1 我國流程工業企業對綜合自動化技術的需求

　　流程工業是一個非常巨大的產業，在產業中占據重要的地位，是國民經濟發展中極為重要的基礎支柱產業，是制造業的重要組成部分。其特點是以處理連續或間歇物料流、能量流為主，產品多以大批量的形式生產。流程工業的生產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有顯著不同。在知識經濟時代的21世紀，作為傳統工業的流程工業將仍然是經濟發展的重要支柱產業。據1998年估計全球流程工業的年產值超過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2000年中國統計年鑒，1999年按行業分國有及國有控股企業中，工業總產值35 571.18億元，工業增加值12 132.41億元。其中典型的流程工業工業總產值共計23 396.53億元，占總產值的65.77％，工業增加值8 810.18億元，占總量的72.62％。數據參閱表1［1］。

　　從我國2000年工業統計數據來看，工業總產值、工業增加值等主要經濟指標，石油和化學工業均居全國第1位，其實現利潤占全國工業利潤的25.45％；冶金工業居全國第2位；電力工業居第3位。我國22家骨干企業中，流程工業企業約占1/3；在71家重點企業中，流程工業企業約占1/2。在2000年全球500強的行業中，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，流程工業在我國國民經濟中的重要地位。

　　但所有這些流程工業均存在能耗高、成本高、勞動生產率低、資源利用率低的特點，能耗普遍比國外先進水平高出30％，勞動生產率只及國外的20%～30％左右，生產成本普遍高出國外1～2倍。美國60％的石化企業應用了先進控制技術（我國不到20％），在線優化的過程生產增加收益的典型值為裝置產值的3%～5％（我國不到1％）。又如有色金屬行業，我國10種常用有色金屬年產量為650多萬t，居世界第2位，但由于總體過程自動化技術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采選業資源利用率僅為35%，發達國家為60％以上；硫利用率（環境污染）我國為50％，發達國家為95％以上。

　　據美國ARC公司調查，應用流程工業綜合自動化技術可獲得顯著的經濟效益，如產品質量提高19.2%，勞動生產率提高13.5％，產量提高11.5％。這正是流程工業綜合自動化技術的重要潛在市場。

　　2 綜合自動化技術國內外發展的現狀

　　20世紀80年代后期，隨著計算機技術和網絡技術的迅速發展，流程工業控制中出現了多學科間的相互滲透與交叉，信號處理技術、計算機技術、通訊技術及計算機網絡與自動控制技術的結合使過程控制開始突破自動化孤島模式，出現了集控制、優化、調度、管理、經營于一體的綜合自動化新模式。

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

　　意大利AGIP石油公司提出了以數據模型為核心的工廠信息集成系統的方案，信息采集從低層到上層，從供應鏈的源頭到產品的客戶。他以面向數據的模型為核心系統，連接實時數據庫和關系數據庫，對生產過程進行過程監視、控制和診斷，環境監測，單元整合，模擬和優化。在管理決策層進行物料平衡、生產計劃、調度、排產、企業資源計劃、離線在線模擬與優化等。目前國外實施綜合自動化技術的大型流程工業企業已占很大比例。

　　另一方面，國外已有許多傳統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（生產過程制造執行系統）的綜合自動化解決方案，開發相應的工業IT；AspenTech和Honeywell這兩家大公司都已不再局限于過程自動化系統與軟件領域，而是在其中下層自動化軟硬件優勢的基礎上分別提出了面向企業整體的解決方案，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、煉油工業的Unified ManufacturingTM Solutions for Business Optimization套件。例如：過程優化是工業過程自動化的核心技術之一，他通過生產裝置的安全平穩運行和優化操作使生產計劃高效地實施。為了實現這一目標，首先需獲取正確反映生產裝置狀態的原始生產數據，利用數據校正技術，分析、綜合出產品質量、裝置能力及狀況、能源消耗、故障報警等信息，實現質量監控、故障診斷和安全管理，同時利用流程模擬技術模擬生產裝置狀況，進行生產作業計劃的優化調度，以最少的能耗、最高的安全性或最大的產品效益，確定各個生產裝置的負荷并通過靜態實時優化向先進控制層提供最優操作條件。因此，這些大公司已逐步形成了對流程企業綜合自動化軟件和系統產品的壟斷之勢，軟件及服務價格動輒在幾十萬到幾百萬美元，并已開始大規模地向我國國內市場推銷。

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

　　我國經過20年的研究和攻關，在流程工業綜合自動化領域已積累了大量的科研成果，特別是在“九五”計劃期間，產生了大批具有產業化前景的高技術成果和產品，如集散控制系統（DCS)、現場總線技術、先進控制軟件、實時優化軟件、過程管理與優化軟件、企業管理和生產調度系統軟件等。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，并廣泛應用于國內眾多石化、化工、醫藥、冶金、建材／輕工等流程企業，產生了巨大的經濟效益和社會效益。在以信息化帶動工業化的進程中發揮了重要的作用。

　　但總體而言，我國在流程工業綜合自動化技術與系統的研究與產業化過程中同國外先進技術相比還存在很大的差距，主要體現在技術深度上不夠、應用基礎研究不夠、相關領域技術借用不夠、系統化程度不夠、集成能力不夠、產品化程度不夠、產業化能力不強等諸多方面。

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

　　國內雖有許多高等院校和科研院所參與開發和攻關，但真正在原創性、產品化和產業化方面取得突破的關鍵技術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和產品開發并進行創業活動，整體上取得了巨大的成功，擁有了一批具有自主知識產權的技術和產品，并有一定的市場份額，為今后大規模產業化和資產重組奠定了良好的基礎。

　　3 流程工業綜合自動化技術的主要內容

　　一般而言，流程工業企業對綜合自動化技術的需求主要關注4方面的問題。(1)安全：即需要用高可靠性的控制系統、檢測和執行機構對設備與裝置的運行提供保證，進而對關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以降低能耗和原料消耗，以及通過先進的建模技術、控制技術和實時優化技術來提高產品的合格率和轉化率。(3)高效率：通過先進的計劃調度與排產技術和流程模擬技術來提高設備利用率和勞動生產率。（4）提高競爭力：通過數據和信息的綜合集成，如先進的管理技術（包括ERP、CRM、SCM等）、電子商務、價值鏈分析技術等，以促進企業價值的增值，最終提高企業的綜合競爭力。

　　根據國內外綜合自動化技術的發展趨勢和網絡技術的發展現狀，流程工業綜合自動化技術的總體結構可以分成3層結構。

　　a.以PCS（過程控制系統）為代表的基礎自動化層。主要內容包括先進控制軟件、軟測量技術、實時數據庫技術、可靠性技術、數據融合與數據處理技術、集散控制系統(DCS)、現場控制系統（FCS）、多總線網絡化控制系統、基于高速以太網和無線技術的現場控制設備、傳感器技術、特種執行機構等等。

　　b.以MES（生產過程制造執行系統）為代表的生產過程運行優化層。主要內容包括先進建模與流程模擬技術（AMT：Advanced Modeling Technologies）、先進計劃與調度技術（APS：Advanced Planning and Scheduling）、實時優化技術（RTO：Real-time Optimization）、故障診斷與健康維護技術、數據挖掘與數據校正技術、動態質量控制與管理技術、動態成本控制與管理技術等等。

　　c.以ERP（企業資源管理）為代表的企業生產經營優化層。主要內容包括企業資源管理（ERP）、供應鏈管理（SCM）、客戶關系管理（CRM)、產品質量數據管理（PqDM)、數據倉庫技術、設備資源管理、企業電子商務平臺等等。

　　通過研究生產過程制造執行系統（MES）及相關技術，可以實現在線成本的預測、控制和反饋校正，以形成生產成本控制中心，保證生產過程的優化運行；可以實施生產全過程的優化調度、統一指揮，以形成生產指揮中心，保證生產過程的優化控制；可以實現生產過程的質量跟蹤、安全監控，以形成質量管理體系和設備健康保障體系，保證生產過程的優化管理。

　　4 我國發展綜合自動化技術的機會與挑戰

　　近20年來，我國國民經濟平均以8％左右的速度增長，為我國產業結構的調整和技術進步奠定了良好的基礎和條件。同時我國經濟增長的潛力已受制于產品創新和應用新技術。特別是用高新技術改造傳統產業，用信息化帶動工業化是我國經濟繼續騰飛的關鍵。因此對于在國民經濟中占有重要地位的流程工業全面應用綜合自動化技術，從而全面提升企業綜合競爭力已成為基本共識。

　　隨著我國市場經濟體制的不斷完善和加入WTO，工業企業通過技術改造增加產品競爭力的愿望越來越迫切，需要大量以生產過程制造執行系統（MES）為主的綜合自動化技術、軟件和服務，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，傾銷其優化軟件，但由于這些軟件對我國工業企業的適應性不夠、工程服務和維護費用過高等因素，進口軟件產品并非都取得了預期的效益，這也為我們自行開發適合我國工業企業特點的、具有較高性能價格比的MES各功能軟件，并提供及時、周到、價格適宜的現場工程服務帶來機遇，這是我們的“地利與人和”。

　　面臨即將到來的21世紀，我國企業的經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，高效率、高質量、低消耗、彈性生產的全球市場需求正在給我國企業生產經營管理人員帶來巨大的壓力。隨著企業規模的擴大和管理水平的提高，企業越來越迫切需要具有大型分布式數據庫和實時數據庫的綜合集成軟件平臺及相應的各種應用軟件。

　　以流程工業供應鏈為例說明為企業提供整體解決方案的益處［4，5］。企業供應鏈環節所涉及的成本占企業總成本的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)現金—至—現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而言，除了工藝和裝備的革新與進步外，最重要的技術手段就是靠綜合自動化技術。

　　5 產學研結合促進我國綜合自動化技術與應用的發展

　　近20年來，我國工業控制領域在靜態優化、質量控制、故障診斷、數據校正等方面進行了許多理論研究和應用開發，但均未形成有影響的商品化軟件，離高技術產業化更有較大的距離。究其原因主要有以下幾點。

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

　　b.尚未找到發展綜合自動化軟件產業的運行模式。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公司等均在企業內部提出“不盲目崇拜技術”的理念，因此我們“必須停止崇拜單純的技術，開始注重技術對于客戶的真正價值”。

　　c.綜合自動化技術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結構的綜合自動化理論與技術水平，努力提高或改善用戶企業的基礎自動化程度、管理模式和經營理念，否則會嚴重限制綜合自動化技術產業的市場空間。

　　d.缺少客戶（市場）第一的整體解決方案。理論與應用的結合本是自動化領域的基本出發點，但實際上我們缺少對企業需求整體的分析，因此也就很難提出整體解決方案，另一方面也缺少系統集成的能力。

　　以石化工業綜合自動化技術發展為例，其發展戰略是結合國內外市場激烈競爭的需求及生產經營的特點，從生產裝置控制、優化操作到計劃調度，從信息集成到企業管理和經營決策等各個層次提高信息技術應用水平，力爭5年內在過程控制和生產經營方面達到國外大型石化企業的先進水平。

　　綜上所述，加強對流程工業綜合自動化技術研究與應用的投入，并注重從企業及市場的需求出發，結合高等學校和科研院所的力量，以產業化為目標，加強產學研相結合，加速促進相應高技術產業的發展。

　　因此，流程工業綜合自動化系統與技術的總體發展戰略應是：以提高流程工業企業經濟效益、降低生產成本和增強企業綜合競爭力為主要目標，發展我國過程自動化裝備工業和相關的軟件產業，形成一批具有自主知識產權和標志性的綜合自動化軟件和硬件技術產品。通過重大典型示范工程的推動，全面提高我國流程工業經濟效益和綜合競爭力，促進我國過程自動化軟硬件產業的跨越式發展。