石油化工行業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)淺析

徐博文

(中國(guó)昆侖工程有限公司，北京 100037)

制造執(zhí)行系統(tǒng)MES(manufacturing execution systems)概念最早由美國(guó)先進(jìn)制造研究中心(Advanced Manufacturing Research，Inc．)提出。制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)(MESA)于1997年提出了MES功能組件和集成模型[1]。MES用于鏈接企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)層(ERP)和過(guò)程控制操作系統(tǒng)層(PCS)，解決了企業(yè)管理與車間生產(chǎn)中間的生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、決策實(shí)施等問(wèn)題，在企業(yè)信息化建設(shè)中起到承上啟下的作用[2]。

石油化工屬于典型的流程工業(yè)體系，由于行業(yè)生產(chǎn)特性，在20世紀(jì)就采用了分散控制系統(tǒng)(DCS)、可編程邏輯控制器(PLC)等控制系統(tǒng)用于裝置生產(chǎn)，擁有較好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，行業(yè)主要企業(yè)(如BP，埃克森美孚，殼牌)已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了大部分的MES功能。中國(guó)石化也在國(guó)家“863”計(jì)劃的支持下于2003年研發(fā)推出了國(guó)內(nèi)首款MES： SMES[3]，部分解決了企業(yè)管理與車間生產(chǎn)間的信息孤島和環(huán)鏈缺失問(wèn)題。

近年來(lái)，隨著工業(yè)4.0、中國(guó)制造“2025”等第四代工業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略的興起[4]，人工智能AI(artificial intelligence)、智慧化工廠(smart factories)[5]、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIOT(industry internet of things)、信息物理系統(tǒng)CPS(cyber-physical systems)[6]等新興技術(shù)與概念已經(jīng)逐漸由概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。石油化工等流程工業(yè)企業(yè)在變革的背景下也面臨著日益激烈的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)、社會(huì)以及環(huán)境的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的生產(chǎn)執(zhí)行層MES已經(jīng)不能夠滿足企業(yè)的需求，必須在概念和技術(shù)層面上進(jìn)行升級(jí)、補(bǔ)充或者重構(gòu)。

本文將重點(diǎn)關(guān)注國(guó)內(nèi)外MES或生產(chǎn)執(zhí)行層相關(guān)概念和技術(shù)的最新的發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)研究石油化工這個(gè)特定流程行業(yè)。將在第一章對(duì)當(dāng)前石油化工行業(yè)生產(chǎn)執(zhí)行層面的需求和挑戰(zhàn)進(jìn)行分析，梳理出主要的功能需求；第二章將針對(duì)第一章的研究，借鑒最新的國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用進(jìn)展，提出較為先進(jìn)的MES功能和架構(gòu)；第三章將論述MES在石油化工行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)，提出MES在石油化工行業(yè)升級(jí)發(fā)展所面臨的瓶頸；第四章進(jìn)行總結(jié)并提出對(duì)未來(lái)發(fā)展的一些思考。

1 制造執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)展需求

2003年，ISO和IEC聯(lián)合采用ISA-SP95標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)布了ISO/IEC 62264企業(yè)控制系統(tǒng)集成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，為企業(yè)信息化系統(tǒng)以及制造執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、集成提供了依據(jù)。中國(guó)也根據(jù)該國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布了GB/T 20720—2019《企業(yè)控制系統(tǒng)集成》標(biāo)準(zhǔn)[7]。2012年，工業(yè)和信息化部編制第一批行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中包括《制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)規(guī)范》，后又在此基礎(chǔ)上，編制了適用于石油化工行業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)功能標(biāo)準(zhǔn)，既SJ/T 11666.15—2016《制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)規(guī)范： 第15部分： 化工行業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)軟件功能》。

根據(jù)SJ/T 11666.15—2016對(duì)MES軟件功能的定義，包括計(jì)劃排產(chǎn)、生產(chǎn)調(diào)度、工藝管理、操作管理、物料管理、能源管理、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、設(shè)備管理、質(zhì)量管理和績(jī)效管理等10個(gè)基礎(chǔ)模塊。按照規(guī)范對(duì)上述功能的定義，MES基本實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部數(shù)據(jù)整合，包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)各通信協(xié)議的調(diào)入，人員、原材料等生產(chǎn)要素和質(zhì)量化驗(yàn)的記錄，以及對(duì)設(shè)計(jì)圖紙和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的收集。同時(shí)通過(guò)數(shù)學(xué)規(guī)劃、調(diào)度算法等基礎(chǔ)手段，具備了部分重要控制的優(yōu)化能力，包括排產(chǎn)優(yōu)化，工藝參數(shù)優(yōu)化，人員車輛調(diào)配，能源優(yōu)化等功能。MES與上層系統(tǒng)之間具備了報(bào)表上報(bào)，KPI指標(biāo)監(jiān)控和數(shù)據(jù)調(diào)用能力，但由于石化生產(chǎn)安全性的原因，并沒(méi)有定義上層系統(tǒng)對(duì)MES層的控制要求，因此在規(guī)范中對(duì)上層的功能定義僅為展示層。綜上所述，在石油化工生產(chǎn)領(lǐng)域，當(dāng)前MES的功能只局限于生產(chǎn)內(nèi)部管理，優(yōu)化能力僅局限于部分模塊 ，MES各功能間還沒(méi)有形成智能化關(guān)聯(lián)。通過(guò)MES的管理模式更多是對(duì)人的決策進(jìn)行輔助，為人員管理提供便利，并不具備對(duì)外部環(huán)境變化的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，包括原材料、用戶定制、市場(chǎng)變化、能源穩(wěn)定性、環(huán)保等因素。

隨著美國(guó)先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃(AMP， 2011年)，德國(guó)工業(yè)4.0計(jì)劃(Industry4.0， 2013年)和中國(guó)制造“2025”計(jì)劃(2015年)的發(fā)布，MES的定義也面臨調(diào)整和升級(jí)[8]。新時(shí)期技術(shù)變革的實(shí)質(zhì)是建立一種新的服務(wù)生產(chǎn)模式，用于服務(wù)用戶的個(gè)性化和數(shù)字化需求。既由原來(lái)的生產(chǎn)什么客戶買什么，轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛻魮碛幸欢ǖ脑O(shè)計(jì)能力和范圍，指導(dǎo)工廠生產(chǎn)自己想要的產(chǎn)品。對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)而言，實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備及生產(chǎn)模式進(jìn)行大量的改造升級(jí)，以適應(yīng)新時(shí)期的要求。MES的升級(jí)和增強(qiáng)勢(shì)在必行，對(duì)于石油化工行業(yè)而言，要想保持競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，首先要調(diào)整生產(chǎn)理念，由以工廠為主的市場(chǎng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠忠钥蛻魹橹黧w的服務(wù)型模式。針對(duì)這個(gè)趨勢(shì)，本文總結(jié)出了以下幾個(gè)石油化工行業(yè)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展思路：

1)高附加值、高收益的小批量定制化產(chǎn)品成為企業(yè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。當(dāng)前，中國(guó)的石油化工產(chǎn)品分布仍然以傳統(tǒng)石油產(chǎn)品為主，上游、中游產(chǎn)品占據(jù)主要產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。隨著近年來(lái)國(guó)家對(duì)消費(fèi)升級(jí)的大力部署以及對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈的完善，精細(xì)化工產(chǎn)品的發(fā)展已經(jīng)成為未來(lái)國(guó)內(nèi)外主要發(fā)展趨勢(shì)。目前中國(guó)化工產(chǎn)業(yè)總體精細(xì)化率已經(jīng)提升至45%，種類大概為2萬(wàn)種。但與西方發(fā)達(dá)國(guó)家近70%精細(xì)化率和10萬(wàn)種精細(xì)化產(chǎn)品相比還有很大差距。中國(guó)化工學(xué)會(huì)精細(xì)化工專業(yè)委員會(huì)提出精細(xì)化工行業(yè)的升級(jí)路線： 2025年精細(xì)化工率要提高到55%；2025—2030年目標(biāo)成為精細(xì)化工強(qiáng)國(guó)[9]。

成為精細(xì)化工強(qiáng)國(guó)，意味著企業(yè)生產(chǎn)需轉(zhuǎn)向高附加值、高收益、小批量、定制化的產(chǎn)品生產(chǎn)體系，需要石化企業(yè)必須由粗放型生產(chǎn)管理模式轉(zhuǎn)向精細(xì)化管理模式。這就需要企業(yè)在商業(yè)模式、用戶體驗(yàn)、生產(chǎn)靈活性、生產(chǎn)管理模式、智能監(jiān)測(cè)設(shè)備、智能優(yōu)化算法、質(zhì)量管理等多維度進(jìn)行重構(gòu)或升級(jí)，這些對(duì)于推動(dòng)MES的發(fā)展起到了很好的促進(jìn)作用。

2)全球供應(yīng)鏈?zhǔn)袌?chǎng)穩(wěn)定性及不確定性發(fā)生變化。對(duì)于傳統(tǒng)石油化工產(chǎn)業(yè)而言，原油、能源、中上游產(chǎn)品的來(lái)源基本穩(wěn)定，企業(yè)生產(chǎn)裝置基本按照固定原料產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)。但隨著市場(chǎng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇、全球國(guó)際關(guān)系變化，地區(qū)熱點(diǎn)問(wèn)題頻發(fā)，固有的能源、原材料供應(yīng)體系可能隨時(shí)出現(xiàn)變化。同時(shí)，傳統(tǒng)煤電、油氣能源所構(gòu)成的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)也在部分向非化石能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移，如風(fēng)能、核能、地?zé)崮堋淠茉吹龋@些不確定性對(duì)石化工廠生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量、能源消耗、設(shè)備損耗都帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)。因此，需要新型的工廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)這種挑戰(zhàn)，在變量發(fā)生變化時(shí)，能夠及時(shí)感知、報(bào)告、處理，并調(diào)整生產(chǎn)工藝、工藝參數(shù)、排產(chǎn)規(guī)模、貨運(yùn)物流等產(chǎn)品全周期流程。

3)日益增長(zhǎng)的安全環(huán)保要求。對(duì)于國(guó)家、社會(huì)、公眾而言，石油化工安全生產(chǎn)、污染排放已經(jīng)日益成為重點(diǎn)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。近幾十年來(lái)，為了應(yīng)對(duì)石油化工安全生產(chǎn)及環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，各國(guó)也陸續(xù)提出了一系列指導(dǎo)體系： 1989年，殼牌石油公司頒發(fā)了職業(yè)健康管理導(dǎo)則(OHUG)，并發(fā)布了健康、安全和環(huán)境HSE(health，safety，environment)方針指南，如今，HSE體系已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外石油天然氣勘探、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)領(lǐng)域公認(rèn)的職業(yè)安全衛(wèi)生體系；由20世紀(jì)60年代英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司(ICI)蒙德分部提出來(lái)以引導(dǎo)詞為核心的系統(tǒng)危險(xiǎn)分析方法，后來(lái)逐漸發(fā)展成由危險(xiǎn)與可操作性分析(HAZOP)，保護(hù)層分析(LOPA)，安全完整性等級(jí)(SIL)組成的化工裝置危險(xiǎn)與操作性分析體系。上述安全生產(chǎn)體系已經(jīng)在石油化工行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，但是總體來(lái)說(shuō)，從制定、培訓(xùn)、執(zhí)行、考核等方面依然依靠人工進(jìn)行，特別是檢驗(yàn)和考核環(huán)節(jié)，人的因素決定了體系的成功與否。對(duì)于石化企業(yè)生產(chǎn)而言，杜絕生產(chǎn)安全事故是重中之重，因此將一系列生產(chǎn)安全體系引入MES，由機(jī)器對(duì)執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)控，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，將各類安全分析的成果輸入MES的執(zhí)行環(huán)節(jié)，從本質(zhì)上杜絕錯(cuò)誤操作的發(fā)生，也是未來(lái)需要考慮的模式。

4)生產(chǎn)成本及節(jié)能減排驅(qū)動(dòng)。對(duì)于石油化工企業(yè)而言，高效的規(guī)模化生產(chǎn)、精細(xì)化管理、精準(zhǔn)的能耗管理能夠幫助企業(yè)獲得市場(chǎng)認(rèn)可、定價(jià)權(quán)，從而控制市場(chǎng)。從世界角度而言，中國(guó)化工產(chǎn)能逐年快速增長(zhǎng)，對(duì)世界化工產(chǎn)能結(jié)構(gòu)造成了沖擊；從資本結(jié)構(gòu)角度，以中國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境為例，民營(yíng)股份制化工企業(yè)依托幾十年來(lái)在紡織化纖領(lǐng)域獲取的高額利潤(rùn)，開(kāi)始進(jìn)軍原油進(jìn)口和上游煉化產(chǎn)業(yè)，通過(guò)高效的建設(shè)和生產(chǎn)能力，大幅壓低市場(chǎng)產(chǎn)品價(jià)格，從而對(duì)原本以中石油、中石化為主體的上游企業(yè)造成較大沖擊。因此，對(duì)于市場(chǎng)參與者而言，控制成本、節(jié)能減排是生產(chǎn)管理層面最需關(guān)注的問(wèn)題。在MES中引入智能感知、人工智能、大數(shù)據(jù)分析、智能預(yù)測(cè)、虛擬建模等手段，可以為現(xiàn)有MES增強(qiáng)智能優(yōu)化功能，從而最大化節(jié)省生產(chǎn)成本，降低能耗。

有觀點(diǎn)認(rèn)為，最好的MES設(shè)計(jì)方式是確定以用戶需求為首要目的的商業(yè)目標(biāo)，再圍繞實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)進(jìn)行回溯，設(shè)計(jì)出更適合的MES[10]。對(duì)于石油化工行業(yè)來(lái)說(shuō)，建立一套MES，成本占比最大的不是MES軟件和硬件本身，而是工廠生產(chǎn)管理體系為了匹配MES所作出的改變。因此在MES搭建之初，分析特定行業(yè)用戶需求是至關(guān)重要的。通過(guò)以上分析，定義了MES在石油化工領(lǐng)域發(fā)展的方向和目標(biāo)，為MES未來(lái)的功能定義提供基礎(chǔ)支持。在后面的章節(jié)將圍繞上述目標(biāo)方向，結(jié)合近年來(lái)國(guó)內(nèi)外理論應(yīng)用研究，構(gòu)建出一套合理的MES功能架構(gòu)。

2 制造執(zhí)行系統(tǒng)功能發(fā)展

針對(duì)上述對(duì)MES未來(lái)需求的分析，結(jié)合國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)新時(shí)期面向石油化工等典型流程行業(yè)的MES架構(gòu)和功能的發(fā)展進(jìn)行研究和思考，意在以此為基礎(chǔ)提出較適合未來(lái)發(fā)展的MES架構(gòu)。未來(lái)MES應(yīng)具備和加強(qiáng)以下功能：

1)更加完善的企業(yè)數(shù)據(jù)和知識(shí)庫(kù)平臺(tái)。MES企業(yè)和知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)[11]建設(shè)是未來(lái)系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)，知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)包括工藝模型、自動(dòng)控制模型、設(shè)備數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)、HSE及安全模型、快速反應(yīng)卡、優(yōu)化策略、人員數(shù)據(jù)及供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)等，需要設(shè)計(jì)院、供貨商、運(yùn)營(yíng)工廠、MES廠家、控制系統(tǒng)廠家等通力配合。MES知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是實(shí)現(xiàn)用戶定制生產(chǎn)、設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)優(yōu)化、能耗管理、安全管理、人工管理、內(nèi)部物流管理的基礎(chǔ)。MES知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)體系如圖1所示。

圖1 MES知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)體系示意

2)完善的工藝和物料平衡模型[12]。傳統(tǒng)石化企業(yè)的MES在工藝操作、設(shè)備維護(hù)、人員管理、供應(yīng)鏈保障方面更多的是由機(jī)器來(lái)輔助人的決策，機(jī)器自主決策及優(yōu)化環(huán)節(jié)的執(zhí)行能力和權(quán)限比較薄弱。未來(lái)的工廠需求決定了MES應(yīng)具備自主的智能優(yōu)化調(diào)度、工藝生產(chǎn)控制、設(shè)備故障預(yù)測(cè)等能力。但當(dāng)機(jī)器具有很高的決策和執(zhí)行權(quán)限時(shí)，必須保障企業(yè)生產(chǎn)安全，這時(shí)就需要與實(shí)體工廠同步建立虛擬模擬環(huán)境，對(duì)所有決策進(jìn)行快速仿真模擬，并制定接受規(guī)則，提升企業(yè)生產(chǎn)安全等級(jí)。

虛擬模擬環(huán)境的建立是先進(jìn)MES的重要體現(xiàn)，建立虛擬模擬環(huán)境需要執(zhí)行方根據(jù)工藝包模型，物料平衡模型等知識(shí)體系構(gòu)建虛擬仿真平臺(tái)，并嵌入MES。虛擬仿真平臺(tái)與實(shí)體功能完全一致，可實(shí)時(shí)同步接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)瞬時(shí)值進(jìn)行校正，運(yùn)用人工智能技術(shù)動(dòng)態(tài)修正虛擬模型，使其與真實(shí)實(shí)體的運(yùn)行效果保持趨近。

虛擬模擬環(huán)境的建立，可以方便企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度、差異化生產(chǎn)、故障檢測(cè)、異常報(bào)警、人員培訓(xùn)、優(yōu)化檢驗(yàn)?zāi)M等工作，可以極大提升企業(yè)的運(yùn)行、管理能力和效率。

3)具備與智能設(shè)計(jì)模塊連接的能力。智能制造的上游環(huán)節(jié)就是智能設(shè)計(jì)，對(duì)于石油化工類流程行業(yè)來(lái)說(shuō)，智能設(shè)計(jì)也是未來(lái)的發(fā)展方向，石化企業(yè)要面向小批量、高附加值的精細(xì)化工模式發(fā)展，就要具備靈活的生產(chǎn)調(diào)整能力。這種能力受到兩種因素的影響： 首先是基礎(chǔ)設(shè)施，傳統(tǒng)的規(guī)模化化工企業(yè)生產(chǎn)裝置多且只具備量產(chǎn)和有限的工藝調(diào)整能力，對(duì)出產(chǎn)產(chǎn)品的種類有很大的限制；其次，如果未來(lái)石化企業(yè)向著多樣化精細(xì)化工發(fā)展，就要構(gòu)造自己的智能設(shè)計(jì)體系。成功構(gòu)建智能化設(shè)計(jì)體系，可以反過(guò)來(lái)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)進(jìn)行指導(dǎo)，從硬件、軟件兩個(gè)層面來(lái)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化生產(chǎn)能力，擴(kuò)大生產(chǎn)種類和靈活性，為有特殊需求的客戶提供服務(wù)。因此對(duì)于MES發(fā)展而言，需要適應(yīng)和滿足智能設(shè)計(jì)模塊體系的要求，以能夠根據(jù)職能設(shè)計(jì)模塊來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)排產(chǎn)和調(diào)整。

4)完善智能生產(chǎn)、優(yōu)化功能。化工生產(chǎn)操作主要以DCS為主體，MES的計(jì)劃排產(chǎn)功能目前主要是給出計(jì)劃方案，主體操作還是依靠人工向DCS下達(dá)命令，包括開(kāi)車操作、停車操作、增產(chǎn)、減產(chǎn)、排廢、沖洗，設(shè)備檢測(cè)、熱冷循環(huán)測(cè)試等操作。優(yōu)化操作主要是在DCS外安裝特定上位機(jī)，與DCS進(jìn)行通信控制。未來(lái)的MES功能應(yīng)該能夠完成按照決策分析結(jié)果對(duì)DCS下達(dá)上述命令，同時(shí)內(nèi)嵌優(yōu)化控制模塊，如先進(jìn)控制算法(APC)，實(shí)時(shí)優(yōu)化算法(RTO)等。

5)成為新技術(shù)革命下智慧工廠體系成員。流程工業(yè)智能工廠應(yīng)具備實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、計(jì)算、預(yù)測(cè)、報(bào)警和處理能力，這與工業(yè)4.0方案核心內(nèi)容信息物理系統(tǒng)CPS(cyber physical system)[7，11-12]概念一致，CPS作為智慧化工廠的基礎(chǔ)，可以為工廠全要素仿真計(jì)算提供支持，涵蓋工廠運(yùn)營(yíng)中的工藝模型、物料、設(shè)備、裝置、物流和供應(yīng)鏈等，通過(guò)創(chuàng)造出虛擬工廠為現(xiàn)實(shí)管理提供服務(wù)，并運(yùn)用模型驅(qū)動(dòng)技術(shù)，對(duì)工程全流程進(jìn)行建模，包括計(jì)劃排產(chǎn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工廠運(yùn)營(yíng)等。CPS是構(gòu)建虛擬化工廠的系統(tǒng)基礎(chǔ)，CPS的核心5C金字塔結(jié)構(gòu)[12]，包括感知層(connection)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層(conversion)、網(wǎng)絡(luò)層(cyber)、認(rèn)知層(cognition)和最終的配置層(configuration)。目標(biāo)是在配置層達(dá)到自知(self-awareness)、自校(self-comparison)和自愈(self-maintenance)。根據(jù)5C結(jié)構(gòu)結(jié)合化工類流程企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，用于流程工業(yè)體的CPS的5C模型構(gòu)建如圖2所示。

圖2 用于流程工業(yè)體的CPS的5C模型構(gòu)建示意

MES的未來(lái)發(fā)展必須能夠使自身融合于信息物理體系中，成為其基本組成部分，這樣MES才能適應(yīng)新技術(shù)革命體系，獲得更好的應(yīng)用和發(fā)展。

6)預(yù)制安全保護(hù)機(jī)制。現(xiàn)代化工裝置在可研、設(shè)計(jì)、運(yùn)行階段均設(shè)置完善的安全評(píng)估體系，包括HAZOP分析、LOPA分析、SIL定級(jí)，并設(shè)置獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)(SIS)。但在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，SIS一旦觸發(fā)，就意味著整個(gè)生產(chǎn)裝置會(huì)部分或者整體停車，這對(duì)于強(qiáng)調(diào)連續(xù)生產(chǎn)的化工企業(yè)來(lái)說(shuō)損失是巨大的。因此在安全聯(lián)鎖機(jī)制觸發(fā)之前，需要MES能夠提前預(yù)測(cè)出故障趨勢(shì)，從而在故障發(fā)生之前進(jìn)行響應(yīng)操作，以避免聯(lián)鎖觸發(fā)造成停車的損失。

上述目標(biāo)主要通過(guò)將工藝模型、聯(lián)鎖回路信息、HAZOP分析等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)體系，再通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)記錄聯(lián)鎖觸發(fā)事故前的操作參數(shù)，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等智能算法建立預(yù)測(cè)模型，從而能夠在未來(lái)的生產(chǎn)中做到提前預(yù)測(cè)，提前處理。

3 制造執(zhí)行系統(tǒng)在石油化工行業(yè)發(fā)展分析

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，MES已經(jīng)在石油化工行業(yè)得到了很好的應(yīng)用。作為典型的流程行業(yè)，石油化工行業(yè)在MES應(yīng)用中存在如下特點(diǎn)：

1)石油化工行業(yè)在早期已經(jīng)采用DCS控制生產(chǎn)，DCS本身就包括了部分MES的功能，比如控制、計(jì)劃、報(bào)警、智能優(yōu)化等功能。相比主要設(shè)備采用PLC等系統(tǒng)進(jìn)行控制的其他行業(yè)，設(shè)備間在早期缺乏網(wǎng)絡(luò)連接，所以在發(fā)展中就需要MES對(duì)體系進(jìn)行連接、優(yōu)化。

2)從裝置特性考慮，石油化工行業(yè)屬于連續(xù)流程制造業(yè)，在裝置設(shè)計(jì)之初就決定了裝置的產(chǎn)品范圍，一般情況下差異生產(chǎn)的裝置種類較少，多數(shù)屬于專用類別生產(chǎn)裝置。而其他行業(yè)設(shè)備本身種類繁多，通過(guò)組合就可以靈活調(diào)整產(chǎn)品種類，因此更需要MES來(lái)進(jìn)行計(jì)劃、排產(chǎn)、調(diào)度等工作。

3)從安全性角度來(lái)說(shuō)，石油化工行業(yè)屬于高危險(xiǎn)性行業(yè)，對(duì)操作安全性的要求極高，因此在重要操作環(huán)節(jié)更相信人的直接干預(yù)，產(chǎn)業(yè)還沒(méi)有做好用系統(tǒng)來(lái)調(diào)整工藝的準(zhǔn)備。試錯(cuò)成本較高，對(duì)MES的推陳出新，快速發(fā)展相對(duì)謹(jǐn)慎。

4)從成本分析的角度來(lái)說(shuō)，石油化工裝置進(jìn)行生產(chǎn)優(yōu)化的方式選擇較多，比如通過(guò)DCS編程算法實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)專業(yè)優(yōu)化軟件與控制系統(tǒng)連接來(lái)完成目標(biāo)，如ASPEN或者Honeywell的專業(yè)軟件系統(tǒng)。

綜合上述分析，MES在化工行業(yè)的應(yīng)用還是任重道遠(yuǎn)，但相信隨著產(chǎn)業(yè)格局的變化，差異化生產(chǎn)的提升，MES在化工領(lǐng)域的廣泛推廣只是時(shí)間問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)MES在石油化工行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行描述，分析了未來(lái)石油化工行業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，從而指出了MES在石化行業(yè)的發(fā)展方向。成功的MES設(shè)計(jì)是企業(yè)構(gòu)建高效、穩(wěn)定、靈活、環(huán)保、安全的智慧化工廠的基礎(chǔ)，未來(lái)隨著第四代工業(yè)技術(shù)革命的推進(jìn)，MES的功能會(huì)愈加成熟，也會(huì)滿足客戶更多的需求。