程師、采集組等多個管理權限，生產管理網配置MISGATE 服務器及MES 服務器，用于對實時生產數據的管理及歷史生產數據的查詢，辦公網兼用于調度管理及質量管理，并可通過VPN 遠程訪問。

2.5 集成架構

為實現信息交互與共享，開展信息化集成架構建設，基于信息屬性對信息進行分類如下：公共數據、共享數據及專有數據，公共數據為企業(yè)核心數據，數據子類型包括核心主數據及公共代碼等，組織機構、人員設備等，公共代碼包括行業(yè)代碼及區(qū)域等；共享數據即需要與其他系統(tǒng)或用戶共享的數據，如能源管理與成本核算系統(tǒng)中的信息數據，數據子類型包括指標、計算指標所需的基礎數據、跨系統(tǒng)交換數據等，如成本、產量、能耗、編號、利潤率等；專有數據即為滿足特定業(yè)務類型所需要的數據，不與其他系統(tǒng)共享，專有代碼（用戶日志）、系統(tǒng)運維專有數據等（生產實時數據、日志、知識信息等）。

通過對信息數據進行分類，確保OA 系統(tǒng)、ERP 系統(tǒng)、各大管理系統(tǒng)間信息交互的精準及安全可靠性。此外，配置了XML 技術實現靜態(tài)信息跨平臺交換，保證生產過程信息的集成性。信息化集成架構圖如圖3所示。

圖3：信息化集成架構圖

2.6 數據采集方案

就數據采集方式來看，該方案配置了DCS 系統(tǒng)化數據采集及智能儀表數據采集等方式，其中在DCS 系統(tǒng)數據采

集方面，是基于標準數據通訊協(xié)議，通過數據采集網關（減小操作站負荷）實現實時數據庫服務器和DCS 系統(tǒng)的連接；充分發(fā)揮網關的隔離控制作用，結合Mis Gate，保證數據傳輸的安全性。DCS 控制站經控制網與DCS 操作站、數據采集網管、光纖收發(fā)器、交換機等設備間實現高效的數據交互，保證控制系統(tǒng)的運行安全性與高效性。智能儀表數據采集基于Modbus 協(xié)議，通過485 接口網絡連接到數據采集網關機。此外，系統(tǒng)還配置了SCADA 系統(tǒng)來實現PLC 數據采集，并往實時數據庫系統(tǒng)中存儲。

2.7 系統(tǒng)安全方案

作為系統(tǒng)網絡架構的核心，網絡操作系統(tǒng)的安全性直接影響到整個控制管理系統(tǒng)安全性，網絡操作系統(tǒng)基于多用戶、多結構方式建立，實現對系統(tǒng)共享資源的管理。用戶訪問格式為ACL（訪問控制），正確的權限。系統(tǒng)安全使用中，基于集成的用戶驗證和授權服務器和WebService 實現統(tǒng)一的用戶驗證與授權，可支持B2B 的企業(yè)應用集成，其系統(tǒng)架構圖見圖4，包括用戶數據庫、統(tǒng)一驗證和授權服務器，并通過HTTP SOAP 實現高效安全的信息交互。

圖4：網絡系統(tǒng)層系統(tǒng)架構

此外，對于數據備份的安全設計管理，采用聯(lián)機磁盤冗余備份、數據庫自動備份，并可實現斷點續(xù)傳，保證數據可恢復性，適用于精細化化工多品種、小批量、多生產訂單的需求。

2.8 多批次生產方案

該方案包括工廠模型、配方管理、計劃排產、工單管理、生產備料、質量管理、批量控制、批次分析等部分。

2.8.1 工廠模型

建立全面的數字化工廠，將數據與設備、產品等進行關聯(lián)，配置生產流程及產品的生產過程，實時反映生產的實時運行情況，包括了MES 系統(tǒng)、ERP 系統(tǒng)、批控系統(tǒng)等，其中MES 系統(tǒng)描述了生產物料的實時傳遞過程以及生產作業(yè)的動態(tài)管理，MES 系統(tǒng)與ERP 系統(tǒng)間實現高效的信息交互。

2.8.2 配方管理

通過對定制化過程的配方內容進行結構化數字化處理，保證將原料根據配方要求實現精細化自動投料，提高企業(yè)整體生產效率和競爭力。配方管理包括產品物料配方、操作步驟、設備運行參數、配方權限等信息，并可對定制化產品生命周期進行優(yōu)化管理。在MES 系統(tǒng)中定義原料配比和人工投料清單，并進一步指出所投的物料及其順序執(zhí)行過程，通過接口自動生成批量控制系統(tǒng)的主配方。

2.8.3 計劃排產

將車間產能和資源良好匹配，實現制造工單的同步。其中，工單管理環(huán)節(jié)可實現對生產過程的全程跟蹤，并同步收集現場質量檢驗數據。批量控制控系統(tǒng)依次執(zhí)行phase，包括自動操作方案、人工投料方案、粉料投料和檢驗方案批控生成操作記錄（自動投料），同步給MES 系統(tǒng)，MES 系統(tǒng)接過控制權并發(fā)送消息給相應工位的PDA，向DCS 系統(tǒng)發(fā)送投料指令，品管采樣并將樣品編號輸入PDA 系統(tǒng)，批量控制系統(tǒng)將狀態(tài)和產量同步給MES 系統(tǒng)。

2.8.4 生產備料

車間根據生產指令進行備料準備工作，分人工備料、助劑備料、粉料備料，向物流部、自動投料系統(tǒng)發(fā)送通知，備料物品送至工位后，操作工在PDA 上簽收，MES 系統(tǒng)向粉料系統(tǒng)發(fā)送指令，生成備料記錄。

2.8.5 質量管理

在檢化驗管理中，系統(tǒng)可以實時準確地審核、發(fā)布檢測結果，支持回溯及歷史趨勢分析，提升品質管理效率。業(yè)務部門通過MES 系統(tǒng)生成請檢單。檢化驗管理主要功能包括任務管理、檢驗報告生成等。由檢驗任務自動生成樣品條碼，支持全生命周期的樣品管理指手動選擇或掃描條碼分配任務，將檢驗結果反饋到檢驗單上。按照企業(yè)質量管理條款，打印檢驗報告，配置SPC（統(tǒng)計過程控制）管理，基于檢化驗數據實現“測量、分析、改進”過程控制，極大地提高質量及過程控制水平。

在生產批次的控制和管理中，通過批量控制系統(tǒng)改進生產、提高產量、降低成本并提高質量。并支持批量的過程監(jiān)控管理，設備監(jiān)控與過程控制可完成信息反饋，支持生產批數據記錄，可實現實時批次數據記錄報表打印機查詢，輸出匯總報表。此外，在整個生產過程中可對關鍵工藝參數進行分析對比，以獲取最優(yōu)批生產狀況，制定改善措施。

3 效益評估

（1）在應用效果方面，實現了從上層生產計劃到底層控制信息的交互，打造了柔性化生產模式，極大地提高了生產效率，可有效控制生產成本與開銷，基于柔性化生產理念，降低運營成本，以不斷提高生產效率及資源利用率，降低產品生產過程的浪費及損耗，提升技術創(chuàng)新實力及市場核心競爭力。

（2）在技術應用方面，該方案積極響應了國家《中國制造2025》的行動綱領，給出精細化工定制化產品解決方案，推動了精細化化工實現產業(yè)轉型升級。可逐漸形成統(tǒng)一的行業(yè)標準，提升整個精細化化工的制造水平。該生產管理系統(tǒng)的應用可有效減少資源浪費和能源消耗，實現精細化生產，降低庫存積壓，并可實時監(jiān)控各生產節(jié)點的質量信息。

（3）在商業(yè)價值方面，多品種批量柔性化生產能夠使用量身定制的批次操作來提高靈活性和績效，以達到特定的業(yè)務和生產目標。通過我們的信息系統(tǒng)可以有效減少資源浪費和能源消耗，實現精細化生產。通過自動化控制和信息化系統(tǒng)的智能管控，有效增加設備的高效運轉時間，減少人工環(huán)節(jié)錯誤造成的時間浪費，進一步提高產量。通過對庫存和原料消耗的全面掌控，通過對銷售訂單的分析和管理，降低庫存積壓，減少物料消耗，加快生產周期，在實現更多產出的同時降低成本。模塊化、圖形化的配方編輯，方便實現配方的編制和升級，通過靈活的配方管理，快速、高效地實現產品切換以及物料、配方的安全保密。通過和質量業(yè)務的關聯(lián)，實時監(jiān)控各生產節(jié)點的質量信息，實現產品質量控制和批次追蹤，幫助提升生產品質。

綜上，該方案實現了對精細化工生產過程的智能化改造升級，合理調配現場資源為柔性化定制產品服務，促進了產業(yè)的升級和可持續(xù)發(fā)展。

4 結論

伴隨產業(yè)技術及應用的發(fā)展，化工定制化產品逐漸成為新的市場增長點，但化工產品的多樣化與定制化對于生產的標準化和高效化提出了挑戰(zhàn)，需要結合多批次生產、多品種批量生產方式對傳統(tǒng)生產工藝及生產技術進行優(yōu)化改進，需多方面綜合考量系統(tǒng)的優(yōu)化與改進，實現現代化定制化工品柔性生產管理與控制，滿足市場的需求。