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    作者簡介：張志檁，男，教授級高級工程師，享受國家政府津貼有突出貢獻工程技術(shù)專家。中國石化股份有限公司信息系統(tǒng)管理部原副主任，中國石化集團公司 原信息中心副主任兼總工程師，原中國石化總公司信息中心副主任兼總工程師，清華大學(xué)研究生院兼職導(dǎo)師。

    進入21世紀(jì)初，人們更關(guān)注石油化工行業(yè)，關(guān)注自動化與信息化技術(shù)領(lǐng)域，關(guān)注信息化與工業(yè)化的融合，關(guān)注企業(yè)管控一體化。其實，大多數(shù)科學(xué)技術(shù)是按照圖1的模式在發(fā)展。企業(yè)自動化和信息化也是如此。

                    

                     圖1 企業(yè)自動化和信息化的發(fā)展模式

    一體化、集成、協(xié)同、融合等名詞含義相近。西方講集成，日本和中國講一體化。管控一體化是企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理與生產(chǎn)過程控制集成運作的簡稱。國外最早稱為計算機集成制造，即CIM(Computer Integrated Manufacturing)。CIM是一種企業(yè)生產(chǎn)組織、管理與運行的新哲理，它借助于計算機硬、軟件系統(tǒng)，綜合運用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)，將企業(yè)生產(chǎn)全部過程中有關(guān)組織（人）、技術(shù)、經(jīng)營管理三要素集成起來，并將其信息流與物流有機地集成及優(yōu)化運行，以實現(xiàn)產(chǎn)品高質(zhì)、上市快、面本低、服務(wù)好(簡稱T.Q.C.S)，從而使企業(yè)贏得市場競爭。CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)，計算機集成制造系統(tǒng)便是這種哲理的物理實現(xiàn)。后來，又產(chǎn)生了B2M（business-to-manufacturing integration，full plant-to-enterprise interoperability）等理念、標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)。如圖2所示。

                    

                               圖2 B2M信息交互層次

    在中國，管控一體化的原意是經(jīng)營管理和過程控制一體化，后來又拓展到管理業(yè)務(wù)和控制業(yè)務(wù)一體化；管理流程和控制流程一體化；管理網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)一體化；控制系統(tǒng)內(nèi)部及其之間的一體化；管理系統(tǒng)內(nèi)部及其之間的一體化；管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)一體化；企業(yè)間多系統(tǒng)一體化，集團多系統(tǒng)一體化；供應(yīng)連虛擬企業(yè)之間的一體化；社會和企業(yè)的一體化等。
狹義的管控一體化只是CIMS的一部分，卻是最主要的部分，也是企業(yè)推進兩化融合的主要環(huán)節(jié)、具體體現(xiàn)和重要抓手。廣義的管控一體化則超越了30年前的CIM理念。

    1 自動化與信息化的融合是工業(yè)革命的必然發(fā)展規(guī)律

    人類三次重大的社會變革，即農(nóng)業(yè)革命、工業(yè)革命和信息革命。分別將人類從漫長的原始社會帶入農(nóng)業(yè)社會、工業(yè)社會和信息社會。農(nóng)業(yè)革命經(jīng)歷了大約3000年，工業(yè)革命大約經(jīng)歷了300年，信息革命正方興未艾，剛剛開始幾十年。人類正在準(zhǔn)備邁上信息社會的高級階段——信息化社會。中國是發(fā)展中國家，工業(yè)化的使命還沒完成，又迎來了信息化的浪潮。因此有必要簡要回顧一下人類的工業(yè)史。即由手工業(yè)過渡到工場手工業(yè)，再由工場手工業(yè)發(fā)展到現(xiàn)代大工業(yè)，盡而實現(xiàn)工業(yè)化，及其各個時代相對于舊時的不同層次的現(xiàn)代化。

    工業(yè)化的三大技術(shù)特征主要概括為機械化、電氣化和自動化。信息化也有三個技術(shù)特征，即數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)學(xué)模型化。中國工業(yè)化既要繼續(xù)實現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)化的技術(shù)特征，機械化、電氣化、自動化外，還要實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)學(xué)模型化，即信息化。

    1.1信息化引發(fā)傳統(tǒng)工廠邁向現(xiàn)代工廠

    現(xiàn)代工廠有“兩化”很重要。一是自動化，是實現(xiàn)工人絕大部分體力和少部分腦力的延伸，是減少工廠操作人員編制的主要途徑。在追求工廠規(guī)模大型化、清潔化、差異化和高效化的同時，自然要考慮盡量減少用工定編，即向少人化的目標(biāo)努力；二是信息化，是實現(xiàn)管理人員大部分腦力和部分體力的延伸，實現(xiàn)管理自動化、機構(gòu)扁平化、壓縮管理人員編制的主要途徑。高度信息化的工廠，管理人員自然很少。自動化向上延伸，信息化向下延伸，自動化和信息化融合，上升為更高層次的自動化和信息化，即企業(yè)控制系統(tǒng)。

                 

                         圖3 企業(yè)控制系統(tǒng)

    基于美國儀器儀表學(xué)會ISA S95標(biāo)準(zhǔn)的流程工業(yè)集成層次如圖4所示。

                  

                 圖4 基于美國儀器儀表學(xué)會ISA S95標(biāo)準(zhǔn)的流程工業(yè)集成層次

    自動化層次的擴展如圖5所示。

                

                                   圖5 自動化層次的擴展

    控制手段及對應(yīng)范圍（ Response）如圖6所示。

              

                            圖6 控制手段及對應(yīng)范圍

    這樣，企業(yè)形成了從傳感器到企業(yè)總部的自動化鏈（From the sensor to the corporate headquarters of automation chain）和數(shù)據(jù)流堆棧（Data Flow Stack）。如圖7所示。

                     

                       圖7 企業(yè)數(shù)據(jù)流堆棧

    2 過程控制系統(tǒng)（PCS）

    隨著控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，規(guī)模越發(fā)擴展，其集成問題則演化為系統(tǒng)內(nèi)部一體化，以及外部一體化。

    2.1傳統(tǒng)或狹義的過程控制系統(tǒng)——過程控制系統(tǒng)一體化

               

                         圖8 過程控制技術(shù)的延伸

    隨著過程控制技術(shù)及其應(yīng)用的延伸，產(chǎn)生了過程控制系統(tǒng)一體化的問題。

    2.1.1 PCS的主要動向

    ·DCS及其更新；
    ·FCS—減少投資成本，減少工程設(shè)計時間，減少安裝和開車時間及費用，減少控制器和I/O接口設(shè)備及維護費用，減少控制室空間，和加快投資回收時間。Sell已達新建項目的66%；
    ·SCADA/PLC、電力控制系統(tǒng)（ELICS）、馬達控制系統(tǒng)(Motor Control System，MCS)、智能調(diào)節(jié)閥（Smart Control Valve）；
    · 計量儀表、罐區(qū)計量系統(tǒng)（Tank n Gauging System）、流量檢測裝置（Metering System） 、能源監(jiān)控系統(tǒng)；
    ·設(shè)備狀態(tài)測試(Machine Monitoring System, MMS)、預(yù)測性維修、壓縮機控制（ Compressor Control）與故障診斷；
    ·新型分析化驗儀器、在線質(zhì)量儀表；
    ·視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等；
    ·緊急停車系統(tǒng)（Emergence Shut-Down System, ESD）、安全管理系統(tǒng)（SMS）、火災(zāi)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)（Fire and Gas Detection System）等。

    2.1.2 DCS的發(fā)展趨勢

   ·系統(tǒng)功能從低層（現(xiàn)場控制層）逐步向高層（監(jiān)督控制、生產(chǎn)調(diào)度管理）擴展；
    ·控制功能由單一的回路控制逐步向綜合的邏輯控制、順序控制、程序控制、批量控制、配方控制、混合控制以及先進控制發(fā)展；
    ·系統(tǒng)構(gòu)成部件由DCS廠家專有的產(chǎn)品變?yōu)殚_放的市場采購產(chǎn)品；
    ·技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)逐漸走向開放、統(tǒng)一、集成；
    ·由于開放性推進產(chǎn)品的趨同性，迫使DCS廠商向高層、與生產(chǎn)工藝結(jié)合緊密的高級控制功能發(fā)展；
    ·數(shù)字化向現(xiàn)場儀表裝置延伸，導(dǎo)致DCS體系結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場功能數(shù)字化、智能化、分散化。

               

                               圖9控制系統(tǒng)的發(fā)展軌跡

    2.2 現(xiàn)場總線——過程控制系統(tǒng)一體化的主要技術(shù)基礎(chǔ)

    現(xiàn)場總線（Field Bus）技術(shù)在20世紀(jì)70年代末出現(xiàn)，90年代成為熱點和從模擬儀表到數(shù)字計算機的現(xiàn)場信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)，真正解決了從儀表到計算機的換代問題，促進了儀表信息處理的現(xiàn)場化。形成了全數(shù)字化（變量單元和執(zhí)行單元）、信息化和集成化的新一代DCS。現(xiàn)場總線技術(shù)將使現(xiàn)在的模擬與數(shù)字混合的分散控制系統(tǒng)（DCS）更新?lián)Q代為全數(shù)字式的徹底分散的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS），真正做到危險分散、控制分散、信息集中和監(jiān)控集中。

    先進控制——管控一體化的技術(shù)橋梁
    過程問題的通用描述如圖10所示。

              

                   圖10 過程問題的通用描述
 
    改進后的先進控制系統(tǒng)的效果如圖11所示。

               

                        圖11a 改進后的先進控制系統(tǒng)的效果

              

                       圖11b 改進后的先進控制系統(tǒng)的效果

    工廠優(yōu)化控制的集成層次及APC、OPT的地位如圖12所示。

              

                    圖12 工廠優(yōu)化控制的集成層次及APC、OPT的地位 

    因此，形成了控制系統(tǒng)向現(xiàn)代控制系統(tǒng)的擴展。如圖13所示。

              

                       圖13 控制系統(tǒng)的層次關(guān)系

    3 企業(yè)控制系統(tǒng)——管控一體化的終極形式和目標(biāo)是物流、資金流、信息流、決策流“四流合一”

    企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營體系模型如圖14所示。 

                 

                       圖14 企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營體系模型

    企業(yè)整體追求的是企業(yè)效益，依據(jù)是企業(yè)投入產(chǎn)出模型（INPUT-OUTPUT MODEL），如圖15所示。

                 

                        圖15 企業(yè)投入產(chǎn)出模型

    流程工業(yè)的 REPAC 模型和集成信息系統(tǒng)對照(1998年提出)如圖16所示。

                

                圖16 流程工業(yè)的 REPAC 模型和集成信息系統(tǒng)對照

    3.1 ERP——經(jīng)營管理一體化

    計劃決策層以ERP&SCM為代表，其發(fā)展領(lǐng)域為：
    ·ERP/ ERP-Ⅱ/ XERP；
    ·e-C/ c-C/ c-B；
    ·SCM/SCP/AP&S/.CRM/SRM；
    ·DSS/XHQ（Extend Headquarters）；
    ·KM/KPI/DW；
    ·EAI/BI/Porter；
    ·戰(zhàn)略設(shè)計與模擬；
    ·SOX審計系統(tǒng)；
    ·競爭情報系統(tǒng)；

    3.2 MES——B2M一體化

    除制造執(zhí)行的11個基本功能外，主要發(fā)展領(lǐng)域還有：
    ·傳統(tǒng)先進控制（APC）——計算變量控制、解耦控制、自適應(yīng)控制、統(tǒng)計控制等；
    ·多變量預(yù)估控制（MPC）；
    ·實時優(yōu)化控制（RTO）；
    ·設(shè)備資產(chǎn)管理；
    ·實時數(shù)據(jù)庫；
    ·流程模擬；
    ·質(zhì)量管理，LIMS；
    ·計劃排產(chǎn)與調(diào)度、罐區(qū)管理及油品調(diào)和；
    ·料平衡/能源信息系統(tǒng)（EIS）；
    ·成本預(yù)算和分析；
    ·KPI統(tǒng)計分析 ； 
    ·構(gòu)造成集成、實時、智能的以MES為核心的生產(chǎn)調(diào)度指揮中心。

    同樣，MES既然承擔(dān)B2M集成的重要功能，自然要求其具備Open MES（內(nèi)部模塊之間的開放），OPEN IT架構(gòu)（外部系統(tǒng)之間的開放）的性能。

    盡管MES在中國實施多年，但是仍然處于探索階段。中國式的MES應(yīng)該簡略歸納為：計劃制定執(zhí)行與調(diào)度（主要面向計劃統(tǒng)計與調(diào)度部門）；生產(chǎn)運行與操作（主要面向生產(chǎn)與技術(shù)部門）；生產(chǎn)監(jiān)督與保障（主要面向設(shè)備、質(zhì)量、安全、環(huán)保部門）。

    3.3 工廠三維可視化——設(shè)計、建設(shè)、生產(chǎn)、運維一體化

    主要是面向產(chǎn)品生命周期，工廠生命周期。

    3.4 過程模擬——工藝過程模擬與優(yōu)化一體化

    國外的模擬優(yōu)化技術(shù)，已經(jīng)相當(dāng)普及。不僅用于生產(chǎn)過程，而且用于公用工程；不僅有穩(wěn)態(tài)模擬，而且有動態(tài)模擬；不僅有離線優(yōu)化，而且有在線、實時、閉環(huán)優(yōu)化；不僅有獨立的優(yōu)化，還有一體化優(yōu)化。不僅有單廠的優(yōu)化，還有多廠的優(yōu)化。

    3.5 能源監(jiān)控——生產(chǎn)運行與能源管理一體化

    能源管理遵循全生命周期（Life Cycle ）一體化管理的模式，也形成了See-Analysys-Do節(jié)能管理循環(huán)及其相關(guān)技術(shù)和整體解決方案。

    3.6 HSE——生產(chǎn)運行與HSE管理一體化

    生產(chǎn)運行管理必須高度重視HSE，真正達到安全第一，環(huán)保至上的理念。這就要求高可靠性工廠的流程設(shè)計和具有高度穩(wěn)定運轉(zhuǎn)技術(shù)（SSOT, Supper Stable Operation Technology），支撐生產(chǎn)運行與HSE管理一體化。
 
    3.7 智能生產(chǎn)指揮中心——管控一體化的集中表現(xiàn)形式

    西門子公司為企業(yè)提供了XHQ信息化全面集成解決方案，構(gòu)架以生產(chǎn)運營調(diào)度指揮中心為代表的企業(yè)級集成系統(tǒng)，為管控一體化解決了最實質(zhì)性的技術(shù)難題。 如圖17所示。

               

              圖17 以生產(chǎn)運營調(diào)度指揮中心為代表的企業(yè)級集成系統(tǒng)

    3.8 實時生產(chǎn)績效管理——管控一體化的業(yè)務(wù)目標(biāo)

    所謂績效就是做事的結(jié)果，當(dāng)然都希望結(jié)果是好的，即功業(yè)、成果、成績、成效，目前流行為績效。績效的英文詞匯是Performance，它是由動詞Perform演變來的動名詞。Perform是做、執(zhí)行、完成、進行、運行、使用等意，動名詞的意思就是該動作的性能、績效了。實際上都是指做事、干活、工作的結(jié)果。干好干壞需要有比較基準(zhǔn)和衡量指標(biāo)，而且基準(zhǔn)指標(biāo)又太多，抓住主要的即關(guān)鍵，因此就又有關(guān)鍵績效指標(biāo)（Key Performance Indicators，KPI）一詞。

    3.8.1 績效管理的實時動態(tài)化

    從21世紀(jì)初，國外公司提出了企業(yè)控制系統(tǒng)（ECS, Enterprise Control Systems）、工廠到商務(wù)之間的協(xié)同能力(Plant-to-Business (P2B) Interoperability )、協(xié)同制造（Collaborative Manufacturing）、企業(yè)制造智能（Enterprise Manufacture Intelligence ，EMI）、企業(yè)運行智能（Enterprise Operation Intelligence ，EMI）、商務(wù)智能應(yīng)用（financial or business intelligence (BI) applications）、實時制造環(huán)境（real-time Manufacturing environment ）、實時制造績效管理（Real-time Manufacture Performance Management，見圖1）、制造績效服務(wù)（Manufacturing Performance Service, MPS，見圖2）、卓越制造戰(zhàn)略(Strategies for Manufacturing Excellence)、新一代企業(yè)總部（XHQ，neXt generation HeadQuarters）、新一代制造（Next Generation Manufacturing）等概念，其核心是提高企業(yè)總體運行性能或績效，其特點是績效性能管理的實時動態(tài)化，其技術(shù)基礎(chǔ)則是工廠自動化與信息化的融合、銜接和集成。

    3.8.2 從靜態(tài)供應(yīng)連到動態(tài)供應(yīng)鏈

    早期的SCM只是著眼于供應(yīng)鏈內(nèi)部的計劃優(yōu)化，但是違背計劃的事件經(jīng)常發(fā)生。因此認(rèn)為更要關(guān)注供應(yīng)鏈的過程及其優(yōu)化，而且由企業(yè)內(nèi)部擴展到企業(yè)外部的供應(yīng)鏈。這就是協(xié)同制造管理（Collaborative Manufacturing Management, CMM）。CMM即SCM與SCPM的綜合。供應(yīng)鏈過程管理（Supply Chain Process Management , SCPM）的實質(zhì)是根據(jù)供應(yīng)鏈運行參考模型（SCOR，Supply Chain Operation Reference )中涉及的13項財務(wù)指標(biāo)，建立供應(yīng)鏈過程模型和財務(wù)模型，供應(yīng)鏈過程的變革成果或者說企業(yè)的績效反映到財務(wù)諸表，財務(wù)成果又可以對供應(yīng)鏈過程進行評價。

    3.8.3 從事后績效統(tǒng)計到實時績效管理

    實時績效管理是指對制造企業(yè)主要業(yè)務(wù)和制造過程進行管理，以達到最佳績效的經(jīng)營目的。為了實現(xiàn)RPM，決策支持過程業(yè)務(wù)優(yōu)化，業(yè)務(wù)績效管理對于提高績效不可或缺。特別是整個供應(yīng)鏈的可視化、迅速進行正確決策，占據(jù)了計劃體系中的很大比例。CMM實現(xiàn)的關(guān)鍵是實時績效管理（RPM）。實現(xiàn)實時績效管理的主要技術(shù)是業(yè)務(wù)過程的實時管理、會計的實時化，以及收益的實時模擬等，構(gòu)成了廣義的SCM。 

    3.8.4 從績效、關(guān)鍵績效（KPI）到全面績效(TPI)管理

    一是集約化管理則要求將管理空間和跨度擴展，隨之而來的則是關(guān)鍵績效指標(biāo)的維度擴展、層次擴展、業(yè)務(wù)領(lǐng)域擴展、時間段的范圍擴展。這就形成了多維的企業(yè)級的制造全過程、全方位的績效管理；
    二是精細(xì)化管理則要求將管理粒度縮小、細(xì)化、深化。也就是說，集約化要求向宏觀延伸，精細(xì)化要求向微觀延伸。 

                  

                圖18 實時制造績效管理（RT-MPM）實現(xiàn)技術(shù)架構(gòu)

    3.9共享服務(wù)中心（Shared Services Centre，SSC）——企業(yè)組織架構(gòu)一體化

    企業(yè)運營一體化離不開企業(yè)組織架構(gòu)重組和業(yè)務(wù)流程重組，其中一個流行趨勢是業(yè)務(wù)服務(wù)共享，其模式是共享服務(wù)中心及其支撐技術(shù)。

    4 結(jié)語

    先進的國內(nèi)外企業(yè)正在沿著集成的技術(shù)路線進步。如圖19所示。構(gòu)成了企業(yè)新一代自動化系統(tǒng)，協(xié)同與集成，即管控一體化。并創(chuàng)造了新的模式，向更高級發(fā)展。

                 

                 圖19 企業(yè)集成技術(shù)進步路線圖