流程工业综合自动化技术发展的思考(一)

　　结合目前国内流程工业综合自动化技术及集成技术的发展现状和基础条件，分析了我国发展流程工业综合自动化技术的可能性，并指出了发展的重点。发展综合自动化整体解决方案及集成技术是提升我国流程工业企业经济效益、增强企业竞争力的关键。探讨了我国发展流程工业综合自动化技术存在的问题，以及面临的机遇、挑战和任务。
    流程工业是指在我国国民经济中占有重要经济地位的石化、炼油、化工、冶金、制药、建材、轻工、造纸、采矿、环保、电力等工业行业。这些行业普遍存在能耗大、产品质量差、生产过程工艺落后、自动化水平低、管理水平低、信息集成度低、综合竞争力弱等现状。流程工业综合自动化系统是将*的工艺装备技术、现代管理技术和以*控制与优化技术为代表的信息技术相结合，将企业的生产过程控制、优化、运行、计划与管理作为一个整体进行控制与管理，提供整体解决方案，以实现企业的优化运行、优化控制与优化管理，从而成为提高企业竞争力的核心高技术。
    1 我国流程工业企业对综合自动化技术的需求
    流程工业是一个非常巨大的产业，在产业中占据重要的地位，是国民经济发展中极为重要的基础支柱产业，是制造业的重要组成部分。其特点是以处理连续或间歇物料流、能量流为主，产品多以大批量的形式生产。流程工业的生产和加工方法主要有化学反应、分离、混合等等，这些都与离散制造工业有显著不同。在知识经济时代的21世纪，作为传统工业的流程工业将仍然是经济发展的重要支柱产业。据1998年估计流程工业的年产值超过5万亿美元，其中仅化工和石油化工部分就超过1万2千亿美元。根据2000年中国统计年鉴，1999年按行业分国有及国有控股企业中，工业总产值35 571.18亿元，工业增加值12 132.41亿元。其中典型的流程工业工业总产值共计23 396.53亿元，占总产值的65.77％，工业增加值8 810.18亿元，占总量的72.62％。。
    从我国2000年工业统计数据来看，工业总产值、工业增加值等主要经济指标，石油和化学工业均居*1位，其实现利润占全国工业利润的25.45％；冶金工业居*2位；电力工业居第3位。我国22家骨干企业中，流程工业企业约占1/3；在71家重点企业中，流程工业企业约占1/2。在2000年500强的行业中，*公司居58位、中国国家电力公司居83位、中国化工进出口总公司居307位。由此可见，流程工业在我国国民经济中的重要地位。
    但所有这些流程工业均存在能耗高、成本高、劳动生产率低、资源利用率低的特点，能耗普遍比*进水平高出30％，劳动生产率只及国外的20%～30％左右，生产成本普遍高出国外1～2倍。美国60％的石化企业应用了*控制技术（我国不到20％），在线优化的过程生产增加收益的典型值为装置产值的3%～5％（我国不到1％）。又如有色金属行业，我国10种常用有色金属年产量为650多万t，居*2位，但由于总体过程自动化技术和装备水平与国外相比还有较大的差距，使得我国有色金属行业采选业资源利用率仅为35%，发达国家为60％以上；硫利用率（环境污染）我国为50％，发达国家为95％以上。
    据美国ARC公司调查，应用流程工业综合自动化技术可获得显著的经济效益，如产品质量提高19.2%，劳动生产率提高13.5％，产量提高11.5％。这正是流程工业综合自动化技术的重要潜在市场。
    2 综合自动化技术国内外发展的现状
    20世纪80年代后期，随着计算机技术和网络技术的迅速发展，流程工业控制中出现了多学科间的相互渗透与交叉，信号处理技术、计算机技术、通讯技术及计算机网络与自动控制技术的结合使过程控制开始突破自动化孤岛模式，出现了集控制、优化、调度、管理、经营于一体的综合自动化新模式。
    20世纪90年代，随着计算机技术的日新月异，计算机集成生产系统的研究已成为自动化领域的一个前沿课题。国外大型流程企业、特别是石油化工企业均重视信息集成技术的应用，纷纷以极大的热情和精力，构架工厂级、公司级甚至超公司级的信息集成系统。1995年美国、日本、西欧等国已有100多家炼油、化工企业在实施CIMS计划，推动了流程工业综合自动化技术在实际生产中的应用，如日本三井石油化学工业公司、美国德曹达公司、高尔公司等化工企业都相继建立了综合自动化系统。
    意大利AGIP石油公司提出了以数据模型为核心的工厂信息集成系统的方案，信息采集从低层到上层，从供应链的源头到产品的客户。他以面向数据的模型为核心系统，连接实时数据库和关系数据库，对生产过程进行过程监视、控制和诊断，环境监测，单元整合，模拟和优化。在管理决策层进行物料平衡、生产计划、调度、排产、企业资源计划、离线在线模拟与优化等。目前国外实施综合自动化技术的大型流程工业企业已占很大比例。
    另一方面，国外已有许多传统的自动化仪器仪表厂家逐步向综合自动化整体解决方案供应商转化，如Honeywell、ABB、Rockwell等公司。Rockwell公司提出e－ManufacturingTM解决方案；ABB公司提出基于MES（生产过程制造执行系统）的综合自动化解决方案，开发相应的工业IT；AspenTech和Honeywell这两家大公司都已不再局限于过程自动化系统与软件领域，而是在其中下层自动化软硬件优势的基础上分别提出了面向企业整体的解决方案，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厂的概念PlanligenceTM。Honeywell的子公司HiSpec Solutions推出面向石油与天然气、制浆造纸、化工、炼油工业的Unified ManufacturingTM Solutions for Business Optimization套件。例如：过程优化是工业过程自动化的核心技术之一，他通过生产装置的安全平稳运行和优化操作使生产计划地实施。为了实现这一目标，首先需获取正确反映生产装置状态的原始生产数据，利用数据校正技术，分析、综合出产品质量、装置能力及状况、能源消耗、故障报警等信息，实现质量监控、故障诊断和安全管理，同时利用流程模拟技术模拟生产装置状况，进行生产作业计划的优化调度，以zui少的能耗、zui高的安全性或zui大的产品效益，确定各个生产装置的负荷并通过静态实时优化向*控制层提供*操作条件。因此，这些大公司已逐步形成了对流程企业综合自动化软件和系统产品的垄断之势，软件及服务价格动辄在几十万到几百万美元，并已开始大规模地向我国国内市场推销。
    非常重要的一点是国外大公司及研究机构已针对综合自动化技术与系统提出了2个重要的概念：一是提出解决方案，二是发展工业信息技术（工业IT）。这对发展我国的综合自动化技术及相应的软硬件产业提供了很好的思路。
    我国经过20年的研究和攻关，在流程工业综合自动化领域已积累了大量的科研成果，特别是在“九五”计划期间，产生了大批具有产业化前景的高技术成果和产品，如集散控制系统（DCS)、现场总线技术、*控制软件、实时优化软件、过程管理与优化软件、企业管理和生产调度系统软件等。已缩短了与*水平的差距，部分成果达到*水平，并广泛应用于国内众多石化、化工、医药、冶金、建材／轻工等流程企业，产生了巨大的经济效益和社会效益。在以信息化带动工业化的进程中发挥了重要的作用。
    但总体而言，我国在流程工业综合自动化技术与系统的研究与产业化过程中同*进技术相比还存在很大的差距，主要体现在技术深度上不够、应用基础研究不够、相关领域技术借用不够、系统化程度不够、集成能力不够、产品化程度不够、产业化能力不强等诸多方面。
    近5年来，通过“九五”科技攻关和863高技术计划CIMS主题的大力支持，在以下几方面取得了重大突破：(1)研制开发成功了集散控制系统（DCS），并实现了产业化，目前在国内*达到35％左右；(2)研制开发成功基于现场总线FF、HART、Profibus等技术的现场设备与控制系统；(3)在以MES为核心的ERP/MES/PCS综合自动化体系结构中，形成了一批MES的功能化模块及软件；(4)研制开发了一批*的控制软件及优化管理技术、方法的软件，并取得了初步的应用；(5)通过“九五”攻关和863计划CIMS主题的支持，已初步建设了一批典型的示范工程，并在相关基础研究方面取得了一系列重要成果。
    国内虽有许多高等院校和科研院所参与开发和攻关，但真正在原创性、产品化和产业化方面取得突破的关键技术还远远满足不了市场的巨大需求。近10年来，许多科研人员参与技术和产品开发并进行创业活动，整体上取得了巨大的成功，拥有了一批具有自主知识产权的技术和产品，并有一定的*，为今后大规模产业化和资产重组奠定了良好的基础。