徐博文

(中國昆侖工程有限公司，北京 100037)

制造執(zhí)行系統(tǒng)MES(manufacturing execution systems)概念最早由美國先進制造研究中心(Advanced Manufacturing Research，Inc．)提出。制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(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)資源計劃系統(tǒng)層(ERP)和過程控制操作系統(tǒng)層(PCS)，解決了企業(yè)管理與車間生產中間的生產管理、數據監(jiān)測、決策實施等問題，在企業(yè)信息化建設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)生產特性，在20世紀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，擁有較好的數據基礎。經過多年的發(fā)展，行業(yè)主要企業(yè)(如BP，?？松梨?，殼牌)已經在實際生產中實現了大部分的MES功能。中國石化也在國家“863”計劃的支持下于2003年研發(fā)推出了國內首款MES： SMES[3]，部分解決了企業(yè)管理與車間生產間的信息孤島和環(huán)鏈缺失問題。

近年來，隨著工業(yè)4.0、中國制造“2025”等第四代工業(yè)技術戰(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IIOT(industry internet of things)、信息物理系統(tǒng)CPS(cyber-physical systems)[6]等新興技術與概念已經逐漸由概念變?yōu)楝F實。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)競爭、社會以及環(huán)境的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的生產執(zhí)行層MES已經不能夠滿足企業(yè)的需求，必須在概念和技術層面上進行升級、補充或者重構。

本文將重點關注國內外MES或生產執(zhí)行層相關概念和技術的最新的發(fā)展趨勢，重點研究石油化工這個特定流程行業(yè)。將在第一章對當前石油化工行業(yè)生產執(zhí)行層面的需求和挑戰(zhàn)進行分析，梳理出主要的功能需求；第二章將針對第一章的研究，借鑒最新的國內外研究與應用進展，提出較為先進的MES功能和架構；第三章將論述MES在石油化工行業(yè)應用特點，提出MES在石油化工行業(yè)升級發(fā)展所面臨的瓶頸；第四章進行總結并提出對未來發(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標準，發(fā)布了ISO/IEC 62264企業(yè)控制系統(tǒng)集成國際標準，為企業(yè)信息化系統(tǒng)以及制造執(zhí)行系統(tǒng)的設計、集成提供了依據。中國也根據該國際標準發(fā)布了GB/T 20720—2019《企業(yè)控制系統(tǒng)集成》標準[7]。2012年，工業(yè)和信息化部編制第一批行業(yè)標準，其中包括《制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)規(guī)范》，后又在此基礎上，編制了適用于石油化工行業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)功能標準，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SJ/T 11666.15—2016對MES軟件功能的定義，包括計劃排產、生產調度、工藝管理、操作管理、物料管理、能源管理、生產統(tǒng)計、設備管理、質量管理和績效管理等10個基礎模塊。按照規(guī)范對上述功能的定義，MES基本實現了內部數據整合，包括生產數據通過各通信協(xié)議的調入，人員、原材料等生產要素和質量化驗的記錄，以及對設計圖紙和生產經驗的收集。同時通過數學規(guī)劃、調度算法等基礎手段，具備了部分重要控制的優(yōu)化能力，包括排產優(yōu)化，工藝參數優(yōu)化，人員車輛調配，能源優(yōu)化等功能。MES與上層系統(tǒng)之間具備了報表上報，KPI指標監(jiān)控和數據調用能力，但由于石化生產安全性的原因，并沒有定義上層系統(tǒng)對MES層的控制要求，因此在規(guī)范中對上層的功能定義僅為展示層。綜上所述，在石油化工生產領域，當前MES的功能只局限于生產內部管理，優(yōu)化能力僅局限于部分模塊 ，MES各功能間還沒有形成智能化關聯(lián)。通過MES的管理模式更多是對人的決策進行輔助，為人員管理提供便利，并不具備對外部環(huán)境變化的自動調節(jié)能力，包括原材料、用戶定制、市場變化、能源穩(wěn)定性、環(huán)保等因素。

隨著美國先進制造伙伴計劃(AMP， 2011年)，德國工業(yè)4.0計劃(Industry4.0， 2013年)和中國制造“2025”計劃(2015年)的發(fā)布，MES的定義也面臨調整和升級[8]。新時期技術變革的實質是建立一種新的服務生產模式，用于服務用戶的個性化和數字化需求。既由原來的生產什么客戶買什么，轉變?yōu)榭蛻魮碛幸欢ǖ脑O計能力和范圍，指導工廠生產自己想要的產品。對于生產企業(yè)而言，實現上述目標需要對現有設備及生產模式進行大量的改造升級，以適應新時期的要求。MES的升級和增強勢在必行，對于石油化工行業(yè)而言，要想保持競爭實力，首先要調整生產理念，由以工廠為主的市場模式轉變?yōu)椴糠忠钥蛻魹橹黧w的服務型模式。針對這個趨勢，本文總結出了以下幾個石油化工行業(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品成為企業(yè)新的增長點。當前，中國的石油化工產品分布仍然以傳統(tǒng)石油產品為主，上游、中游產品占據主要產品結構。隨著近年來國家對消費升級的大力部署以及對產業(yè)鏈的完善，精細化工產品的發(fā)展已經成為未來國內外主要發(fā)展趨勢。目前中國化工產業(yè)總體精細化率已經提升至45%，種類大概為2萬種。但與西方發(fā)達國家近70%精細化率和10萬種精細化產品相比還有很大差距。中國化工學會精細化工專業(yè)委員會提出精細化工行業(yè)的升級路線： 2025年精細化工率要提高到55%；2025—2030年目標成為精細化工強國[9]。

成為精細化工強國，意味著企業(yè)生產需轉向高附加值、高收益、小批量、定制化的產品生產體系，需要石化企業(yè)必須由粗放型生產管理模式轉向精細化管理模式。這就需要企業(yè)在商業(yè)模式、用戶體驗、生產靈活性、生產管理模式、智能監(jiān)測設備、智能優(yōu)化算法、質量管理等多維度進行重構或升級，這些對于推動MES的發(fā)展起到了很好的促進作用。

2)全球供應鏈市場穩(wěn)定性及不確定性發(fā)生變化。對于傳統(tǒng)石油化工產業(yè)而言，原油、能源、中上游產品的來源基本穩(wěn)定，企業(yè)生產裝置基本按照固定原料產品進行設計、生產。但隨著市場企業(yè)競爭加劇、全球國際關系變化，地區(qū)熱點問題頻發(fā)，固有的能源、原材料供應體系可能隨時出現變化。同時，傳統(tǒng)煤電、油氣能源所構成的能源供應結構也在部分向非化石能源結構轉移，如風能、核能、地熱能、氫能源等，這些不確定性對石化工廠生產工藝、產品質量、能源消耗、設備損耗都帶來了不小的挑戰(zhàn)。因此，需要新型的工廠生產管理系統(tǒng)來適應這種挑戰(zhàn)，在變量發(fā)生變化時，能夠及時感知、報告、處理，并調整生產工藝、工藝參數、排產規(guī)模、貨運物流等產品全周期流程。

3)日益增長的安全環(huán)保要求。對于國家、社會、公眾而言，石油化工安全生產、污染排放已經日益成為重點關注的熱點問題。近幾十年來，為了應對石油化工安全生產及環(huán)境保護問題，各國也陸續(xù)提出了一系列指導體系： 1989年，殼牌石油公司頒發(fā)了職業(yè)健康管理導則(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體系已經成為國內外石油天然氣勘探、開發(fā)、生產領域公認的職業(yè)安全衛(wèi)生體系；由20世紀60年代英國帝國化學工業(yè)公司(ICI)蒙德分部提出來以引導詞為核心的系統(tǒng)危險分析方法，后來逐漸發(fā)展成由危險與可操作性分析(HAZOP)，保護層分析(LOPA)，安全完整性等級(SIL)組成的化工裝置危險與操作性分析體系。上述安全生產體系已經在石油化工行業(yè)得到了廣泛應用，但是總體來說，從制定、培訓、執(zhí)行、考核等方面依然依靠人工進行，特別是檢驗和考核環(huán)節(jié)，人的因素決定了體系的成功與否。對于石化企業(yè)生產而言，杜絕生產安全事故是重中之重，因此將一系列生產安全體系引入MES，由機器對執(zhí)行情況進行監(jiān)控，是未來的發(fā)展趨勢。同時，將各類安全分析的成果輸入MES的執(zhí)行環(huán)節(jié)，從本質上杜絕錯誤操作的發(fā)生，也是未來需要考慮的模式。

4)生產成本及節(jié)能減排驅動。對于石油化工企業(yè)而言，高效的規(guī)模化生產、精細化管理、精準的能耗管理能夠幫助企業(yè)獲得市場認可、定價權，從而控制市場。從世界角度而言，中國化工產能逐年快速增長，對世界化工產能結構造成了沖擊；從資本結構角度，以中國國內生產環(huán)境為例，民營股份制化工企業(yè)依托幾十年來在紡織化纖領域獲取的高額利潤，開始進軍原油進口和上游煉化產業(yè)，通過高效的建設和生產能力，大幅壓低市場產品價格，從而對原本以中石油、中石化為主體的上游企業(yè)造成較大沖擊。因此，對于市場參與者而言，控制成本、節(jié)能減排是生產管理層面最需關注的問題。在MES中引入智能感知、人工智能、大數據分析、智能預測、虛擬建模等手段，可以為現有MES增強智能優(yōu)化功能，從而最大化節(jié)省生產成本，降低能耗。

有觀點認為，最好的MES設計方式是確定以用戶需求為首要目的的商業(yè)目標，再圍繞實現該目標進行回溯，設計出更適合的MES[10]。對于石油化工行業(yè)來說，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)用戶需求是至關重要的。通過以上分析，定義了MES在石油化工領域發(fā)展的方向和目標，為MES未來的功能定義提供基礎支持。在后面的章節(jié)將圍繞上述目標方向，結合近年來國內外理論應用研究，構建出一套合理的MES功能架構。

2 制造執(zhí)行系統(tǒng)功能發(fā)展

針對上述對MES未來需求的分析，結合國際發(fā)展趨勢，對新時期面向石油化工等典型流程行業(yè)的MES架構和功能的發(fā)展進行研究和思考，意在以此為基礎提出較適合未來發(fā)展的MES架構。未來MES應具備和加強以下功能：

1)更加完善的企業(yè)數據和知識庫平臺。MES企業(yè)和知識數據庫[11]建設是未來系統(tǒng)發(fā)展的基礎，知識數據庫應包括工藝模型、自動控制模型、設備數據、產品數據庫、HSE及安全模型、快速反應卡、優(yōu)化策略、人員數據及供應鏈數據等，需要設計院、供貨商、運營工廠、MES廠家、控制系統(tǒng)廠家等通力配合。MES知識數據庫是實現用戶定制生產、設備動態(tài)監(jiān)測、生產優(yōu)化、能耗管理、安全管理、人工管理、內部物流管理的基礎。MES知識數據庫體系如圖1所示。

圖1 MES知識數據庫體系示意

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、設備維護、人員管理、供應鏈保障方面更多的是由機器來輔助人的決策，機器自主決策及優(yōu)化環(huán)節(jié)的執(zhí)行能力和權限比較薄弱。未來的工廠需求決定了MES應具備自主的智能優(yōu)化調度、工藝生產控制、設備故障預測等能力。但當機器具有很高的決策和執(zhí)行權限時，必須保障企業(yè)生產安全，這時就需要與實體工廠同步建立虛擬模擬環(huán)境，對所有決策進行快速仿真模擬，并制定接受規(guī)則，提升企業(yè)生產安全等級。

虛擬模擬環(huán)境的建立是先進MES的重要體現，建立虛擬模擬環(huán)境需要執(zhí)行方根據工藝包模型，物料平衡模型等知識體系構建虛擬仿真平臺，并嵌入MES。虛擬仿真平臺與實體功能完全一致，可實時同步接收實時數據對瞬時值進行校正，運用人工智能技術動態(tài)修正虛擬模型，使其與真實實體的運行效果保持趨近。

虛擬模擬環(huán)境的建立，可以方便企業(yè)進行生產調度、差異化生產、故障檢測、異常報警、人員培訓、優(yōu)化檢驗模擬等工作，可以極大提升企業(yè)的運行、管理能力和效率。

3)具備與智能設計模塊連接的能力。智能制造的上游環(huán)節(jié)就是智能設計，對于石油化工類流程行業(yè)來說，智能設計也是未來的發(fā)展方向，石化企業(yè)要面向小批量、高附加值的精細化工模式發(fā)展，就要具備靈活的生產調整能力。這種能力受到兩種因素的影響： 首先是基礎設施，傳統(tǒng)的規(guī)?；て髽I(yè)生產裝置多且只具備量產和有限的工藝調整能力，對出產產品的種類有很大的限制；其次，如果未來石化企業(yè)向著多樣化精細化工發(fā)展，就要構造自己的智能設計體系。成功構建智能化設計體系，可以反過來對基礎設施的建設進行指導，從硬件、軟件兩個層面來實現個性化生產能力，擴大生產種類和靈活性，為有特殊需求的客戶提供服務。因此對于MES發(fā)展而言，需要適應和滿足智能設計模塊體系的要求，以能夠根據職能設計模塊來進行生產排產和調整。

4)完善智能生產、優(yōu)化功能。化工生產操作主要以DCS為主體，MES的計劃排產功能目前主要是給出計劃方案，主體操作還是依靠人工向DCS下達命令，包括開車操作、停車操作、增產、減產、排廢、沖洗，設備檢測、熱冷循環(huán)測試等操作。優(yōu)化操作主要是在DCS外安裝特定上位機，與DCS進行通信控制。未來的MES功能應該能夠完成按照決策分析結果對DCS下達上述命令，同時內嵌優(yōu)化控制模塊，如先進控制算法(APC)，實時優(yōu)化算法(RTO)等。

5)成為新技術革命下智慧工廠體系成員。流程工業(yè)智能工廠應具備實時自動監(jiān)測、計算、預測、報警和處理能力，這與工業(yè)4.0方案核心內容信息物理系統(tǒng)CPS(cyber physical system)[7，11-12]概念一致，CPS作為智慧化工廠的基礎，可以為工廠全要素仿真計算提供支持，涵蓋工廠運營中的工藝模型、物料、設備、裝置、物流和供應鏈等，通過創(chuàng)造出虛擬工廠為現實管理提供服務，并運用模型驅動技術，對工程全流程進行建模，包括計劃排產、產品設計、工廠運營等。CPS是構建虛擬化工廠的系統(tǒng)基礎，CPS的核心5C金字塔結構[12]，包括感知層(connection)、數據轉換層(conversion)、網絡層(cyber)、認知層(cognition)和最終的配置層(configuration)。目標是在配置層達到自知(self-awareness)、自校(self-comparison)和自愈(self-maintenance)。根據5C結構結合化工類流程企業(yè)生產實際，用于流程工業(yè)體的CPS的5C模型構建如圖2所示。

圖2 用于流程工業(yè)體的CPS的5C模型構建示意

MES的未來發(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才能適應新技術革命體系，獲得更好的應用和發(fā)展。

6)預制安全保護機制?，F代化工裝置在可研、設計、運行階段均設置完善的安全評估體系，包括HAZOP分析、LOPA分析、SIL定級，并設置獨立的安全儀表系統(tǒng)(SIS)。但在實際生產運行中，SIS一旦觸發(fā)，就意味著整個生產裝置會部分或者整體停車，這對于強調連續(xù)生產的化工企業(yè)來說損失是巨大的。因此在安全聯(lián)鎖機制觸發(fā)之前，需要MES能夠提前預測出故障趨勢，從而在故障發(fā)生之前進行響應操作，以避免聯(lián)鎖觸發(fā)造成停車的損失。

上述目標主要通過將工藝模型、聯(lián)鎖回路信息、HAZOP分析等基礎數據導入知識數據庫體系，再通過實時數據監(jiān)測記錄聯(lián)鎖觸發(fā)事故前的操作參數，使用神經網絡、支持向量機等智能算法建立預測模型，從而能夠在未來的生產中做到提前預測，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

經過多年的發(fā)展，MES已經在石油化工行業(yè)得到了很好的應用。作為典型的流程行業(yè)，石油化工行業(yè)在MES應用中存在如下特點：

1)石油化工行業(yè)在早期已經采用DCS控制生產，DCS本身就包括了部分MES的功能，比如控制、計劃、報警、智能優(yōu)化等功能。相比主要設備采用PLC等系統(tǒng)進行控制的其他行業(yè)，設備間在早期缺乏網絡連接，所以在發(fā)展中就需要MES對體系進行連接、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)，在裝置設計之初就決定了裝置的產品范圍，一般情況下差異生產的裝置種類較少，多數屬于專用類別生產裝置。而其他行業(yè)設備本身種類繁多，通過組合就可以靈活調整產品種類，因此更需要MES來進行計劃、排產、調度等工作。

3)從安全性角度來說，石油化工行業(yè)屬于高危險性行業(yè)，對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，產業(yè)還沒有做好用系統(tǒng)來調整工藝的準備。試錯成本較高，對MES的推陳出新，快速發(fā)展相對謹慎。

4)從成本分析的角度來說，石油化工裝置進行生產優(yōu)化的方式選擇較多，比如通過DCS編程算法實現，也可以通過專業(yè)優(yōu)化軟件與控制系統(tǒng)連接來完成目標，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)的應用還是任重道遠，但相信隨著產業(yè)格局的變化，差異化生產的提升，MES在化工領域的廣泛推廣只是時間問題。

4 結束語

本文通過對MES在石油化工行業(yè)的應用現狀進行描述，分析了未來石油化工行業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)和機遇，從而指出了MES在石化行業(yè)的發(fā)展方向。成功的MES設計是企業(yè)構建高效、穩(wěn)定、靈活、環(huán)保、安全的智慧化工廠的基礎，未來隨著第四代工業(yè)技術革命的推進，MES的功能會愈加成熟，也會滿足客戶更多的需求。