生產過程信息集成優化的研究

羅建平

(中國石化股份有限公司金陵分公司 信息中心，南京 210033)

信息技術

生產過程信息集成優化的研究

羅建平

(中國石化股份有限公司金陵分公司 信息中心，南京 210033)

從研究煉化企業生產管理信息系統核心模型出發，分析了生產流程模型，生產管理模型，邏輯節點模型、物理節點模型、裝置生產單元模型等關鍵因素。闡述了過程信息集成優化的設計策略應以煉化企業工廠模型及生產流程模型為依據，建立信息體系和優化分析方法，支撐生產層面上的業務管理和數據分析，才能達到生產管理優化運行的效果。在企業生產模型與信息集成的基礎上，完成業務集成、數據集成和崗位工作平臺等內容，達到生產過程信息的集成優化。

信息化 系統 數據 生產 優化

煉化企業生產是復雜的連續流程性過程[1]，需要根據原油品種的變化、已有裝置的加工能力和對不同原油品種的適應能力等，靈活、合理地安排加工路線和各裝置的生產方案，才能緊跟市場變化節奏，實現效益最大化。

而煉化企業生產流程節點多，管理的難度和跨度大，以某特大型煉化企業為例，僅各種操作參數就有近十萬個之多，要將如此龐雜的過程進行精細化管理，生產管理過程的信息化是非常重要的手段之一。多年來的信息化建設為提升煉化企業的生產過程管理水平做出了相當大的貢獻[2]，但信息化建設初期，為了解決當時的生產管理問題，會建立相應的信息系統去解決具體的問題，因而不可避免地建成了若干系統，業務領域存在重復性，業務數據不能標準化和全方位共享，操作人員面對各種應用系統操作繁瑣，決策者也不能便捷獲得完整一致的數據支撐[3]。

1 現有的信息化架構和數據流

1.1信息化架構

經過多年的實踐，煉化企業已經形成了從過程控制(PCS)層、生產執行(MES)層到經營管理(ERP)層的三層架構(如圖1所示)，數據流從底層向上流轉，同時，上層系統得出的經營分析成果對下面各個層面的系統反饋預警，上下層面系統互為依據、互為補充。三個層面內的信息系統在經營、生產、操作管理過程中發揮了越來越重要的作用。

圖1 典型的煉化企業信息系統架構示意

1) PCS層以裝置DCS為基礎，將數據采集進入統一的實時數據庫。

2) MES是處于EPR層和PCS層之間的執行層[4]，MES通過數據校正和平衡算法，進行生產管理、調度平衡和統計平衡[5]；計量管理系統對底層數據進行整合和數據準確性監控；LIMS提供質量分析數據和接口；操作管理提供了基層崗位的操作規范；能源管理管理整個公司的公用工程系統以及其他管理系統等。

3) 上層為ERP系統，根據MES得出的原材料、半成品、產成品等物料信息，進行銷售發貨、成本核算、在線控制等，及時在ERP系統中匯總生產經營成果；全面預算管理、生產經營分析與預測體系作為決策支持層的平臺，以ERP，MES等系統數據為基礎，實現對生產、銷售、供應、管理等各個環節全過程和全方位的分析和監控[6]。

4) 基礎設施層是以健全的網絡和網絡安全控制為核心，從而保證數據流的順暢。

1.2數據標準化和一致性問題

從企業三層信息化架構可以看出，不同業務類型的數據存儲在不同系統中，如果需要了解某一業務的整體情況，需要登錄不同系統查找。例如： 罐存的質量信息存儲在LIMS中、移動信息存儲在MES中、資金信息存儲在ERP系統中，無法通過一個系統獲得企業的整體狀況。

即使信息系統形式上放在一起但業務內容有相互抵觸的地方，即系統標準化的問題，例如： 同一物料，在MES，ERP，LIMS等系統中由于名稱不統一給信息使用者帶來理解上的偏差，甚至相同的名稱在不同系統中所表達含義的不同都會給管理帶來混亂。

企業的部門及專業之間的信息整合問題。體現在各部門間對相同信息處理方法的不統一所導致的同一數據的差異。例如： 由于沒有一個統一的平臺，各部門的數據都是在各自領域或專業系統內進行統計和整理，信息數據的合理性在部門內是一致的，但是對其他相關部門特別是決策層和管理層來說，該種信息數據的差異會給管理和決策帶來困擾。

因此，建立生產過程信息集成優化對管理現代化大生產顯得尤為重要，建立企業生產管理信息集成及優化系統的基礎是研究出統一的生產管理信息系統的核心模型，然后圍繞核心模型，建立企業層面統一的數據倉庫，并在統一的平臺下規劃建立新的應用，才能實現真正意義上的信息集成。

2 生產流程模型的建立

煉化企業生產流程模型的建立基礎是對原油進廠、生產、產品出廠的物料流程模型研究，對從計劃、調度、執行、反饋分析、PDCA的管理流程模型研究，以及建立在上述流程模型基礎上的信息體系、優化分析方法的研究等。煉化生產管理流程模型如圖2所示。

圖2 煉化生產管理流程模型

生產管理流程可分為計劃優化管理流程、調度排產優化管理流程、裝置操作優化管理流程三個層次。各層模型按業務進行關聯管理，按管理流程指導煉化企業實際生產工作。

2.1計劃優化管理流程模型

生產管理主流程就是計劃優化、計劃執行、PDCA的業務流程，從制訂月度生產優化計劃開始，然后通過生產排產、操作管理等，下達到裝置、罐區等各生產車間單元，各生產單位按計劃和工藝要求執行生產，通過物流及物性跟蹤、生產統計平衡獲得生產運行數據，分析是否滿足控制范圍或計劃進度，并通過運行數據對計劃優化做出分析改進。

2.2調度排產優化管理流程模型

調度排產優化管理流程如圖3所示，該流程是在生產管理流程的總綱下，從作業計劃、調度指令到裝置的投入產出以及到出廠環節等，進行優化排產調度和優化，使整個生產管理流程合理有效地運轉，是整個環節中承上啟下的重要一環。

圖3 調度排產優化管理流程示意

2.3裝置操作優化管理流程

裝置操作優化管理流程如圖4所示，該流程是在調度排產優化管理流程的指引下，根據工藝卡片(在線)和平穩率的指標以及優化參數進行各種優化的操作管理，以APC作為輔助操作的模型，使每套生產裝置達到最優化和最大效益化的運行。

圖4 裝置操作優化管理流程示意

2.4生產過程中關鍵節點的設置

物料流動的檢測和管理對生產管理至關重要。為了優化企業資源(生產裝置、設備、能源等)，對生產加工計劃的制訂、生產物資的調度和分配均圍繞物流進行。需分層建立生產模型[7]，從層次上將生產過程中關鍵節點由上至下分為邏輯節點(物料)模型、物理節點模型、裝置生產單元模型，各個節點模型在各自的范疇內承轉啟合，同時，各個不同節點層面可以關聯轉換，實現模型既能統一集成又能分解解決不同問題的功能。

2.4.1邏輯節點模型

邏輯節點模型由原油(品種)、中間物料、產品、裝置、庫存等部分組成，裝置描述投入產出的關聯關系，原油、產品和中間物料描述價格、相關質量物性信息。邏輯節點模型如圖5所示。

圖5 邏輯節點模型

2.4.2物理節點模型

物理節點模型的組成包括進出廠點、罐、裝置側線、計量點、罐的安全庫位、裝置的加工能力、裝置的投入產出側線節點等。

2.4.3裝置生產單元模型

裝置生產單元模型基于裝置特性、投入物料種類、物料(原料)比例、物料性質、產出產品種類、產品分布、產品性質、工藝參數等，以及裝置單元、設備種類、設備屬性(設計、施工單位、設備尺寸、結構等)構建裝置層面的生產單元模型，集成所有裝置層面的生產要素。裝置模型是整個生產流程模型的細化和支撐，向上構成企業層面的裝置細節。

3 建立以流程模型為基礎的信息集成和優化體系

生產管理流程模型中的計劃優化管理、調度排產優化管理和裝置操作優化管理是由上而下、循環改進、不斷完善的過程，生產流程模型正確合理地建立，可以保證生產優化過程的有序進行。

3.1信息集成模型

在生產管理模型的集成上構建基于業務應用的生產過程信息集成優化應用，梳理生產管理層面業務流程、管理思維，建立企業生產物流模型、裝置運行模型、業務信息與指標體系，可以幫助企業優化管理的各個環節，在保證裝置穩定運行的前提下，實現效益最大化。

通過對企業生產運行相關信息的收集，實時掌握企業的排產計劃、運行管理、生產執行和生產統計等情況；生產層面的指標體系并在指標體系的基礎上進行數據集成，可以使各專業性的生產管理系統的應用數據間統一化、標準化，各種及時、準確、真實、清晰的生產數據及時發送到相關管理者的面前(系統、郵件、短信及移動應用)，便于生產管理人員、技術人員、操作人員能及時準確地得到系統信息支持。在此基礎上，可以利用先進的統計分析、優化軟件進行分析處理，指導企業合理地配置資源，找出潛在的效益增長點或制約企業發展的“瓶頸”并及時調整優化產品結構、節能改造、經營戰略和生產計劃，建設使企業能獲得最大整體效益的生產信息管理平臺。

建立以流程模型為基礎的信息體系必須從生產過程的核心出發，將一個復雜的過程按層次分解為多個子過程，各個子過程的反應數據、指標是不同的，定義的指標從不同的角度來反映生產運行情況，需要注意全面性，比較完整地掌握系統的運行情況。信息體系以不同層面的生產流程模型的對象為基礎，數據是對象相關屬性和運行信息，按專業可分為生產、工藝、質量、能耗、安環、設備等諸多方面[8]。生產運行信息體系示意如圖6所示。

圖6 生產運行信息體系示意

3.2優化體系分析

流程模型的建立為生產的優化方案與分析提供了基礎支撐。優化方案描述了生產流程各關鍵環節中的運行、操作的策略，包括原油的采購種類及數量，不同種類原油如何進行蒸餾切割，汽、煤、柴、蠟、渣油如何進行深度加工，油品由哪些半成品調和而成，油品的銷售量以及各物料的庫存情況；也包括滿足生產調度安排的可行性、合理性及優化問題，如原油混煉比、產品結構、調合方案、加工方案及切換、處理量均勻滿負荷、滿足庫存上下限等[9]。

以生產流程模型中組成對象、關鍵環節里涉及的各物料走向為主要研究內容，分析其來源和去向(或產生和消耗)、流量和物性，然后基于物料能量守恒以及物性的守恒，將其轉化為流量平衡、物性平衡的優化算法模型；以關鍵環節里涉及的屬性為研究對象，將其轉化為指標控制的約束條件，比如加工量的約束、產品性質的約束、原料和產品量的約束等。由于物性守恒可能導致非線性方程的產生，為適應非線性方程線性化處理的不同方法，產生針對不同方法的線性方程及輔助迭代計算的公式，以備求解。

4 生產管理信息集成及優化平臺

梳理和建立煉化企業生產流程的企業模型，同時完成企業主數據、業務流程、指標體系等內容的設計，在模型的基礎上建立生產管理信息集成平臺，可以建立各級生產流程模型；對模型加以有效應用，在模型的基礎上引入專家經驗、知識庫以及優化策略，為解決在整體業務流程上各環節的數據、信息和管理等不一致的問題和利用生產過程的運行數據、參數指標，解決生產目標優化、計劃合理性的問題等提供了思路。

4.1數據集成

集成平臺工作內容主要包括主數據統一，業務數據共享，建設企業生產層面的、基于工廠模型的數據倉庫，實現數據信息層面的集成。集成平臺模型如圖7所示。

圖7 集成平臺模型

建立數據倉庫是為了更好地支持企業總體業務管理及信息化建設。首先對工廠模型進行研究，分層分析工廠模型對象及相關屬性，包括邏輯節點層；物理節點層；生產單元/設備層。數據倉庫也可以將ERP層的數據包括進來，實現對經營管理層面的支持。

工廠模型研究工廠對象及其相關屬性，而這些內容對確定工廠主數據以及各系統在該數據基礎上進行業務集成、業務規范的工作很有意義。在工廠模型構架下的數據集成后，可在全廠模型的基礎下進行優化計劃(排產)—執行—分析改進，進而達到整個工廠的動態優化管理。

數據集成管理包括以下幾個層面： 1) 實時數據采集的集成，目前各應用系統都在采集實時數據庫數據，提供統一的接口和部署完成實時數據采集的集成；2) 企業主數據的管理和共享，達到一個企業1套主數據，包括設備、裝置、側線、罐、物料、儀表等的數據；3) 各系統動態數據的共享，主要包括MES調度、統計數據、LIMS化驗分析數據等在各業務系統中的應用。

4.2業務集成

業務流程的集成是按合理規范的生產管理業務流程進行業務重構，突出關鍵工作，滿足企業生產最本質需求，統一各基層運行信息系統。

企業信息化不是單純的信息技術應用問題，而是與現代企業制度、企業管理實踐等緊密融合的一項龐大的系統工程。在實施生產管理層面相關各系統時都牽涉業務重組和組織架構的調整[10-11]。

生產管理的主業務流程是計劃優化管理—計劃執行跟蹤，如圖8所示。在企業實際應用中，首先根據PIMS制訂生產優化計劃，然后通過生產排產、操作管理等下達到裝置、罐區等各生產車間單元，各生產單位按計劃和工藝要求執行生產，通過物流跟蹤、生產統計平衡獲得生產運行數據，分析是否滿足控制范圍或計劃進度，并通過整理運行數據對計劃優化作出分析改進。

圖8 煉化企業生產管理信息業務集成示意

通過對主業務流程的分析，并針對生產各環節、各部門分解和分類整理各自的分業務流程，作為業務提升的依據和目標，指導信息系統集成工作，進行MES、生產計劃優化、調度排產和調和優化、生產經營分析、技術分析等系統的規劃和集成。

4.3崗位工作平臺的建立

建立基于個人的工作平臺，對生產流程各環節進行崗位分析，使崗位人員更高效地工作，工作界面一體化、通知信息及時、崗位績效清晰明確。

運用單點登錄及域用戶集成等技術將各應用系統進行集成，用戶權限的相關系統進行統一管理，并將針對業務管理的統一，優化規范各集成系統內的業務模塊，在個人工作平臺上逐步實現業務流程的集成，將各系統的主要業務流程進行集成和優化，達到與用戶的崗位標準、工作任務深度契合。

按崗位將企業已實施的系統進行業務梳理，在統一的信息集成平臺上安放各業務功能，一方面能使企業管理者、技術人員、操作人員，更有效地使用好系統功能，促進信息化應用效果；另一方面有效利用了前期的信息化建設成果，避免了重復建設。

5 結束語

煉化企業生產過程信息集成優化的設計策略應以煉化企業工廠模型及生產流程模型為依據，通過梳理生產管理流程，分析流程性企業的工廠信息、生產特點，建立管理流程模型和生產流程模型，并進一步以流程模型為集成建立信息體系和優化分析方法，模型支撐生產層面上的業務管理和數據分析，達到生產管理優化運行的效果。

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StudyonIntegrationandOptimizationofProductionProcessInformation

Luo Jianping

(Information Center of Sinopec Jinling Branch， Nanjing， 210033， China)

Start from research on kernel models of production and management information systems of refining and chemical enterprise， the key factors of production process model， production management model， logic node model， physical node model， and device production unit model are evaluated. It is expatiated the design strategy for integration and optimization of production process information should be established on the base of models of refining and chemical enterprise and production process， to set up the information system and optimization analysis method to support the business management and data analysis of product layer， and to reach optimized operation efficiency for production management. Based on enterprise production models and information integration， with completion of business integration， data integration and post-working platforms， the integration and optimization of production process information can be realized.

informatization; system; data; production; optimization

稿件收到日期： 2013-08-06，修改稿收到日期2013-09-12。

羅建平(1963—)，男，江蘇無錫人，1984年畢業于東南大學無線電工程系微波技術專業，現任中國石化股份有限公司金陵分公司信息中心主任，高級工程師。

TP273+.5

A

1007-7324(2013)06-0043-06