力控科技

管控一体化解决之道

石化行业MES系统浅析

一、前言


     随着现代石油工业的发展,越来越多的国家和领导人对世界石油的加工清洁化、智能化、高附加值的问题提到很高的高度,从2000年的世界石油大会上就提出来怎么样来保护我们的环境,保护我们的地球,需要清洁。另外从我们节能的角度来说,也要使得我们能够满足节能的要求。所以信息技术的发展,也使得我们有条件来对我们的石化企业炼厂出现管控的一体化,提高我们的生产管理和控制水平,所以现在石油石化突出的表现,从国外大公司来说就是讲究环保、讲究低能耗、讲究智能化的控制和管理。
     国外的炼厂围绕着低能耗、清洁化、智能化的目标,越来越多的炼厂在实施DCS、APC智能化的基础上大规模实施MES系统,来降低能耗、优化产品结构、提高产品的附加值。像国外大公司如ExxonMobil BP、CITCO、Shell等等,并且他们对MES系统每年的效益都有个统计,降低装置能耗1%,提高产品收益率0.5%,减少产品缺陷18%,这是一个很好的效果。
     对于我国的石化企业来说,其核心业务流程复杂,是典型的流程型企业,要实现生产过程优化、节能降耗等目标,MES必不可少。并且在整个企业信息整体构架中处于承上启下的作用,如下图所示

图-1
     石化行业是一个典型的流程型行业,其核心业务流程涉及原油储运、油品加工和产品发运三个主要业务,其中油品加工涵盖将原油加工成产品的整个过程,也是石化企业生产管理业务的重点。整个过程涉及油品的多次流转及物性的改变,从原油运输进厂,到输入一次加工装置(以物理反应过程为主)、二次加工装置(以化学反应过程为主)、精制装置等进行油品加工,然后输出到罐区进行油品调和,直至产品合格。在这一系列油品加工移动过程中,涉及大量过程数据的实时采集与分析、生产现场设备与物料的监控、生产调度优化以及能源合理供应等问题,迫切需要利用信息技术,实现石化企业生产管理的优化,其核心需求如下图所示。
图-2



二、MES在石化行业的应用概况


由于石化企业核心业务流程的复杂性,信息系统的建设面临如下挑战。
1 过程优化困难
     石化企业MES的决策具有混杂性,不仅包括连续过程变量,而且包含离散过程变量。为了对生产过程及产品质量进行控制,必须建立反映连续过程主要物理、化学变化过程的过程模拟模型,并将过程模型与优化模型结合起来。
2 生产操作复杂
     石化企业生产环境苛刻,生产过程包含复杂的物理、化学过程及各种突变和不确定性因素。特别是装置启动、停机和应急处理等暂态过程的各项操作,不仅影响生产效率,而且存在着安全隐患。因此,操作管理是石化企业MES的一项重要任务,它负责监督在所执行的每一项操作中遵守操作步骤和规范,在连续、混合及间歇生产环境下为操作员提供流程启动、平稳运行及停机等过程的标准操作指令。
3 能耗高、污染重
     能耗成本占原油加工成本的70%以上,因此石化企业信息化不仅要集成信息流和物料流,还要考虑能量流的集成,使调度决策功能能够对物料和能量提供最佳控制策略,不仅达到提高生产效率和降低生产成本的目标,而且实现节省能源、减少污染等目标。 
     从20世纪90年代末开始至今,MES产品已由单一的MES功能模块发展到整体解决方案,国内外很多著名的公司都推出了面向石化行业的MES,如美国Honeywell公司的MES方案、美国Aspen Tech公司的MES方案和德国西门子公司的MES方案,以及中国石化牵头,由石化盈科、浙江中控、中科院软件所和北京时林公司共同开发的石化企业MES解决方案。   
     石化行业作为典型的流程行业,由于信息化与自动化基础较好,其对MES的需求迫切,国内外石化行业都非常关注MES的建设,通过MES将生产经营管理和生产操作集成起来,用来支持整个企业的供应链优化,并从中受益。如BP、ExxonMobile、ChevronTexaco、Shell等国际知名公司都已在美国和欧洲的企业实施了MES系统的大部分功能。
     作为我国石油化工行业的两个主要企业,中国石化和中国石油在MES的实施策略上有所不同: 中国石化在国家863计划的支持下,以自主知识产权的MES产品SMES研发与实施为主; 而中国石油则以美国Honeywell公司的MES产品为主。应用实践表明两个产品各具特色,下文将对其进行重点介绍。


三、国外石化行业MES解决方案对比分析


1.Honeywell公司的MES产品和技术
     Honeywell的所有业务模块是基于Uniformance平台实现的,其本质是一个一体化的完整的业务系统的数据库(包括实时数据库、关系数据库、历史数据库和事件日志数据库),业务模块和平台是紧耦合的关系。
Honeywell MES产品的核心是Business.FLEXPKS。该产品将经营目标转化为生产操作目标,同时将经过处理验证的生产绩效数据进行反馈,从而形成计划管理层、生产执行层和过程控制层三个层次的周期循环。
     Honeywell MES主要由价值链管理(Value Chain Management)、先进计划与调度(Advanced Planning and Scheduling)、运行管理(Operations Management)、油品调和及储运自动化(Blending & Movement Automation)和生产管理(Production Management)等5个应用套件组成。其中,价值链管理又包括销售预测、运输计划、生产排产、原材料计划、供应链事件管理、库存计划、价值链循环优化和生产计划管理等; 先进计划与调度包括原材料供应及产品分配与优化、原油组分分析、原油采购计划、原油调度优化、生产实况分析、油品调和调度等; 运行管理包括操作指令下达、运行监控、事件监控、实验室信息管理与集成、油罐组分跟踪、产品规格管理、多单元生产运行计划等; 油品调和及储运自动化包括调和调度计划、在线调和优化、调和比率控制和调和绩效统计、油品输转及库存跟踪、罐存计量管理、输转模型建立、油品输转控制、油品移动路径选择等; 生产管理包括物料平衡和库存盘点、成本核算、组分计算与平衡、批量跟踪与控制、原材料消耗统计、物料移动跟踪、多单元生产运行计划、操作指令下达和实验室信息管理等。
2.Aspen Tech公司的MES产品和技术
     美国Aspen Tech公司是化学工业领域著名的流程模拟、先进控制和供应链管理优化软件公司,近几年经过并购和整合,也定位在MES解决方案供应商。它提出了企业运营管理的理念并开发集成了相应的软件产品。根据Aspen的定义,企业运营管理(Enterprise Operations Management,EOM)是一个企业级的集成解决方案,把ERP层、MES层和DCS(分散控制系统)层进行整合,高效地设计、管理和运营制造与供应链的相关业务。Aspen Tech公司用于流程企业的MES产品为Aspen Plantelligence,即智能工厂解决方案。   
     Aspen MES体系结构的特点是以信息总线为集成基础,实现各业务模块与集成平台的松耦合,并支持事件驱动等服务。
     Aspen Tech的MES解决方案自1998年推出后得到不断发展和完善,并在许多大型石油化工企业中采用。方案主要包括流程模拟、虚拟工厂模拟器、生产计划与优化、生产调度与优化、先进控制与实时优化(RT-OPT)、实时数据库与信息管理、数据校正与物料平衡、绩效监控与绩效管理、油品调和、生产指令管理与操作日志、油品移动和罐区管理等功能模块以及Aspen Enterprise Platform(AEP)集成平台,实现生产经营管理与生产过程控制的一体化。这些模块主要分布在5个应用套件中,即绩效管理、生产计划系统(PIMS)、生产调度优化(ORION)、油品调合计划调度和生产管理与执行。而生产管理与执行包括实时数据库与信息管理、数据调理与物料平衡、生产指令管理与操作日志、油品移动和罐区管理、实验室信息管理(LIMS)和能量管理。
3.西门子公司的MES方案
     SIMATIC IT是西门子公司提出的MES产品框架和解决方案,其突出特色是以生产工艺流程为核心,建立了平台化、组件化的构架,并且建立了大量的控制元器件(控制单元)库和各行业的典型工艺流程库。用户可以使用SIMATIC IT提供的动态建模工具自行配置工艺流程,将自动化控制系统中各个元器件的输入输出、逻辑关系定义清楚,从而将整个车间的信息流集成起来,实现对车间数据的分发、采集、计算与分析。在此基础上,SIMATIC IT根据ISA-95的规范,建立了若干应用组建系统,包括车间生产管理、质量管理、设备管理等方面的功能,实现了与底层自动化系统和ERP之间的双向信息集成。同时,还集成了BI软件,实现对数据的挖掘和绩效分析,并生成各类报表。
     由于系统完全是可配置的,体系结构完全开放,因此,可以根据各个行业的特点,配置出其典型的工艺流程,从而可以实现跨行业的应用,而客户还可以在行业流程模板的基础上,柔性化地配置和修改这些工艺流程。


四、力控科技MES+pSpace管控一体化解决方案
1.发展历程
     力控科技是国内最早的企业信息化专业解决方案供应商之一,有20多年自主研发的经验积累和自主知识产权的产品线。力控科技为工业企业量身定制的解决方案,将生产自动化和办公自动化有机结合,实现从采购订单到产品生产、销售出厂、售后服务全过程的管理,并且对企业相关的人、财、物、信息等进行全面管理,实现企业从战略管控象运营管控的转变!
力控科技为企业提供的信息化整体解决方案中,涵盖过程控制系统、生产执行系统、企业资源计划管理、决策支持系统,实现企业一体化管理。其中MES系统实现底层与上层的连通,实现系统的无缝连接与信息的充分共享。如图所示:

图-3
     大量应用实践表明该产品的应用不仅为ERP的PP、MM和SD模块提供了在线数据支持,为更好地发挥ERP的作用提供了数据基础; 并且为企业提供了一个良好的管理平台,为企业今后信息化扩展应用及系统集成奠定了良好的基础。同时MES的成功实施与应用不仅提升了企业精细化管理水平,提高了生产效率,而且降低了企业生产成本,取得了良好的经济效益和社会效益。
力控科技MES系统的特点是将经营目标转化成生产过程中的操作目标,通过反馈执行结果,不断调整和优化,形成一个周期性的从生产经营到生产运行和过程控制的高效能闭环系统。它与国外MES产品相比的最具特色之处就是,针对我国石化行业生产规模相对偏小、现场基础条件相对落后、自动化水平相对较低的实际情况,开发了装置校正、调度平衡和统计平衡的平衡策略,利用移动误差侦破及平衡超差报警技术弥补了计量仪表的不足,解决了由于计量仪表的不足而导致的计量数据偏差过大问题。
     同时,近十年国内石化企业搭建了实时数据库系统,为企业建立基础数据平台以后,企业有两个困惑,一是缺少实时数据的深入应用,二是供电、供水、供气及其进出厂计量等数据没有进入到实时数据库中。尤其第二项工作的缺失,影响了实时数据库的深入应用。而力控科技pSpace7.0产品内置了各电力厂家的保护测控装置、直流屏、小电流选线装置、VQC自动装置、可编程控制器(PLC)、DCS、智能模块、板卡、智能仪表、变频器等共有3000多种的IO驱动,可以有效地解决企业水电风等公共工程的数据采集问题。这一点对于流程企业精细化管理来说非常重要,因为流程企业一来要求物料移动数据准确,二来企业需要计量仪表的点很多,如果都采用高性能质量流量计,则成本非常高,难以推广。
2.体系结构
     力控科技MES体系结构以数据集成平台pSpace7.0为核心,以物料平衡为主线,全面支持生产计划、调度管理、操作管理、进出厂管理、公用工程管理、化工辅料管理等关键业务。
图-4
● 以数据平台为核心
     基于石化企业的核心数据模型建立统一的数据集成平台。核心数据模型包括工厂数据模型和业务数据模型。其中工厂数据模型描述了企业生产工厂所涉及的工艺流程、加工装置、管道与拓扑连接关系、原料物性、产品质量等生产过程所涉及的对象,而业务数据模型侧重描述生产管理相关的核心业务流程。核心数据模型为MES系统提供统一的数据视图。
● 以物料平衡主线 
     装置数据校正: 装置数据校正是基于装置的设计参数模型和装置投入产出模型,综合考虑生产加工方案,按照一定的逻辑进行数据校正,实现装置级的物料平衡。装置数据校正的主要数据来源是生产实时数据采集系统、手工录入和其他系统。数据校正的结果,作为全厂油品平衡和全厂物料平衡的装置数据基础,提供装置投入产出统一数据源。
统计平衡: 依据全厂物料逻辑模型,在全厂油品平衡的基础上,全面综合考虑气体和固体等数据,通过平衡推量,实现全厂物料统计平衡。全厂物料统计平衡的结果满足生产统计部门的业务需求,为ERP系统提供生产绩效数据支撑。
● 其核心功能
生产设备管理:包括:生产装置管理、设备台账管理、设备运行管理、设备维护管理等。
计量器具管理:包括:计量器具台账、计量器具检定管理等。
生产计划管理:包括:产品产能管理、计划排产管理等。
产品物料管理:包括:物料清单管理(BOM)、物料需求计划等。
生产报表管理:包括:生产报表模板、生产日报、月报、季报、年报、生产完成情况统计报表等。
生产调度管理:包括:生产异常情况管理、交接班日志管理、调度日志管理等。
能源计量管理:包括:能源计量设备管理、能源计划、实绩、成本,及能源统计分析等。
生产过程监控,包括:生产工艺流程图、能流图等。
KPI展示等
     整个力控科技MES系统整合了生产相关的人力、物料、设备等资源,并通过数据集成、业务集成、界面集成等,把生产的各个环节紧密地结合起来,有效的实现了各生产部门、各车间的协同管理,使得跨地区、跨部门的多人员、多任务的生产任务能够在统一规划、统一协调中完成,大大提高了工作效率。
通过自主研发的中间件软件,实现与实时数据库、生产调度指挥系统的无缝集成。及时、有效的获取生产实时数据,自动、高效的生成生产报表、能源报表、生产成本报表,让生产情况一览无余,让智能生产及数字化工厂成为可能。



五、石化行业MES的发展趋势
     随着信息技术和企业管理思想的进一步发展,MES 技术也将会得到不断提升。从目前的发展现状来看,生产过程优化问题是我国MES研究中的弱项之一。另外,目前的MES在生产过程管理方面仅仅为生产管理人员提供了一个操作平台,生产操作决策人员仍然要凭借个人经验进行操作决策,如何将优秀生产管理者的经验固化在MES系统中,目前还没有涉及。面向未来,今后石化行业MES的发展将主要体现在以下几方面。
1.功能完善的可视化建模。MES是以生产过程模型为核心的。在每个企业实施 MES 时都需要对其生产过程进行建模。直观而丰富的建模手段能够有效的简化建模过程,缩短MES实施周期,降低 MES实施风险,提高MES实施的成功率。
2.实时操作智能与可视化。 实时数据库系统的应用使得MES实现了从生产现场直接采集数据,进而提高了数据采集的质量和效率; 此外,通过将各类生产运行数据进行实时集成和整合,形成面向生产管理的企业生产运行数据库,为企业生产经营管理优化提高了数据基础。另一方面,随着数据的逐年积累,大量的生产现场数据为我们寻找产品生产过程的内在规律提供了可能。人们将能够对大量历史数据进行挖掘,发现生产过程内在规律或知识,并以直观的形式展现给决策者,进而制定科学正确的决策方案,实现生产管理及操作的在线优化。
3.MES集成与信息展示平台。MES的核心是生产过程集成优化与可视化。实时数据库系统技术的应用实现了企业范围内各种不同厂家、各种不同设备的控制系统数据的实时集成,提供了企业范围生产过程现状的快照,为生产过程的实时集成提供了数据与事件管理基础。基于实时数据库与关系数据库的MES集成平台将实现生产现场过程数据与管理信息的有机整合,为生产过程的集成优化提供有效的工作平台。另一方面,由于石化企业生产过程复杂,完全自动化不可能,需要专业人员的操控。然而,生产现场过程数据量大,如何将这些数据中隐含的有用信息提取出来,并以有效的方式展现给专业人员也是我们需要考虑问题。随着认知科学理论与人机交互技术的发展,在不久的未来将会出现高效实用的信息展示平台。
4.不断扩展的应用深度和广度。一方面,多数已实施MES系统的企业只实施了MES的主要模块,如罐区管理、装置生产管理、进出厂管理、油品移动管理和物料平衡应用较多,计划优化、调度优化及装置成本管理应用较少,石化MES还有较大的应用深度; 另一方面,认识到MES重要性的企业越来越多,需要实施MES系统的石化企业将逐年增加,MES应用的广度也将不断扩展。