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(chǎn)過程信息集成優(yōu)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(yè)生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)核心模型出發(fā)，分析了生產(chǎn)流程模型，生產(chǎn)管理模型，邏輯節(jié)點模型、物理節(jié)點模型、裝置生產(chǎn)單元模型等關鍵因素。闡述了過程信息集成優(yōu)化的設計策略應以煉化企業(yè)工廠模型及生產(chǎn)流程模型為依據(jù)，建立信息體系和優(yōu)化分析方法，支撐生產(chǎn)層面上的業(yè)務管理和數(shù)據(jù)分析，才能達到生產(chǎn)管理優(yōu)化運行的效果。在企業(yè)生產(chǎn)模型與信息集成的基礎上，完成業(yè)務集成、數(shù)據(jù)集成和崗位工作平臺等內(nèi)容，達到生產(chǎn)過程信息的集成優(yōu)化。

信息化 系統(tǒng) 數(shù)據(jù) 生產(chǎn) 優(yōu)化

煉化企業(yè)生產(chǎn)是復雜的連續(xù)流程性過程[1]，需要根據(jù)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(chǎn)方案，才能緊跟市場變化節(jié)奏，實現(xiàn)效益最大化。

而煉化企業(yè)生產(chǎn)流程節(jié)點多，管理的難度和跨度大，以某特大型煉化企業(yè)為例，僅各種操作參數(shù)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(chǎn)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(yè)的生產(chǎn)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(chǎn)管理問題，會建立相應的信息系統(tǒng)去解決具體的問題，因而不可避免地建成了若干系統(tǒng)，業(yè)務領域存在重復性，業(yè)務數(shù)據(jù)不能標準化和全方位共享，操作人員面對各種應用系統(tǒng)操作繁瑣，決策者也不能便捷獲得完整一致的數(shù)據(jù)支撐[3]。

1 現(xiàn)有的信息化架構和數(shù)據(jù)流

1.1信息化架構

經(jīng)過多年的實踐，煉化企業(yè)已經(jīng)形成了從過程控制(PCS)層、生產(chǎn)執(zhí)行(MES)層到經(jīng)營管理(ERP)層的三層架構(如圖1所示)，數(shù)據(jù)流從底層向上流轉，同時，上層系統(tǒng)得出的經(jīng)營分析成果對下面各個層面的系統(tǒng)反饋預警，上下層面系統(tǒng)互為依據(jù)、互為補充。三個層面內(nèi)的信息系統(tǒng)在經(jīng)營、生產(chǎn)、操作管理過程中發(fā)揮了越來越重要的作用。

圖1 典型的煉化企業(yè)信息系統(tǒng)架構示意

1) PCS層以裝置DCS為基礎，將數(shù)據(jù)采集進入統(tǒng)一的實時數(shù)據(jù)庫。

2) MES是處于EPR層和PCS層之間的執(zhí)行層[4]，MES通過數(shù)據(jù)校正和平衡算法，進行生產(chǎn)管理、調(diào)度平衡和統(tǒng)計平衡[5]；計量管理系統(tǒng)對底層數(shù)據(jù)進行整合和數(shù)據(jù)準確性監(jiān)控；LIMS提供質量分析數(shù)據(jù)和接口；操作管理提供了基層崗位的操作規(guī)范；能源管理管理整個公司的公用工程系統(tǒng)以及其他管理系統(tǒng)等。

3) 上層為ERP系統(tǒng)，根據(jù)MES得出的原材料、半成品、產(chǎn)成品等物料信息，進行銷售發(fā)貨、成本核算、在線控制等，及時在ERP系統(tǒng)中匯總生產(chǎn)經(jīng)營成果；全面預算管理、生產(chǎn)經(jīng)營分析與預測體系作為決策支持層的平臺，以ERP，MES等系統(tǒng)數(shù)據(jù)為基礎，實現(xiàn)對生產(chǎn)、銷售、供應、管理等各個環(huán)節(jié)全過程和全方位的分析和監(jiān)控[6]。

4) 基礎設施層是以健全的網(wǎng)絡和網(wǎng)絡安全控制為核心，從而保證數(shù)據(jù)流的順暢。

1.2數(shù)據(jù)標準化和一致性問題

從企業(yè)三層信息化架構可以看出，不同業(yè)務類型的數(shù)據(jù)存儲在不同系統(tǒng)中，如果需要了解某一業(yè)務的整體情況，需要登錄不同系統(tǒng)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(tǒng)中，無法通過一個系統(tǒng)獲得企業(yè)的整體狀況。

即使信息系統(tǒng)形式上放在一起但業(yè)務內(nèi)容有相互抵觸的地方，即系統(tǒng)標準化的問題，例如： 同一物料，在MES，ERP，LIMS等系統(tǒng)中由于名稱不統(tǒng)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(tǒng)中所表達含義的不同都會給管理帶來混亂。

企業(yè)的部門及專業(yè)之間的信息整合問題。體現(xiàn)在各部門間對相同信息處理方法的不統(tǒng)一所導致的同一數(shù)據(jù)的差異。例如： 由于沒有一個統(tǒng)一的平臺，各部門的數(shù)據(jù)都是在各自領域或專業(yè)系統(tǒng)內(nèi)進行統(tǒng)計和整理，信息數(shù)據(jù)的合理性在部門內(nèi)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(shù)據(jù)的差異會給管理和決策帶來困擾。

因此，建立生產(chǎn)過程信息集成優(yōu)化對管理現(xiàn)代化大生產(chǎn)顯得尤為重要，建立企業(yè)生產(chǎn)管理信息集成及優(yōu)化系統(tǒng)的基礎是研究出統(tǒng)一的生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)的核心模型，然后圍繞核心模型，建立企業(yè)層面統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫，并在統(tǒng)一的平臺下規(guī)劃建立新的應用，才能實現(xiàn)真正意義上的信息集成。

2 生產(chǎn)流程模型的建立

煉化企業(yè)生產(chǎn)流程模型的建立基礎是對原油進廠、生產(chǎn)、產(chǎn)品出廠的物料流程模型研究，對從計劃、調(diào)度、執(zhí)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(yōu)化分析方法的研究等。煉化生產(chǎn)管理流程模型如圖2所示。

圖2 煉化生產(chǎn)管理流程模型

生產(chǎn)管理流程可分為計劃優(yōu)化管理流程、調(diào)度排產(chǎn)優(yōu)化管理流程、裝置操作優(yōu)化管理流程三個層次。各層模型按業(yè)務進行關聯(lián)管理，按管理流程指導煉化企業(yè)實際生產(chǎn)工作。

2.1計劃優(yōu)化管理流程模型

生產(chǎn)管理主流程就是計劃優(yōu)化、計劃執(zhí)行、PDCA的業(yè)務流程，從制訂月度生產(chǎn)優(yōu)化計劃開始，然后通過生產(chǎn)排產(chǎn)、操作管理等，下達到裝置、罐區(qū)等各生產(chǎn)車間單元，各生產(chǎn)單位按計劃和工藝要求執(zhí)行生產(chǎn)，通過物流及物性跟蹤、生產(chǎn)統(tǒng)計平衡獲得生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，分析是否滿足控制范圍或計劃進度，并通過運行數(shù)據(jù)對計劃優(yōu)化做出分析改進。

2.2調(diào)度排產(chǎn)優(yōu)化管理流程模型

調(diào)度排產(chǎn)優(yōu)化管理流程如圖3所示，該流程是在生產(chǎn)管理流程的總綱下，從作業(yè)計劃、調(diào)度指令到裝置的投入產(chǎn)出以及到出廠環(huán)節(jié)等，進行優(yōu)化排產(chǎn)調(diào)度和優(yōu)化，使整個生產(chǎn)管理流程合理有效地運轉，是整個環(huán)節(jié)中承上啟下的重要一環(huán)。

圖3 調(diào)度排產(chǎn)優(yōu)化管理流程示意

2.3裝置操作優(yōu)化管理流程

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

圖4 裝置操作優(yōu)化管理流程示意

2.4生產(chǎn)過程中關鍵節(jié)點的設置

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

2.4.1邏輯節(jié)點模型

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

圖5 邏輯節(jié)點模型

2.4.2物理節(jié)點模型

物理節(jié)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(chǎn)出側線節(jié)點等。

2.4.3裝置生產(chǎn)單元模型

裝置生產(chǎn)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(chǎn)出產(chǎn)品種類、產(chǎn)品分布、產(chǎn)品性質、工藝參數(shù)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(chǎn)單元模型，集成所有裝置層面的生產(chǎn)要素。裝置模型是整個生產(chǎn)流程模型的細化和支撐，向上構成企業(yè)層面的裝置細節(jié)。

3 建立以流程模型為基礎的信息集成和優(yōu)化體系

生產(chǎn)管理流程模型中的計劃優(yōu)化管理、調(diào)度排產(chǎn)優(yōu)化管理和裝置操作優(yōu)化管理是由上而下、循環(huán)改進、不斷完善的過程，生產(chǎn)流程模型正確合理地建立，可以保證生產(chǎn)優(yōu)化過程的有序進行。

3.1信息集成模型

在生產(chǎn)管理模型的集成上構建基于業(yè)務應用的生產(chǎn)過程信息集成優(yōu)化應用，梳理生產(chǎn)管理層面業(yè)務流程、管理思維，建立企業(yè)生產(chǎn)物流模型、裝置運行模型、業(yè)務信息與指標體系，可以幫助企業(yè)優(yōu)化管理的各個環(huán)節(jié)，在保證裝置穩(wěn)定運行的前提下，實現(xiàn)效益最大化。

通過對企業(yè)生產(chǎn)運行相關信息的收集，實時掌握企業(yè)的排產(chǎn)計劃、運行管理、生產(chǎn)執(zhí)行和生產(chǎn)統(tǒng)計等情況；生產(chǎn)層面的指標體系并在指標體系的基礎上進行數(shù)據(jù)集成，可以使各專業(yè)性的生產(chǎn)管理系統(tǒng)的應用數(shù)據(jù)間統(tǒng)一化、標準化，各種及時、準確、真實、清晰的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及時發(fā)送到相關管理者的面前(系統(tǒng)、郵件、短信及移動應用)，便于生產(chǎn)管理人員、技術人員、操作人員能及時準確地得到系統(tǒng)信息支持。在此基礎上，可以利用先進的統(tǒng)計分析、優(yōu)化軟件進行分析處理，指導企業(yè)合理地配置資源，找出潛在的效益增長點或制約企業(yè)發(fā)展的“瓶頸”并及時調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)品結構、節(jié)能改造、經(jīng)營戰(zhàn)略和生產(chǎn)計劃，建設使企業(yè)能獲得最大整體效益的生產(chǎn)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(chǎn)過程的核心出發(fā)，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(shù)據(jù)、指標是不同的，定義的指標從不同的角度來反映生產(chǎn)運行情況，需要注意全面性，比較完整地掌握系統(tǒng)的運行情況。信息體系以不同層面的生產(chǎn)流程模型的對象為基礎，數(shù)據(jù)是對象相關屬性和運行信息，按專業(yè)可分為生產(chǎn)、工藝、質量、能耗、安環(huán)、設備等諸多方面[8]。生產(chǎn)運行信息體系示意如圖6所示。

圖6 生產(chǎn)運行信息體系示意

3.2優(yōu)化體系分析

流程模型的建立為生產(chǎn)的優(yōu)化方案與分析提供了基礎支撐。優(yōu)化方案描述了生產(chǎn)流程各關鍵環(huán)節(jié)中的運行、操作的策略，包括原油的采購種類及數(shù)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(diào)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(chǎn)調(diào)度安排的可行性、合理性及優(yōu)化問題，如原油混煉比、產(chǎn)品結構、調(diào)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(chǎn)流程模型中組成對象、關鍵環(huán)節(jié)里涉及的各物料走向為主要研究內(nèi)容，分析其來源和去向(或產(chǎn)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(yōu)化算法模型；以關鍵環(huán)節(jié)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(chǎn)品性質的約束、原料和產(chǎn)品量的約束等。由于物性守恒可能導致非線性方程的產(chǎn)生，為適應非線性方程線性化處理的不同方法，產(chǎn)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(chǎn)管理信息集成及優(yōu)化平臺

梳理和建立煉化企業(yè)生產(chǎn)流程的企業(yè)模型，同時完成企業(yè)主數(shù)據(jù)、業(yè)務流程、指標體系等內(nèi)容的設計，在模型的基礎上建立生產(chǎn)管理信息集成平臺，可以建立各級生產(chǎn)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(jīng)驗、知識庫以及優(yōu)化策略，為解決在整體業(yè)務流程上各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)、信息和管理等不一致的問題和利用生產(chǎn)過程的運行數(shù)據(jù)、參數(shù)指標，解決生產(chǎn)目標優(yōu)化、計劃合理性的問題等提供了思路。

4.1數(shù)據(jù)集成

集成平臺工作內(nèi)容主要包括主數(shù)據(jù)統(tǒng)一，業(yè)務數(shù)據(jù)共享，建設企業(yè)生產(chǎn)層面的、基于工廠模型的數(shù)據(jù)倉庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)倉庫是為了更好地支持企業(yè)總體業(yè)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(jié)點層；物理節(jié)點層；生產(chǎn)單元/設備層。數(shù)據(jù)倉庫也可以將ERP層的數(shù)據(jù)包括進來，實現(xiàn)對經(jīng)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(nèi)容對確定工廠主數(shù)據(jù)以及各系統(tǒng)在該數(shù)據(jù)基礎上進行業(yè)務集成、業(yè)務規(guī)范的工作很有意義。在工廠模型構架下的數(shù)據(jù)集成后，可在全廠模型的基礎下進行優(yōu)化計劃(排產(chǎn))—執(zhí)行—分析改進，進而達到整個工廠的動態(tài)優(yōu)化管理。

數(shù)據(jù)集成管理包括以下幾個層面： 1) 實時數(shù)據(jù)采集的集成，目前各應用系統(tǒng)都在采集實時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，提供統(tǒng)一的接口和部署完成實時數(shù)據(jù)采集的集成；2) 企業(yè)主數(shù)據(jù)的管理和共享，達到一個企業(yè)1套主數(shù)據(jù)，包括設備、裝置、側線、罐、物料、儀表等的數(shù)據(jù)；3) 各系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)的共享，主要包括MES調(diào)度、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、LIMS化驗分析數(shù)據(jù)等在各業(yè)務系統(tǒng)中的應用。

4.2業(yè)務集成

業(yè)務流程的集成是按合理規(guī)范的生產(chǎn)管理業(yè)務流程進行業(yè)務重構，突出關鍵工作，滿足企業(yè)生產(chǎn)最本質需求，統(tǒng)一各基層運行信息系統(tǒng)。

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

生產(chǎn)管理的主業(yè)務流程是計劃優(yōu)化管理—計劃執(zhí)行跟蹤，如圖8所示。在企業(yè)實際應用中，首先根據(jù)PIMS制訂生產(chǎn)優(yōu)化計劃，然后通過生產(chǎn)排產(chǎn)、操作管理等下達到裝置、罐區(qū)等各生產(chǎn)車間單元，各生產(chǎn)單位按計劃和工藝要求執(zhí)行生產(chǎn)，通過物流跟蹤、生產(chǎn)統(tǒng)計平衡獲得生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，分析是否滿足控制范圍或計劃進度，并通過整理運行數(shù)據(jù)對計劃優(yōu)化作出分析改進。

圖8 煉化企業(yè)生產(chǎn)管理信息業(yè)務集成示意

通過對主業(yè)務流程的分析，并針對生產(chǎn)各環(huán)節(jié)、各部門分解和分類整理各自的分業(yè)務流程，作為業(yè)務提升的依據(jù)和目標，指導信息系統(tǒng)集成工作，進行MES、生產(chǎn)計劃優(yōu)化、調(diào)度排產(chǎn)和調(diào)和優(yōu)化、生產(chǎn)經(jīng)營分析、技術分析等系統(tǒng)的規(guī)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(chǎn)流程各環(huán)節(jié)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(tǒng)進行集成，用戶權限的相關系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理，并將針對業(yè)務管理的統(tǒng)一，優(yōu)化規(guī)范各集成系統(tǒng)內(nèi)的業(yè)務模塊，在個人工作平臺上逐步實現(xiàn)業(yè)務流程的集成，將各系統(tǒng)的主要業(yè)務流程進行集成和優(yōu)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(yè)已實施的系統(tǒng)進行業(yè)務梳理，在統(tǒng)一的信息集成平臺上安放各業(yè)務功能，一方面能使企業(yè)管理者、技術人員、操作人員，更有效地使用好系統(tǒng)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(yè)生產(chǎn)過程信息集成優(yōu)化的設計策略應以煉化企業(yè)工廠模型及生產(chǎn)流程模型為依據(jù)，通過梳理生產(chǎn)管理流程，分析流程性企業(yè)的工廠信息、生產(chǎn)特點，建立管理流程模型和生產(chǎn)流程模型，并進一步以流程模型為集成建立信息體系和優(yōu)化分析方法，模型支撐生產(chǎn)層面上的業(yè)務管理和數(shù)據(jù)分析，達到生產(chǎn)管理優(yōu)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(yè)于東南大學無線電工程系微波技術專業(yè)，現(xiàn)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