一、前言

隨著現代石油工業(yè)的發(fā)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(huán)境，保護我們的地球，需要清潔。另外從我們節(jié)能的角度來說，也要使得我們能夠滿足節(jié)能的要求。所以信息技術的發(fā)展，也使得我們有條件來對我們的石化企業(yè)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(huán)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(guī)模實施MES系統，來降低能耗、優(yōu)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(yè)來說，其核心業(yè)務流程復雜，是典型的流程型企業(yè)，要實現生產過程優(yōu)化、節(jié)能降耗等目標，MES必不可少。并且在整個企業(yè)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(yè)是一個典型的流程型行業(yè)，其核心業(yè)務流程涉及原油儲運、油品加工和產品發(fā)運三個主要業(yè)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(yè)生產管理業(yè)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(qū)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(jiān)控、生產調度優(yōu)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(yè)生產管理的優(yōu)化，其核心需求如下圖所示。

圖-2

二、MES在石化行業(yè)的應用概況

由于石化企業(yè)核心業(yè)務流程的復雜性，信息系統的建設面臨如下挑戰(zhàn)。

一、過程優(yōu)化困難

石化企業(yè)MES的決策具有混雜性，不僅包括連續(xù)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(xù)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(yōu)化模型結合起來。

二、生產操作復雜

石化企業(yè)生產環(huán)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(tài)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(yè)MES的一項重要任務，它負責監(jiān)督在所執(zhí)行的每一項操作中遵守操作步驟和規(guī)范，在連續(xù)、混合及間歇生產環(huán)境下為操作員提供流程啟動、平穩(wěn)運行及停機等過程的標準操作指令。

三、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(yè)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(jié)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(fā)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(yè)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(fā)的石化企業(yè)MES解決方案。

石化行業(yè)作為典型的流程行業(yè)，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(yè)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(yè)的供應鏈優(yōu)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(yè)實施了MES系統的大部分功能。

作為我國石油化工行業(yè)的兩個主要企業(yè)，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(fā)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(yè)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(yè)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(yè)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(yè)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(zhí)行層和過程控制層三個層次的周期循環(huán)。

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(huán)優(yōu)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(yōu)化、原油組分分析、原油采購計劃、原油調度優(yōu)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(jiān)控、事件監(jiān)控、實驗室信息管理與集成、油罐組分跟蹤、產品規(guī)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(yōu)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(yè)領域著名的流程模擬、先進控制和供應鏈管理優(yōu)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(yè)運營管理的理念并開發(fā)集成了相應的軟件產品。根據Aspen的定義，企業(yè)運營管理（Enterprise Operations Management，EOM）是一個企業(yè)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(yè)務。Aspen Tech公司用于流程企業(yè)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(yè)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(fā)展和完善，并在許多大型石油化工企業(yè)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(yōu)化、生產調度與優(yōu)化、先進控制與實時優(yōu)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(jiān)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(qū)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(yōu)化（ORION）、油品調合計劃調度和生產管理與執(zhí)行。而生產管理與執(zhí)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(qū)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(yè)的典型工藝流程庫。用戶可以使用SIMATIC IT提供的動態(tài)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(fā)、采集、計算與分析。在此基礎上，SIMATIC IT根據ISA-95的規(guī)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(yè)的特點，配置出其典型的工藝流程，從而可以實現跨行業(yè)的應用，而客戶還可以在行業(yè)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(fā)展歷程

力控科技是國內最早的企業(yè)信息化專業(yè)解決方案供應商之一，有20多年自主研發(fā)的經驗積累和自主知識產權的產品線。力控科技為工業(yè)企業(yè)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(yè)相關的人、財、物、信息等進行全面管理，實現企業(yè)從戰(zhàn)略管控象運營管控的轉變！

力控科技為企業(yè)提供的信息化整體解決方案中，涵蓋過程控制系統、生產執(zhí)行系統、企業(yè)資源計劃管理、決策支持系統，實現企業(yè)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(fā)揮ERP的作用提供了數據基礎; 并且為企業(yè)提供了一個良好的管理平臺，為企業(yè)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(yè)精細化管理水平，提高了生產效率，而且降低了企業(yè)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(zhí)行結果，不斷調整和優(yōu)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(huán)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(yè)生產規(guī)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(fā)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(yè)搭建了實時數據庫系統，為企業(yè)建立基礎數據平臺以后，企業(yè)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(yè)水電風等公共工程的數據采集問題。這一點對于流程企業(yè)精細化管理來說非常重要，因為流程企業(yè)一來要求物料移動數據準確，二來企業(yè)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(yè)務。

圖-4

● 以數據平臺為核心

基于石化企業(yè)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(yè)務數據模型。其中工廠數據模型描述了企業(yè)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(yè)務數據模型側重描述生產管理相關的核心業(yè)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(yè)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(jiān)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(yè)務集成、界面集成等，把生產的各個環(huán)節(jié)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(qū)、跨部門的多人員、多任務的生產任務能夠在統一規(guī)劃、統一協調中完成，大大提高了工作效率。

通過自主研發(fā)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(yè)MES的發(fā)展趨勢

隨著信息技術和企業(yè)管理思想的進一步發(fā)展，MES 技術也將會得到不斷提升。從目前的發(fā)展現狀來看，生產過程優(yōu)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(yōu)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(yè)MES的發(fā)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(yè)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(yè)生產運行數據庫，為企業(yè)生產經營管理優(yōu)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(guī)律提供了可能。人們將能夠對大量歷史數據進行挖掘，發(fā)現生產過程內在規(guī)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(yōu)化。

3．MES集成與信息展示平臺。MES的核心是生產過程集成優(yōu)化與可視化。實時數據庫系統技術的應用實現了企業(yè)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(yè)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?；趯崟r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(yōu)化提供有效的工作平臺。另一方面，由于石化企業(yè)生產過程復雜，完全自動化不可能，需要專業(yè)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(yè)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(fā)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(yè)只實施了MES的主要模塊，如罐區(qū)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(yōu)化、調度優(yōu)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(yè)越來越多，需要實施MES系統的石化企業(yè)將逐年增加，MES應用的廣度也將不斷擴展。