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   流程工業(yè)是指在我國國民經(jīng)濟中占有重要經(jīng)濟地位的石化、煉油、化工、冶金、制藥、建材、輕工、造紙、采礦、環(huán)保、電力等工業(yè)行業(yè)。這些行業(yè)普遍存在能耗大、產(chǎn)品質(zhì)量差、生產(chǎn)過程工藝落后、自動化水平低、管理水平低、信息集成度低、綜合競爭力弱等現(xiàn)狀。流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)是將先進的工藝裝備技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)和以先進控制與優(yōu)化技術(shù)為代表的信息技術(shù)相結(jié)合，將企業(yè)的生產(chǎn)過程控制、優(yōu)化、運行、計劃與管理作為一個整體進行控制與管理，提供整體解決方案，以實現(xiàn)企業(yè)的優(yōu)化運行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理，從而成為提高企業(yè)競爭力的核心高技術(shù)。

　　1 我國流程工業(yè)企業(yè)對綜合自動化技術(shù)的需求

　　流程工業(yè)是一個非常巨大的產(chǎn)業(yè)，在產(chǎn)業(yè)中占據(jù)重要的地位，是國民經(jīng)濟發(fā)展中極為重要的基礎(chǔ)支柱產(chǎn)業(yè)，是制造業(yè)的重要組成部分。其特點是以處理連續(xù)或間歇物料流、能量流為主，產(chǎn)品多以大批量的形式生產(chǎn)。流程工業(yè)的生產(chǎn)和加工方法主要有化學反應、分離、混合等等，這些都與離散制造工業(yè)有顯著不同。在知識經(jīng)濟時代的21世紀，作為傳統(tǒng)工業(yè)的流程工業(yè)將仍然是經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)1998年估計全球流程工業(yè)的年產(chǎn)值超過5萬億美元，其中僅化工和石油化工部分就超過1萬2千億美元。根據(jù)2000年中國統(tǒng)計年鑒，1999年按行業(yè)分國有及國有控股企業(yè)中，工業(yè)總產(chǎn)值35 571.18億元，工業(yè)增加值12 132.41億元。其中典型的流程工業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值共計23 396.53億元，占總產(chǎn)值的65.77％，工業(yè)增加值8 810.18億元，占總量的72.62％。數(shù)據(jù)參閱表1［1］。

　　從我國2000年工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，工業(yè)總產(chǎn)值、工業(yè)增加值等主要經(jīng)濟指標，石油和化學工業(yè)均居全國第1位，其實現(xiàn)利潤占全國工業(yè)利潤的25.45％；冶金工業(yè)居全國第2位；電力工業(yè)居第3位。我國22家骨干企業(yè)中，流程工業(yè)企業(yè)約占1/3；在71家重點企業(yè)中，流程工業(yè)企業(yè)約占1/2。在2000年全球500強的行業(yè)中，中國石油化工集團公司居58位、中國國家電力公司居83位、中國化工進出口總公司居307位。由此可見，流程工業(yè)在我國國民經(jīng)濟中的重要地位。

　　但所有這些流程工業(yè)均存在能耗高、成本高、勞動生產(chǎn)率低、資源利用率低的特點，能耗普遍比國外先進水平高出30％，勞動生產(chǎn)率只及國外的20%～30％左右，生產(chǎn)成本普遍高出國外1～2倍。美國60％的石化企業(yè)應用了先進控制技術(shù)（我國不到20％），在線優(yōu)化的過程生產(chǎn)增加收益的典型值為裝置產(chǎn)值的3%～5％（我國不到1％）。又如有色金屬行業(yè)，我國10種常用有色金屬年產(chǎn)量為650多萬t，居世界第2位，但由于總體過程自動化技術(shù)和裝備水平與國外相比還有較大的差距，使得我國有色金屬行業(yè)采選業(yè)資源利用率僅為35%，發(fā)達國家為60％以上；硫利用率（環(huán)境污染）我國為50％，發(fā)達國家為95％以上。

　　據(jù)美國ARC公司調(diào)查，應用流程工業(yè)綜合自動化技術(shù)可獲得顯著的經(jīng)濟效益，如產(chǎn)品質(zhì)量提高19.2%，勞動生產(chǎn)率提高13.5％，產(chǎn)量提高11.5％。這正是流程工業(yè)綜合自動化技術(shù)的重要潛在市場。

　　2 綜合自動化技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀

　　20世紀80年代后期，隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，流程工業(yè)控制中出現(xiàn)了多學科間的相互滲透與交叉，信號處理技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)及計算機網(wǎng)絡(luò)與自動控制技術(shù)的結(jié)合使過程控制開始突破自動化孤島模式，出現(xiàn)了集控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理、經(jīng)營于一體的綜合自動化新模式。

　　20世紀90年代，隨著計算機技術(shù)的日新月異，計算機集成生產(chǎn)系統(tǒng)的研究已成為自動化領(lǐng)域的一個前沿課題。國外大型流程企業(yè)、特別是石油化工企業(yè)均重視信息集成技術(shù)的應用，紛紛以極大的熱情和精力，構(gòu)架工廠級、公司級甚至超公司級的信息集成系統(tǒng)。1995年美國、日本、西歐等國已有100多家煉油、化工企業(yè)在實施CIMS計劃，推動了流程工業(yè)綜合自動化技術(shù)在實際生產(chǎn)中的應用，如日本三井石油化學工業(yè)公司、美國德曹達公司、高爾公司等化工企業(yè)都相繼建立了綜合自動化系統(tǒng)。

　　意大利AGIP石油公司提出了以數(shù)據(jù)模型為核心的工廠信息集成系統(tǒng)的方案，信息采集從低層到上層，從供應鏈的源頭到產(chǎn)品的客戶。他以面向數(shù)據(jù)的模型為核心系統(tǒng)，連接實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫，對生產(chǎn)過程進行過程監(jiān)視、控制和診斷，環(huán)境監(jiān)測，單元整合，模擬和優(yōu)化。在管理決策層進行物料平衡、生產(chǎn)計劃、調(diào)度、排產(chǎn)、企業(yè)資源計劃、離線在線模擬與優(yōu)化等。目前國外實施綜合自動化技術(shù)的大型流程工業(yè)企業(yè)已占很大比例。

　　另一方面，國外已有許多傳統(tǒng)的自動化儀器儀表廠家逐步向綜合自動化整體解決方案供應商轉(zhuǎn)化，如Honeywell、ABB、Rockwell等著名公司。Rockwell公司提出e－ManufacturingTM解決方案；ABB公司提出基于MES（生產(chǎn)過程制造執(zhí)行系統(tǒng)）的綜合自動化解決方案，開發(fā)相應的工業(yè)IT；AspenTech和Honeywell這兩家大公司都已不再局限于過程自動化系統(tǒng)與軟件領(lǐng)域，而是在其中下層自動化軟硬件優(yōu)勢的基礎(chǔ)上分別提出了面向企業(yè)整體的解決方案，如AspenTech公司推出的Aspen Engineering SuiteTM、Aspen Manufacturing SuiteTM和Aspen Supply Chain SuiteTM套件，以及提出了智能化工廠的概念PlantelligenceTM。Honeywell的子公司HiSpec Solutions推出面向石油與天然氣、制漿造紙、化工、煉油工業(yè)的Unified ManufacturingTM Solutions for Business Optimization套件。例如：過程優(yōu)化是工業(yè)過程自動化的核心技術(shù)之一，他通過生產(chǎn)裝置的安全平穩(wěn)運行和優(yōu)化操作使生產(chǎn)計劃高效地實施。為了實現(xiàn)這一目標，首先需獲取正確反映生產(chǎn)裝置狀態(tài)的原始生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)校正技術(shù)，分析、綜合出產(chǎn)品質(zhì)量、裝置能力及狀況、能源消耗、故障報警等信息，實現(xiàn)質(zhì)量監(jiān)控、故障診斷和安全管理，同時利用流程模擬技術(shù)模擬生產(chǎn)裝置狀況，進行生產(chǎn)作業(yè)計劃的優(yōu)化調(diào)度，以最少的能耗、最高的安全性或最大的產(chǎn)品效益，確定各個生產(chǎn)裝置的負荷并通過靜態(tài)實時優(yōu)化向先進控制層提供最優(yōu)操作條件。因此，這些大公司已逐步形成了對流程企業(yè)綜合自動化軟件和系統(tǒng)產(chǎn)品的壟斷之勢，軟件及服務(wù)價格動輒在幾十萬到幾百萬美元，并已開始大規(guī)模地向我國國內(nèi)市場推銷。

　　非常重要的一點是國外著名大公司及研究機構(gòu)已針對綜合自動化技術(shù)與系統(tǒng)提出了2個重要的概念：一是提出解決方案，二是發(fā)展工業(yè)信息技術(shù)（工業(yè)IT）。這對發(fā)展我國的綜合自動化技術(shù)及相應的軟硬件產(chǎn)業(yè)提供了很好的思路［2］。

　　我國經(jīng)過20年的研究和攻關(guān)，在流程工業(yè)綜合自動化領(lǐng)域已積累了大量的科研成果，特別是在“九五”計劃期間，產(chǎn)生了大批具有產(chǎn)業(yè)化前景的高技術(shù)成果和產(chǎn)品，如集散控制系統(tǒng)（DCS)、現(xiàn)場總線技術(shù)、先進控制軟件、實時優(yōu)化軟件、過程管理與優(yōu)化軟件、企業(yè)管理和生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)軟件等。已縮短了與國際先進水平的差距，部分成果達到國際先進水平，并廣泛應用于國內(nèi)眾多石化、化工、醫(yī)藥、冶金、建材／輕工等流程企業(yè)，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。在以信息化帶動工業(yè)化的進程中發(fā)揮了重要的作用。

　　但總體而言，我國在流程工業(yè)綜合自動化技術(shù)與系統(tǒng)的研究與產(chǎn)業(yè)化過程中同國外先進技術(shù)相比還存在很大的差距，主要體現(xiàn)在技術(shù)深度上不夠、應用基礎(chǔ)研究不夠、相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)借用不夠、系統(tǒng)化程度不夠、集成能力不夠、產(chǎn)品化程度不夠、產(chǎn)業(yè)化能力不強等諸多方面。

　　近5年來，通過“九五”科技攻關(guān)和863高技術(shù)計劃CIMS主題的大力支持，在以下幾方面取得了重大突破：(1)研制開發(fā)成功了集散控制系統(tǒng)（DCS），并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，目前在國內(nèi)市場占有率達到35％左右；(2)研制開發(fā)成功基于現(xiàn)場總線FF、HART、Profibus等技術(shù)的現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)；(3)在以MES為核心的ERP/MES/PCS綜合自動化體系結(jié)構(gòu)中，形成了一批MES的功能化模塊及軟件；(4)研制開發(fā)了一批先進的控制軟件及優(yōu)化管理技術(shù)、方法的軟件，并取得了初步的應用；(5)通過“九五”攻關(guān)和863計劃CIMS主題的支持，已初步建設(shè)了一批典型的示范工程，并在相關(guān)基礎(chǔ)研究方面取得了一系列重要成果。

　　國內(nèi)雖有許多高等院校和科研院所參與開發(fā)和攻關(guān)，但真正在原創(chuàng)性、產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化方面取得突破的關(guān)鍵技術(shù)還遠遠滿足不了市場的巨大需求。近10年來，許多科研人員參與技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)并進行創(chuàng)業(yè)活動，整體上取得了巨大的成功，擁有了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，并有一定的市場份額，為今后大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化和資產(chǎn)重組奠定了良好的基礎(chǔ)。

　　3 流程工業(yè)綜合自動化技術(shù)的主要內(nèi)容

　　一般而言，流程工業(yè)企業(yè)對綜合自動化技術(shù)的需求主要關(guān)注4方面的問題。(1)安全：即需要用高可靠性的控制系統(tǒng)、檢測和執(zhí)行機構(gòu)對設(shè)備與裝置的運行提供保證，進而對關(guān)鍵裝置進行故障診斷與健康維護。(2)低成本：通過先進的工藝及工藝參數(shù)以降低能耗和原料消耗，以及通過先進的建模技術(shù)、控制技術(shù)和實時優(yōu)化技術(shù)來提高產(chǎn)品的合格率和轉(zhuǎn)化率。(3)高效率：通過先進的計劃調(diào)度與排產(chǎn)技術(shù)和流程模擬技術(shù)來提高設(shè)備利用率和勞動生產(chǎn)率。（4）提高競爭力：通過數(shù)據(jù)和信息的綜合集成，如先進的管理技術(shù)（包括ERP、CRM、SCM等）、電子商務(wù)、價值鏈分析技術(shù)等，以促進企業(yè)價值的增值，最終提高企業(yè)的綜合競爭力。

　　根據(jù)國內(nèi)外綜合自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，流程工業(yè)綜合自動化技術(shù)的總體結(jié)構(gòu)可以分成3層結(jié)構(gòu)。

　　a.以PCS（過程控制系統(tǒng)）為代表的基礎(chǔ)自動化層。主要內(nèi)容包括先進控制軟件、軟測量技術(shù)、實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)、可靠性技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)處理技術(shù)、集散控制系統(tǒng)(DCS)、現(xiàn)場控制系統(tǒng)（FCS）、多總線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)、基于高速以太網(wǎng)和無線技術(shù)的現(xiàn)場控制設(shè)備、傳感器技術(shù)、特種執(zhí)行機構(gòu)等等。

　　b.以MES（生產(chǎn)過程制造執(zhí)行系統(tǒng)）為代表的生產(chǎn)過程運行優(yōu)化層。主要內(nèi)容包括先進建模與流程模擬技術(shù)（AMT：Advanced Modeling Technologies）、先進計劃與調(diào)度技術(shù)（APS：Advanced Planning and Scheduling）、實時優(yōu)化技術(shù)（RTO：Real-time Optimization）、故障診斷與健康維護技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)校正技術(shù)、動態(tài)質(zhì)量控制與管理技術(shù)、動態(tài)成本控制與管理技術(shù)等等。

　　c.以ERP（企業(yè)資源管理）為代表的企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化層。主要內(nèi)容包括企業(yè)資源管理（ERP）、供應鏈管理（SCM）、客戶關(guān)系管理（CRM)、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)管理（PqDM)、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、設(shè)備資源管理、企業(yè)電子商務(wù)平臺等等。

　　通過研究生產(chǎn)過程制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）及相關(guān)技術(shù)，可以實現(xiàn)在線成本的預測、控制和反饋校正，以形成生產(chǎn)成本控制中心，保證生產(chǎn)過程的優(yōu)化運行；可以實施生產(chǎn)全過程的優(yōu)化調(diào)度、統(tǒng)一指揮，以形成生產(chǎn)指揮中心，保證生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制；可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的質(zhì)量跟蹤、安全監(jiān)控，以形成質(zhì)量管理體系和設(shè)備健康保障體系，保證生產(chǎn)過程的優(yōu)化管理。

　　4 我國發(fā)展綜合自動化技術(shù)的機會與挑戰(zhàn)

　　近20年來，我國國民經(jīng)濟平均以8％左右的速度增長，為我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和技術(shù)進步奠定了良好的基礎(chǔ)和條件。同時我國經(jīng)濟增長的潛力已受制于產(chǎn)品創(chuàng)新和應用新技術(shù)。特別是用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，用信息化帶動工業(yè)化是我國經(jīng)濟繼續(xù)騰飛的關(guān)鍵。因此對于在國民經(jīng)濟中占有重要地位的流程工業(yè)全面應用綜合自動化技術(shù)，從而全面提升企業(yè)綜合競爭力已成為基本共識。

　　隨著我國市場經(jīng)濟體制的不斷完善和加入WTO，工業(yè)企業(yè)通過技術(shù)改造增加產(chǎn)品競爭力的愿望越來越迫切，需要大量以生產(chǎn)過程制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）為主的綜合自動化技術(shù)、軟件和服務(wù)，這是重要的“天時”。國外軟件商對我國市場十分重視，在石化、鋼鐵、煉油、電力等行業(yè)，傾銷其優(yōu)化軟件，但由于這些軟件對我國工業(yè)企業(yè)的適應性不夠、工程服務(wù)和維護費用過高等因素，進口軟件產(chǎn)品并非都取得了預期的效益，這也為我們自行開發(fā)適合我國工業(yè)企業(yè)特點的、具有較高性能價格比的MES各功能軟件，并提供及時、周到、價格適宜的現(xiàn)場工程服務(wù)帶來機遇，這是我們的“地利與人和”。

　　面臨即將到來的21世紀，我國企業(yè)的經(jīng)營管理人員在面臨市場全球化機遇的同時正面臨著更大的挑戰(zhàn)，高效率、高質(zhì)量、低消耗、彈性生產(chǎn)的全球市場需求正在給我國企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理人員帶來巨大的壓力。隨著企業(yè)規(guī)模的擴大和管理水平的提高，企業(yè)越來越迫切需要具有大型分布式數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫的綜合集成軟件平臺及相應的各種應用軟件。

　　以流程工業(yè)供應鏈為例說明為企業(yè)提供整體解決方案的益處［4，5］。企業(yè)供應鏈環(huán)節(jié)所涉及的成本占企業(yè)總成本的60％～80％，因此，高效的供應鏈管理可以使總成本下降 10％，相當于節(jié)省總銷售額的3%～6％。這種效益是從以下一些方面取得的：(1)生產(chǎn)制造成本下降15％；(2)運輸費用下降10%；(3)按時交貨改進下降15％；(4)定單完成時間減少25%～35%；(5)倉庫庫存下降50%～80%；(6)現(xiàn)金—至—現(xiàn)金周期比一般公司好40%～65%；(7)客戶需求預測和管理明顯改進。

　　由上可見對流程工業(yè)而言，除了工藝和裝備的革新與進步外，最重要的技術(shù)手段就是靠綜合自動化技術(shù)。

　　5 產(chǎn)學研結(jié)合促進我國綜合自動化技術(shù)與應用的發(fā)展

　　近20年來，我國工業(yè)控制領(lǐng)域在靜態(tài)優(yōu)化、質(zhì)量控制、故障診斷、數(shù)據(jù)校正等方面進行了許多理論研究和應用開發(fā)，但均未形成有影響的商品化軟件，離高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化更有較大的距離。究其原因主要有以下幾點。

　　a.從算法到算法，從理論到理論。大多數(shù)的先進控制與優(yōu)化軟件的研究開發(fā)人員均來自高等院校和研究院所，其出發(fā)點是“推銷”他們的研究成果，如各種最新的控制算法(非線性控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、同時鎮(zhèn)定等等），研究人員并未深究企業(yè)的具體需求，很少能做到“急人所急”。

　　b.尚未找到發(fā)展綜合自動化軟件產(chǎn)業(yè)的運行模式。雖然許多高等學校、研究院所興辦了不少所謂的高科技公司，但仍未擺脫“科研”的烙印，IBM公司和CISCO公司等均在企業(yè)內(nèi)部提出“不盲目崇拜技術(shù)”的理念，因此我們“必須停止崇拜單純的技術(shù)，開始注重技術(shù)對于客戶的真正價值”。

　　c.綜合自動化技術(shù)的理論與工程應用研究水平有待提高。必須盡快提高基于PCS/MES/ERP結(jié)構(gòu)的綜合自動化理論與技術(shù)水平，努力提高或改善用戶企業(yè)的基礎(chǔ)自動化程度、管理模式和經(jīng)營理念，否則會嚴重限制綜合自動化技術(shù)產(chǎn)業(yè)的市場空間。

　　d.缺少客戶（市場）第一的整體解決方案。理論與應用的結(jié)合本是自動化領(lǐng)域的基本出發(fā)點，但實際上我們?nèi)鄙賹ζ髽I(yè)需求整體的分析，因此也就很難提出整體解決方案，另一方面也缺少系統(tǒng)集成的能力。

　　以石化工業(yè)綜合自動化技術(shù)發(fā)展為例，其發(fā)展戰(zhàn)略是結(jié)合國內(nèi)外市場激烈競爭的需求及生產(chǎn)經(jīng)營的特點，從生產(chǎn)裝置控制、優(yōu)化操作到計劃調(diào)度，從信息集成到企業(yè)管理和經(jīng)營決策等各個層次提高信息技術(shù)應用水平，力爭5年內(nèi)在過程控制和生產(chǎn)經(jīng)營方面達到國外大型石化企業(yè)的先進水平。

　　綜上所述，加強對流程工業(yè)綜合自動化技術(shù)研究與應用的投入，并注重從企業(yè)及市場的需求出發(fā)，結(jié)合高等學校和科研院所的力量，以產(chǎn)業(yè)化為目標，加強產(chǎn)學研相結(jié)合，加速促進相應高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　因此，流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)與技術(shù)的總體發(fā)展戰(zhàn)略應是：以提高流程工業(yè)企業(yè)經(jīng)濟效益、降低生產(chǎn)成本和增強企業(yè)綜合競爭力為主要目標，發(fā)展我國過程自動化裝備工業(yè)和相關(guān)的軟件產(chǎn)業(yè)，形成一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)和標志性的綜合自動化軟件和硬件技術(shù)產(chǎn)品。通過重大典型示范工程的推動，全面提高我國流程工業(yè)經(jīng)濟效益和綜合競爭力，促進我國過程自動化軟硬件產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展。