我国的石油、化工、冶金等流程工业企业, 在以前的管理上, 计算机 (数据采集、设定值控制) 、电工控制、仪表控制 (主要指过程控制的温度、压力、液位、流量等物理量的仪表控制, 或取代常规仪表的DCS控制) 是分成几部分, 分属不同专业, 各自独立发展。即使现在进行了改革调整, 部分企业将机电仪合为一个部门, 但是在这个部门内部, 它们仍然是按照不同的专业来进行管理的。现在把这几部分连接起来, 或融合在一起, 形成机、电、仪一体化的系统 (也可称为电仪一体化) , 为流程工业企业的综合自动化系统打基础。
随着全球化市场竞争的形成以及我国经济体制由计划经济向市场经济转化, 流程工业企业也面临多变的外部环境。流程工业企业由单纯生产型向生产经营型转变, 信息技术加快了企业生产经营节奏, 缩短新产品开发、生产到销售的时间成为企业竞争的关键。企业必须抓住市场机遇, 根据市场变化调整内部结构, 改变组织机构以及生产过程与产品结构, 快速及时地响应市场变化。现在许多企业都提出了要采用先进的信息技术, 改造和提升传统产业的战略任务, 最大限度地提高企业竞争力, 赢得新发展, 以应对经济全球化和加入WTO后的挑战, 因此全面系统地研究流程工业企业人员组织、经营管理、计划调度、生产优化与控制等方面的问题, 综合利用先进的信息技术、过程集成和自动化技术, 是提高我国流程工业企业市场竞争力的关键。
1 流程工业对综合自动化需求的特点
流程工业企业的生产特点决定了它对综合自动化有独特需求。
(1) 基础自动化水平。由于计算机在这个行业应用较早, 装置控制系统基本上有DCS和PLC等计算机控制系统, 基础自动化水平较高, 还有保证生产稳定进行的生产流程模拟计算、操作优化、先进控制、大系统理论等的支持 (吴光宇, 2002) 。 (2) 生产方式。流程工业企业是大批量生产方式, 产品品种变化少, 其产品种类相对稳定, 物料流和工艺单一且固定。生产过程是连续的, 物料流和能量流是持续不间断进行的。 (3) 优化目标。流程工业企业的连续生产过程是进行大批量的生产, 要求生产设备能够“安全、稳定、长期、满负荷、优质”运行, 从而达到优质高产目标, 现在在石化等行业推行的清洁生产模式, 还要求尽可能减少对周围环境的各种污染。 (4) 优化手段。流程工业企业的连续生产过程是以实时调度能源流和物料流、调整生产过程的工艺参数、控制算法的优选和控制设定点等为手段来达到最优的生产状况。 (5) 设备管理。设备的故障诊断相当重要。诊断的目的是确保安全生产, 减少设备突发故障的发生。 (6) 生产环境。流程工业企业所处环境一般较苛刻, 如高 (低) 温、高 (负) 压、易燃易爆、有毒害、强腐蚀性等。其管理强调和环境的集成。 (7) 参数测量滞后且复杂。流程工业企业的生产中, 在制品、产成品的数量和质量多需间接测量方法和手段进行测量。 (8) 工程设计。流程工业企业是连续生产过程, 主要是通过实验室自动化, 提高研制和设计新产品的能力。而且工厂上新产品, 往往需要建设新的生产流程线, 或者对原有的生产线进行改扩建, 投资大, 周期长。 (9) 供需链紧密稳定。流程工业企业生产过程相对固定, 供应商也相对不变, 其供需链管理更强调联系的紧密性、稳定性, 强调与外部供应商形成相互信任相互依赖的战略伙伴关系。
2 流程工业企业的需求分析
2.1 市场需求
在新的全球化市场竞争的环境下, 流程工业企业将面临全球市场化竞争的挑战, 企业间的战略关系也逐渐发生变化。市场压力主要来自以下几个方面。
(1) 流程工业企业的经营决策、计划调度、过程优化控制等发生了重大变化, 由过去的单一品种、满负荷生产、稳定状况下的线性最优控制转化为多品种、变负荷、变工况条件的优化控制, 同时新的生产工艺过程对生产、质量、效益、安全的要求越来越高。 (2) 企业生产经营的目的是参与市场竞争, 在市场销售中获得收益。企业需要一个经济、先进、实用的集成化系统, 使企业最大限度地发挥其潜能, 在当今日趋激烈的市场竞争中立于不败之地。 (3) 单纯的提高生产装置的控制水平, 寻求局部的最优投入产出比, 其效果远远低于通过提高综合自动化系统的整体性和资源调度带来的效益。仅仅是生产管理控制 (包括优化控制) 己不能完全解决问题。
2.2 信息需求
在流程工业企业的综合自动化系统中, ERP、MES和PCS层对于信息的需求是不同的, 主要包括三个层次如下。
(1) PCS层采用DCS、PLC及先进控制等手段来提高生产过程的自动化水平, 其数据对于实时性要求比较高, 例如要求系统的响应时间为毫秒级, 处理的对象主要为生产过程变量。 (2) MES层是执行机构, 对于整个生产过程 (从生产命令下达到产品完成) 进行优化管理, 并实时地将生产过程信息反馈给上层系统, 在时间跨度上主要是班组级和天, 部门为工厂生产执行部门。 (3) ERP层对企业的各个方面的资源进行合理的配置, 使之充分发挥效能, 从而获得最佳的经济效益。其时间要求一般是月和季, 部门主要为公司管理部门。
3 综合自动化系统的整体解决方案
针对流程工业企业的特点, 我们采用紧密结合企业功能结构与需求的三层模式、两套平台、高效集成的方式为流程工业企业提供一套完整的综合自动化整体解决方案。
3.1 三层模式
针对流程工业企业的信息化建设所需求的功能结构与要求, 推出一系列经营决策、生产优化与管理和先进控制等应用软件, 构成了从上到下的ERP层、生产执行管理层和过程控制层的相应功能需求解决方案。
(1) ERP层:主要是突出ERP管理平台的建设, 应用ERP的理念、方法和技术, 建立以规范业务流程为基础、以财务为核心、一体化经营的管理平台。
(2) 生产执行管理层:突出管控一体化的平台, 应用计算机信息集成技术, 实现实时网络和管理网络、实时数据库和关系数据库的有效集成, 建立信息集成和功能集成的管控一体化平台, 建设数据校正、物料平衡、能量平衡、计划优化、调度优化、流程模拟、质量管理信息系统等功能模块软件, 可以为上层的ERP系统提供实时、可靠、准确、唯一的经营和成本信息。
(3) 过程控制层:该层以DCS用LC邝CS等开放式控制系统为基础, 采用先进控制技术软件, 利用先进的实时网络、实时数据库的信息集成技术, 建立实时数采与监控系统、罐区自动化系统、先进与优化控制系统、班组级成本考核系统等, 全面提升流程工业企业的工艺管理和装置控制水平。
3.2 两套平台
为了很好地解决流程工业企业对于数据需求的复杂性, 我们推出了两套平台的解决方式来处理不同的部门、不同的层面对于数据的需求。在下层我们采用浙江中控软件技术有限公司自主开发的实时数据库来集成过程控制层的所有实时数据。在上层系统中, 我们则以成熟的关系数据库为基础, 开发了一套适用于流程工业企业的综合集成软件平台。
3.2.1 实时数据库 (ESP-iSYS)
ESP-iSYS实时数据库是实现流程工业企业综合自动化系统的关键, 是实现先进过程控制、流程模拟和生产调度的基础, 是连接现场控制系统与生产执行管理系统的桥梁。
ESP-iSYS为流程工业企业提供了统一而完整的实时数据采集、存储、监视和Web浏览功能, 提供API、OPC、DDE、ODBC、OLEDB等多种数据接口服务方式, 便于建立多种应用。
ESP-iSYSS采用了COM/DCOM、系统容错、任务调度、高效数据压缩、位号映射等先进技术, 保证系统在企业局域网环境下的高效、稳定、安全地运行, 并具有十分突出的开放性和可扩展性。
3.2.2 综合集成软件平台 (ESP-PlantJet)
ESP-PlantJet是浙江中控软件技术有限公司针对流程工业企业研制开发的综合集成软件平台, 系统结构采用分层、分布式的组件结构设计, 能支持大用户量及计算量应用。同时, 借助于分布式技术, 使系统更合理、灵活、更具有扩展性。整个系统自下而上可划分为工厂数据模型、支撑环境、业务处理和人机接口等四个层次。
ESP-P lantJet系统采用B/S结构来实施, 并辅之以工作站上的常用工具软件, 这样, 就更能充分地利用己有的信息, 从而为解决方案带来了附加价值。
3.3 高效集成
本综合自动化整体解决方案的高效集成体现在以下几个方面。
(1) 实时数据库与下层DCS之间的高效集成:ESP-iSYS可以通过DDE、OPC及自定义的接口与DCS、PLC、FCS等开放式控制系统或者智能仪表连接, 并进行数据采集和管理。ESP-iSYS支持包括横河、ABB、Fisher Rosemount、Foxboro、Honeywell、浙大中控、西门子、OMRON等几乎所有的主流型DCS、PLC和FCS等。
(2) 全系列的先进控制软件:以APC-Adcon为代表的先进控制软件, 涉及到多变量预测控制、预测函数控制、软测量、模型辨识、物料平衡、数据校正等等方面, 这些软件既能够很方便与ESP-iSYS进行集成应用, 也能够根据客户和现场的情况单独使用。
(3) ESP-iSYS与ESP-PlantJet之间的高效连接:由于这两个平台均是自主开发、具有自主知识产权的软件系统, 充分发挥了平台的高效联结机制, 保证两个平台之间能够正确、及时地进行数据的双向传输。
综合自动化整体解决方案的系统结构如图1所示。
摘要：本文基于笔者多年从事工业自动化的相关工作经验, 以流程工业企业综合自动化系统结构与体系设计为研究对象, 论文首先分析了流程自动化企业的需求, 进而探讨了综合自动化系统的整体解决方案, 全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。
关键词：流程工业企业,综合自动化系统,整体结构,体系设计
参考文献
[1] 金晓明, 王树青.工业过程先进控制的概念设计[J].科技资讯, 2008 (4) .
[2] 李陶深.用DCOM实现分布式应用系统组件化设计的一些关键技术[J].科技创新导报, 2001 (2) .