一、前言

   

  隨著現代石油工業的發展,越來越多的國家和領導人對世界石油的加工清潔化、智能化、高附加值的問題提到很高的高度,從2000年的世界石油大會上就提出來怎么樣來保護我們的環境,保護我們的地球,需要清潔。另外從我們節能的角度來說,也要使得我們能夠滿足節能的要求。所以信息技術的發展,也使得我們有條件來對我們的石化企業煉廠出現管控的一體化,提高我們的生產管理和控制水平,所以現在石油石化突出的表現,從國外大公司來說就是講究環保、講究低能耗、講究智能化的控制和管理。
     國外的煉廠圍繞著低能耗、清潔化、智能化的目標,越來越多的煉廠在實施DCS、APC智能化的基礎上大規模實施MES系統,來降低能耗、優化產品結構、提高產品的附加值。像國外大公司如ExxonMobil BP、CITCO、Shell等等,并且他們對MES系統每年的效益都有個統計,降低裝置能耗1％,提高產品收益率0。5％,減少產品缺陷18％,這是一個很好的效果。
     對于我國的石化企業來說,其核心業務流程復雜,是典型的流程型企業,要實現生產過程優化、節能降耗等目標,MES必不可少。并且在整個企業信息整體構架中處于承上啟下的作用,如下圖所示

圖-1
     石化行業是一個典型的流程型行業，其核心業務流程涉及原油儲運、油品加工和產品發運三個主要業務，其中油品加工涵蓋將原油加工成產品的整個過程，也是石化企業生產管理業務的重點。整個過程涉及油品的多次流轉及物性的改變，從原油運輸進廠，到輸入一次加工裝置（以物理反應過程為主）、二次加工裝置（以化學反應過程為主）、精制裝置等進行油品加工，然后輸出到罐區進行油品調和，直至產品合格。在這一系列油品加工移動過程中，涉及大量過程數據的實時采集與分析、生產現場設備與物料的監控、生產調度優化以及能源合理供應等問題，迫切需要利用信息技術，實現石化企業生產管理的優化，其核心需求如下圖所示。
圖-2

二、MES在石化行業的應用概況

由于石化企業核心業務流程的復雜性，信息系統的建設面臨如下挑戰。
1 過程優化困難
     石化企業MES的決策具有混雜性，不僅包括連續過程變量，而且包含離散過程變量。為了對生產過程及產品質量進行控制，必須建立反映連續過程主要物理、化學變化過程的過程模擬模型，并將過程模型與優化模型結合起來。
2 生產操作復雜
     石化企業生產環境苛刻，生產過程包含復雜的物理、化學過程及各種突變和不確定性因素。特別是裝置啟動、停機和應急處理等暫態過程的各項操作，不僅影響生產效率，而且存在著安全隱患。因此，操作管理是石化企業MES的一項重要任務，它負責監督在所執行的每一項操作中遵守操作步驟和規范，在連續、混合及間歇生產環境下為操作員提供流程啟動、平穩運行及停機等過程的標準操作指令。
3 能耗高、污染重
     能耗成本占原油加工成本的70%以上，因此石化企業信息化不僅要集成信息流和物料流，還要考慮能量流的集成，使調度決策功能能夠對物料和能量提供最佳控制策略，不僅達到提高生產效率和降低生產成本的目標，而且實現節省能源、減少污染等目標。 
     從20世紀90年代末開始至今，MES產品已由單一的MES功能模塊發展到整體解決方案，國內外很多著名的公司都推出了面向石化行業的MES，如美國Honeywell公司的MES方案、美國Aspen Tech公司的MES方案和德國西門子公司的MES方案，以及中國石化牽頭，由石化盈科、浙江中控、中科院軟件所和北京時林公司共同開發的石化企業MES解決方案。   
     石化行業作為典型的流程行業，由于信息化與自動化基礎較好，其對MES的需求迫切，國內外石化行業都非常關注MES的建設，通過MES將生產經營管理和生產操作集成起來，用來支持整個企業的供應鏈優化，并從中受益。如BP、ExxonMobile、ChevronTexaco、Shell等國際知名公司都已在美國和歐洲的企業實施了MES系統的大部分功能。
     作為我國石油化工行業的兩個主要企業，中國石化和中國石油在MES的實施策略上有所不同: 中國石化在國家863計劃的支持下，以自主知識產權的MES產品SMES研發與實施為主; 而中國石油則以美國Honeywell公司的MES產品為主。應用實踐表明兩個產品各具特色，下文將對其進行重點介紹。

三、國外石化行業MES解決方案對比分析

1．Honeywell公司的MES產品和技術
     Honeywell的所有業務模塊是基于Uniformance平臺實現的，其本質是一個一體化的完整的業務系統的數據庫（包括實時數據庫、關系數據庫、歷史數據庫和事件日志數據庫），業務模塊和平臺是緊耦合的關系。
Honeywell MES產品的核心是Business.FLEXPKS。該產品將經營目標轉化為生產操作目標，同時將經過處理驗證的生產績效數據進行反饋，從而形成計劃管理層、生產執行層和過程控制層三個層次的周期循環。
     Honeywell MES主要由價值鏈管理（Value Chain Management）、先進計劃與調度（Advanced Planning and Scheduling）、運行管理（Operations Management）、油品調和及儲運自動化（Blending & Movement Automation）和生產管理（Production Management）等5個應用套件組成。其中,價值鏈管理又包括銷售預測、運輸計劃、生產排產、原材料計劃、供應鏈事件管理、庫存計劃、價值鏈循環優化和生產計劃管理等; 先進計劃與調度包括原材料供應及產品分配與優化、原油組分分析、原油采購計劃、原油調度優化、生產實況分析、油品調和調度等; 運行管理包括操作指令下達、運行監控、事件監控、實驗室信息管理與集成、油罐組分跟蹤、產品規格管理、多單元生產運行計劃等; 油品調和及儲運自動化包括調和調度計劃、在線調和優化、調和比率控制和調和績效統計、油品輸轉及庫存跟蹤、罐存計量管理、輸轉模型建立、油品輸轉控制、油品移動路徑選擇等; 生產管理包括物料平衡和庫存盤點、成本核算、組分計算與平衡、批量跟蹤與控制、原材料消耗統計、物料移動跟蹤、多單元生產運行計劃、操作指令下達和實驗室信息管理等。
2．Aspen Tech公司的MES產品和技術
     美國Aspen Tech公司是化學工業領域著名的流程模擬、先進控制和供應鏈管理優化軟件公司,近幾年經過并購和整合,也定位在MES解決方案供應商。它提出了企業運營管理的理念并開發集成了相應的軟件產品。根據Aspen的定義,企業運營管理（Enterprise Operations Management,EOM）是一個企業級的集成解決方案,把ERP層、MES層和DCS（分散控制系統）層進行整合,高效地設計、管理和運營制造與供應鏈的相關業務。Aspen Tech公司用于流程企業的MES產品為Aspen Plantelligence,即智能工廠解決方案。   
     Aspen MES體系結構的特點是以信息總線為集成基礎，實現各業務模塊與集成平臺的松耦合，并支持事件驅動等服務。
     Aspen Tech的MES解決方案自1998年推出后得到不斷發展和完善，并在許多大型石油化工企業中采用。方案主要包括流程模擬、虛擬工廠模擬器、生產計劃與優化、生產調度與優化、先進控制與實時優化（RT-OPT）、實時數據庫與信息管理、數據校正與物料平衡、績效監控與績效管理、油品調和、生產指令管理與操作日志、油品移動和罐區管理等功能模塊以及Aspen Enterprise Platform（AEP）集成平臺，實現生產經營管理與生產過程控制的一體化。這些模塊主要分布在5個應用套件中，即績效管理、生產計劃系統（PIMS）、生產調度優化（ORION）、油品調合計劃調度和生產管理與執行。而生產管理與執行包括實時數據庫與信息管理、數據調理與物料平衡、生產指令管理與操作日志、油品移動和罐區管理、實驗室信息管理（LIMS）和能量管理。
3．西門子公司的MES方案
     SIMATIC IT是西門子公司提出的MES產品框架和解決方案，其突出特色是以生產工藝流程為核心，建立了平臺化、組件化的構架，并且建立了大量的控制元器件（控制單元）庫和各行業的典型工藝流程庫。用戶可以使用SIMATIC IT提供的動態建模工具自行配置工藝流程，將自動化控制系統中各個元器件的輸入輸出、邏輯關系定義清楚，從而將整個車間的信息流集成起來，實現對車間數據的分發、采集、計算與分析。在此基礎上，SIMATIC IT根據ISA-95的規范，建立了若干應用組建系統，包括車間生產管理、質量管理、設備管理等方面的功能，實現了與底層自動化系統和ERP之間的雙向信息集成。同時，還集成了BI軟件，實現對數據的挖掘和績效分析，并生成各類報表。
     由于系統完全是可配置的,體系結構完全開放,因此,可以根據各個行業的特點,配置出其典型的工藝流程,從而可以實現跨行業的應用,而客戶還可以在行業流程模板的基礎上,柔性化地配置和修改這些工藝流程。

四、力控科技MES+pSpace管控一體化解決方案

1．發展歷程
     力控科技是國內最早的企業信息化專業解決方案供應商之一，有20多年自主研發的經驗積累和自主知識產權的產品線。力控科技為工業企業量身定制的解決方案，將生產自動化和辦公自動化有機結合，實現從采購訂單到產品生產、銷售出廠、售后服務全過程的管理，并且對企業相關的人、財、物、信息等進行全面管理，實現企業從戰略管控象運營管控的轉變！
力控科技為企業提供的信息化整體解決方案中,涵蓋過程控制系統、生產執行系統、企業資源計劃管理、決策支持系統,實現企業一體化管理。其中MES系統實現底層與上層的連通,實現系統的無縫連接與信息的充分共享。如圖所示：

圖-3
     大量應用實踐表明該產品的應用不僅為ERP的PP、MM和SD模塊提供了在線數據支持，為更好地發揮ERP的作用提供了數據基礎; 并且為企業提供了一個良好的管理平臺，為企業今后信息化擴展應用及系統集成奠定了良好的基礎。同時MES的成功實施與應用不僅提升了企業精細化管理水平，提高了生產效率，而且降低了企業生產成本，取得了良好的經濟效益和社會效益。
力控科技MES系統的特點是將經營目標轉化成生產過程中的操作目標，通過反饋執行結果，不斷調整和優化，形成一個周期性的從生產經營到生產運行和過程控制的高效能閉環系統。它與國外MES產品相比的最具特色之處就是，針對我國石化行業生產規模相對偏小、現場基礎條件相對落后、自動化水平相對較低的實際情況，開發了裝置校正、調度平衡和統計平衡的平衡策略，利用移動誤差偵破及平衡超差報警技術彌補了計量儀表的不足，解決了由于計量儀表的不足而導致的計量數據偏差過大問題。
     同時,近十年國內石化企業搭建了實時數據庫系統,為企業建立基礎數據平臺以后,企業有兩個困惑,一是缺少實時數據的深入應用,二是供電、供水、供氣及其進出廠計量等數據沒有進入到實時數據庫中。尤其第二項工作的缺失,影響了實時數據庫的深入應用。而力控科技pSpace7。0產品內置了各電力廠家的保護測控裝置、直流屏、小電流選線裝置、VQC自動裝置、可編程控制器(PLC)、DCS、智能模塊、板卡、智能儀表、變頻器等共有3000多種的IO驅動,可以有效地解決企業水電風等公共工程的數據采集問題。這一點對于流程企業精細化管理來說非常重要,因為流程企業一來要求物料移動數據準確,二來企業需要計量儀表的點很多,如果都采用高性能質量流量計,則成本非常高,難以推廣。
2．體系結構
     力控科技MES體系結構以數據集成平臺pSpace7。0為核心,以物料平衡為主線,全面支持生產計劃、調度管理、操作管理、進出廠管理、公用工程管理、化工輔料管理等關鍵業務。
圖-4
● 以數據平臺為核心
     基于石化企業的核心數據模型建立統一的數據集成平臺。核心數據模型包括工廠數據模型和業務數據模型。其中工廠數據模型描述了企業生產工廠所涉及的工藝流程、加工裝置、管道與拓撲連接關系、原料物性、產品質量等生產過程所涉及的對象，而業務數據模型側重描述生產管理相關的核心業務流程。核心數據模型為MES系統提供統一的數據視圖。
● 以物料平衡主線 
     裝置數據校正: 裝置數據校正是基于裝置的設計參數模型和裝置投入產出模型,綜合考慮生產加工方案,按照一定的邏輯進行數據校正,實現裝置級的物料平衡。裝置數據校正的主要數據來源是生產實時數據采集系統、手工錄入和其他系統。數據校正的結果,作為全廠油品平衡和全廠物料平衡的裝置數據基礎,提供裝置投入產出統一數據源。
統計平衡: 依據全廠物料邏輯模型，在全廠油品平衡的基礎上，全面綜合考慮氣體和固體等數據，通過平衡推量，實現全廠物料統計平衡。全廠物料統計平衡的結果滿足生產統計部門的業務需求，為ERP系統提供生產績效數據支撐。
● 其核心功能
?生產設備管理：包括：生產裝置管理、設備臺賬管理、設備運行管理、設備維護管理等。
?計量器具管理：包括：計量器具臺賬、計量器具檢定管理等。
?生產計劃管理：包括：產品產能管理、計劃排產管理等。
?產品物料管理：包括：物料清單管理（BOM）、物料需求計劃等。
?生產報表管理：包括：生產報表模板、生產日報、月報、季報、年報、生產完成情況統計報表等。
?生產調度管理：包括：生產異常情況管理、交接班日志管理、調度日志管理等。
?能源計量管理：包括：能源計量設備管理、能源計劃、實績、成本，及能源統計分析等。
?生產過程監控,包括：生產工藝流程圖、能流圖等。
?KPI展示等
     整個力控科技MES系統整合了生產相關的人力、物料、設備等資源，并通過數據集成、業務集成、界面集成等，把生產的各個環節緊密地結合起來，有效的實現了各生產部門、各車間的協同管理，使得跨地區、跨部門的多人員、多任務的生產任務能夠在統一規劃、統一協調中完成，大大提高了工作效率。
通過自主研發的中間件軟件，實現與實時數據庫、生產調度指揮系統的無縫集成。及時、有效的獲取生產實時數據，自動、高效的生成生產報表、能源報表、生產成本報表，讓生產情況一覽無余，讓智能生產及數字化工廠成為可能。

五、石化行業MES的發展趨勢力

     隨著信息技術和企業管理思想的進一步發展，MES 技術也將會得到不斷提升。從目前的發展現狀來看，生產過程優化問題是我國MES研究中的弱項之一。另外，目前的MES在生產過程管理方面僅僅為生產管理人員提供了一個操作平臺，生產操作決策人員仍然要憑借個人經驗進行操作決策，如何將優秀生產管理者的經驗固化在MES系統中，目前還沒有涉及。面向未來，今后石化行業MES的發展將主要體現在以下幾方面。
1．功能完善的可視化建模。MES是以生產過程模型為核心的。在每個企業實施 MES 時都需要對其生產過程進行建模。直觀而豐富的建模手段能夠有效的簡化建模過程，縮短MES實施周期，降低 MES實施風險，提高MES實施的成功率。
2．實時操作智能與可視化。 實時數據庫系統的應用使得MES實現了從生產現場直接采集數據，進而提高了數據采集的質量和效率; 此外，通過將各類生產運行數據進行實時集成和整合，形成面向生產管理的企業生產運行數據庫，為企業生產經營管理優化提高了數據基礎。另一方面，隨著數據的逐年積累，大量的生產現場數據為我們尋找產品生產過程的內在規律提供了可能。人們將能夠對大量歷史數據進行挖掘，發現生產過程內在規律或知識，并以直觀的形式展現給決策者，進而制定科學正確的決策方案，實現生產管理及操作的在線優化。
3．MES集成與信息展示平臺。MES的核心是生產過程集成優化與可視化。實時數據庫系統技術的應用實現了企業范圍內各種不同廠家、各種不同設備的控制系統數據的實時集成，提供了企業范圍生產過程現狀的快照，為生產過程的實時集成提供了數據與事件管理基礎。基于實時數據庫與關系數據庫的MES集成平臺將實現生產現場過程數據與管理信息的有機整合，為生產過程的集成優化提供有效的工作平臺。另一方面，由于石化企業生產過程復雜，完全自動化不可能，需要專業人員的操控。然而，生產現場過程數據量大，如何將這些數據中隱含的有用信息提取出來，并以有效的方式展現給專業人員也是我們需要考慮問題。隨著認知科學理論與人機交互技術的發展，在不久的未來將會出現高效實用的信息展示平臺。
4．不斷擴展的應用深度和廣度。一方面,多數已實施MES系統的企業只實施了MES的主要模塊,如罐區管理、裝置生產管理、進出廠管理、油品移動管理和物料平衡應用較多,計劃優化、調度優化及裝置成本管理應用較少,石化MES還有較大的應用深度; 另一方面,認識到MES重要性的企業越來越多,需要實施MES系統的石化企業將逐年增加,MES應用的廣度也將不斷擴展。