第５７卷 第２期２０２１年３月
石 油 化 工 自 动 化
ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＩＮＰＥＴＲＯ ＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ
Ｖｏｌ．５７，Ｎｏ．２
Ｍａｒ，２０２１
收到稿件日期：２０２０１１０２，修改稿收到日期：２０２０１２２０。
作者简介：徐博文（１９８８—），男，北京人，２０１１年毕业于北京化工
大学自动化专业，获学士学位，现就职于中国昆仑工程有限公司，
从事石油化工自动化设计工作，同时攻读清华大学自动化系工程
管理硕士，任工程师。
石油化工行业制造执行系统发展趋势浅析
徐博文
（中国昆仑工程有限公司，北京１０００３７）
摘要：梳理了制造执行系统（ＭＥＳ）在石油化工行业的发展历程，重点介绍了在工业４．０背景下石油化工行业对于生产执行层面的控制需求。并以此为出发点，分析了当前国内外ＭＥＳ的研究和应用成果，介绍了人工智能、工业物联网、信息物理系统（ＣＰＳ）等新兴技术，结合对石化产业的理解和经验，探讨了未来石油化工领域ＭＥＳ的发展方向，分析了ＭＥＳ在石油化工行业的应用特点，肯定了ＭＥＳ在未来流程行业的发展前景。
关键词：制造执行系统；石化行业；工业４．０；信息物理系统；智慧化工厂
中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７７３２４（２０２１）０２０８０５
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ＸｕＢｏｗｅｎ
任何时候（ＣｈｉｎａＫｕｎｌｕｎＣｏｎｔｒａｃｔｉｎｇ＆ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００３７，Ｃｈｉｎａ）
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制造执行系统ＭＥＳ（ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｅｘｅｃｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ）概念最早由美国先进制造研究中心（ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｃ．）提出。制造执行系统协会（ＭＥＳＡ）于１９９７年提出了ＭＥＳ功能组件和集成模型［１］。ＭＥＳ用于链接企业资源计划系统层（ＥＲＰ）和过程控制操作系统层（ＰＣＳ），解决了企业管理与车间生产中间的生产管理、数据监测、决策实施等问题，在企业信息化建设中起到承上启下的作用［２］。
石油化工属于典型的流程工业体系，由于行业生产特性，在２０世纪就采用了分散控制系统（ＤＣＳ）、可编程逻辑控制器（ＰＬＣ）等控制系统用于装置生产，拥有较好的数据基础。经过多年的发展，行业主要企业（如ＢＰ，埃克森美孚，壳牌）已经在实际生产中实现了大部分的ＭＥＳ功能。中国石化也在国家“８６３”计划的支持下于２００３年研发推出了国内首款ＭＥＳ：ＳＭＥＳ［３］，部分解决了企业管理与车间生产间的信息孤岛和环链缺失问题。
近年来，随着工业４．０、中国制造“２０２５”等第四代工业技术战略的兴起［４］，人工智能ＡＩ
（ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）、智慧化工厂（ｓｍａｒｔｆａｃｔｏｒｉｅｓ）［５］、工业物联网ＩＩＯＴ（ｉｎｄｕｓｔｒｙｉｎｔｅｒｎｅｔｏｆｔｈｉｎｇｓ）、信息物理系统ＣＰＳ（ｃｙｂｅｒ ｐｈｙｓｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓ）［６］等新兴技术与概念已经逐渐由概念变为现实。石油化工等流程工业企业在变革的背景下也面临着日益激烈的商业竞争、社会以及环境的挑战，传统的生产执行层ＭＥＳ已经不能够满足企业的需求，必须在概念和技术层
面上进行升级、补充或者重构。
本文将重点关注国内外ＭＥＳ或生产执行层相关概念和技术的最新的发展趋势，重点研究石油化工这个特定流程行业。将在第一章对当前石油化工行业生产执行层面的需求和挑战进行分析，梳理出主要的功能需求；第二章将针对第一章的研究，借鉴最新的国内外研究与应用进展，提出较为先进的ＭＥＳ功能和架构；第三章将论述ＭＥＳ在石油化工行业应用特点，提出ＭＥＳ在石油化工行业升级发展所面临的瓶颈；第四章进行总结并提出对未来发展的一些思考。
福州sat培训１ 制造执行系统发展需求
２００３年，ＩＳＯ和ＩＥＣ联合采用ＩＳＡＳＰ９５标准，发布了ＩＳＯ／ＩＥＣ６２２６４企业控制系统集成国际标准，为企业信息化系统以及制造执行系统的设计、集成提供了依据。中国也根据该国际标准发布了ＧＢ／Ｔ２０７２０—２０１９《企业控制系统集成》标准［７］。２０１２年，
工业和信息化部编制第一批行业标准，其中包括《制造执行系统（ＭＥＳ）规范》，后又在此基础上，编制了适用于石油化工行业的制造执行系统功能标准，既ＳＪ／Ｔ１１６６６．１５—２０１６《制造执行系统（ＭＥＳ）规范：第１５部分：化工行业制造执行系统软件功能》。
根据ＳＪ／Ｔ１１６６６．１５—２０１６对ＭＥＳ软件功能的定义，包括计划排产、生产调度、工艺管理、操作管理、物料管理、能源管理、生产统计、设备管理、质量管理和绩效管理等１０个基础模块。按照规范对上述功能的定义，ＭＥＳ基本实现了内部数据整合，包括生产数据通过各通信协议的调入，人员、原材料等生产要素和质量化验的记录，以及对设计图纸和生产经验的收集。同时通过数学规划、调度算法等基础手段，具备了部分重要控制的优化能力，包括排产优化，工艺参数优化，人员车辆调配，能源优化等功能。ＭＥＳ与上层系统之间具备了报表上报，ＫＰＩ指标监控和数据调用能力，但由于石化生产安全性的原因，并没有定义上层系统对ＭＥＳ层的控制要求，因此在规范中对上层的功能定义仅为展示层。综上所述，在石油化工生产领域，当前ＭＥＳ的功能只局限于生产内部管理，优化能力仅局限于部分模块，ＭＥＳ各功能间还没有形成智能化关联。通过ＭＥＳ的管理模式更多是对人的决策进行辅助，为人员管理提供便利，并不具备对外部环境变化的自动调节能力，包括原材料、用户定制、市场变化、能源稳定性、环保等因素。
随着美国先进制造伙伴计划（ＡＭＰ，２０１１年），德国工业４．０计划（Ｉｎｄｕｓｔｒｙ４．０，２０１３年）和中国制造“２０２５”计划（２０１５年）的发布，ＭＥＳ的定义也面临调整和升
级［８］。新时期技术变革的实质是建立一种新的服务生产模式，用于服务用户的个性化和数字化需求。既由原来的生产什么客户买什么，转变为客户拥有一定的设计能力和范围，指导工厂生产自己想要的产品。对于生产企业而言，实现上述目标需要对现有设备及生产模式进行大量的改造升级，以适应新时期的要求。ＭＥＳ的升级和增强势在必行，对于石油化工行业而言，要想保持竞争实力，首先要调整生产理念，由以工厂为主的市场模式转变为部分以客户为主体的服务型模式。针对这个趋势，本文总结出了以下几个石油化工行业发展所面临的挑战和发展思路：１）高附加值、高收益的小批量定制化产品成为企业新的增长点。当前，中国的石油化工产品分布仍然以传统石油产品为主，上游、中游产品占据主要产品结构。随着近年来国家对消费升级的大力部署以及对产业链的完善，精细化工产品的发展已经成为未来国内外主要发展趋势。目前中国化工产业总体精细化率已经提升至４５％，种类大概为２万种。但与西方发达国家近７０％精细化率和１０万种精细化产品相比还有很大差距。中国化工学会精细化工专业委员会提出精细化工行业的升级路线：２０２５年精细化工率要提高到５５％；２０２５—２０３０年目标成为精细化工强国［９］。
成为精细化工强国，意味着企业生产需转向高附加值、高收益、小批量、定制化的产品生产体系，需要石化企业必须由粗放型生产管理模式转向精细化管理模式。这就需要企业在商业模式、用户体验、生产灵活性、生产管理模式、智能监测设备、智能优化算法、质量管理等多维度进行重构或升级，这些对于推动ＭＥＳ的发展起到了很好的促进作用。
２）全球供应链市场稳定性及不确定性发生变化。对于传统石油化工产业而言，原油、能源、中上游产品的来源基本稳定，企业生产装置基本按照固定原料产品进行设计、生产。但随着市场企业竞争加剧、全球国际关系变化，地区热点问题频发，固有的能源、原材料供应体系可能随时出现变化。同时，传统煤电、油气能源所构成的能源供应结构也在部分向非化石能源结构转移，如风能、核能、地热能、氢能源等，这些不确定性对石化工厂生产工艺、产品质量、能源消耗、设备损耗都带来了不小的挑战。因此，需要新型的工厂生产管理系统来适应这种挑战，在变量发生变化时，能够及时感知、报告、处理，并调整生产工艺、工艺参数、
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第２期徐博文．石油化工行业制造执行系统发展趋势浅析
排产规模、货运物流等产品全周期流程。３）日益增长的安全环保要求。对于国家、社会、公众而言，石油化工安全生产、污染排放已经日益成为重点关注的热点问题。近几十年来，为了应对石油化工安全生产及环境保护问题，各国也陆续提出了一系列指导体系：１９８９年，壳牌石油公司颁发了职业健康管理导则（ＯＨＵＧ），并发布了健康、安全和环境ＨＳＥ（ｈｅａｌｔｈ，ｓａｆｅｔｙ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）方针指南，如今，ＨＳＥ体系已经成为国内外石油天然气勘探、开发、生产领域公认的职业安全卫生体系；由２０世纪６０年代英国帝国化学工业公司（ＩＣＩ）蒙德
分部提出来以引导词为核心的系统危险分析方法，后来逐渐发展成由危险与可操作性分析（ＨＡＺＯＰ），保护层分析（ＬＯＰＡ），安全完整性等级（ＳＩＬ）组成的化工装置危险与操作性分析体系。上述安全生产体系已经在石油化工行业得到了广泛应用，但是总体来说，从制定、培训、执行、考核等方面依然依靠人工进行，特别是检验和考核环节，人的因素决定了体系的成功与否。对于石化企业生产而言，杜绝生产安全事故是重中之重，因此将一系列生产安全体系引入ＭＥＳ，由机器对执行情况进行监控，是未来的发展趋势。同时，将各类安全分析的成果输入ＭＥＳ的执行环节，从本质上杜绝错误操作的发生，也是未来需要考虑的模式。４）生产成本及节能减排驱动。对于石油化工企业而言，高效的规模化生产、精细化管理、精准的能耗管理能够帮助企业获得市场认可、定价权，从而控制市场。从世界角度而言，中国化工产能逐年快速增长，对世界化工产能结构造成了冲击；从资本结构角度，以中国国内生产环境为例，民营股份制化工企业依托几十年来在纺织化纤领域获取的高额利润，开始进军原油进口和上游炼化产业，通过高效的建设和生产能力，大幅压低市场产品价格，从而对原本以中石油、中石化为主体的上游企业造成较大冲击。因此，对于市场参与者而言，控制成本、节能减排是生产管理层面最需关注的问题。在ＭＥＳ中引入智能感知、人工智能、大数据分析、智能预测、虚拟建模等手段，可以为现有ＭＥＳ增强智能优化功能，从而最大化节省生产成本，降低能耗。
有观点认为，最好的ＭＥＳ设计方式是确定以用户需求为首要目的的商业目标，再围绕实现该目标进
行回溯，设计出更适合的ＭＥＳ［１０］。对于石油化工行业来说，建立一套ＭＥＳ，成本占比最大的不是ＭＥＳ软件和硬件本身，而是工厂生产管理体系为了匹配ＭＥＳ所作出的改变。因此在ＭＥＳ搭建之初，分析特定行业用户需求是至关重要的。通过以上分析，定义了ＭＥＳ在石油化工领域发展的方向和目标，为ＭＥＳ未来的功能定义提供基础支持。在后面的章节将围绕上述目标方向，结合近年来国内外理论应用研究，构建出一套合理的ＭＥＳ功能架构。
２ 制造执行系统功能发展
针对上述对ＭＥＳ未来需求的分析，结合国际发展趋势，对新时期面向石油化工等典型流程行业的ＭＥＳ架构和功能的发展进行研究和思考，意在以此为基础提出较适合未来发展的ＭＥＳ架构。未来ＭＥＳ应具备和加强以下功能：
１）更加完善的企业数据和知识库平台。ＭＥＳ企业和知识数据库［１１］建设是未来系统发展的基础，知识数据库应包括工艺模型、自动控制模型、设备数据、产品数据库、ＨＳＥ及安全模型、快速反应卡、优化策略、人员数据及供应链数据等，需要设计院、供货商、运营工厂、ＭＥＳ厂家、控制系统厂家等通力配合。ＭＥＳ知识数据库是实现用户定制生产、设备动态监测、生产优化、能耗管理、安全管理、人工管理、内部物流管理的基础。ＭＥＳ知识数据库体系如图１所示。
lindex图１ ＭＥＳ知识数据库体系示意２）完善的工艺和物料平衡模型［１２］。传统石化企业的ＭＥＳ
在工艺操作、设备维护、人员管理、供应链保障方面更多的是由机器来辅助人的决策，机器自主决策及优化环节的执行能力和权限比较薄弱。未来的工厂需求决定了ＭＥＳ应具备自主的智能优化调度、工艺生产控制、设备故障预测等能力。但当机器具有很高的决策和执行权限时，必须保障企业生产安全，这时就需要与实体工厂同步建立虚拟模拟环境，对所有决策进行快速仿真模拟，并制定接受规则，提升企业生产安全等级。tcf
虚拟模拟环境的建立是先进ＭＥＳ的重要体现，建立虚拟模拟环境需要执行方根据工艺包模型，物料平衡模型等知识体系构建虚拟仿真平台，
０１石油化工自动化第５７卷
并嵌入ＭＥＳ。虚拟仿真平台与实体功能完全一致，可实时同步接收实时数据对瞬时值进行校正，运用人工智能技术动态修正虚拟模型，使其与真实实体的运行效果保持趋近。
虚拟模拟环境的建立，可以方便企业进行生产调度、差异化生产、故障检测、异常报警、人员培训、优化检验模拟等工作，可以极大提升企业的运行、管理能力和效率。
３）具备与智能设计模块连接的能力。智能制造的上游环节就是智能设计，对于石油化工类流程行业来说，智能设计也是未来的发展方向，石化企业要面向小批量、高附加值的精细化工模式发展，就要
具备灵活的生产调整能力。这种能力受到两种因素的影响：首先是基础设施，传统的规模化化工企业生产装置多且只具备量产和有限的工艺调整能力，对出产产品的种类有很大的限制；其次，如果未来石化企业向着多样化精细化工发展，就要构造自己的智能设计体系。成功构建智能化设计体系，可以反过来对基础设施的建设进行指导，从硬件、软件两个层面来实现个性化生产能力，扩大生产种类和灵活性，为有特殊需求的客户提供服务。因此对于ＭＥＳ发展而言，需要适应和满足智能设计模块体系的要求，以能够根据职能设计模块来进行生产排产和调整。
４）完善智能生产、优化功能。化工生产操作主要以ＤＣＳ为主体，ＭＥＳ的计划排产功能目前主要是给出计划方案，主体操作还是依靠人工向ＤＣＳ下达命令，包括开车操作、停车操作、增产、减产、排废、冲洗，设备检测、热冷循环测试等操作。优化操作主要是在ＤＣＳ外安装特定上位机，与ＤＣＳ进行通信控制。未来的ＭＥＳ功能应该能够完成按照决策分析结果对ＤＣＳ下达上述命令，同时内嵌优化控制模块，如先进控制算法（ＡＰＣ），实时优化算法（ＲＴＯ）等。
５）成为新技术革命下智慧工厂体系成员。流程工业智能工厂应具备实时自动监测、计算、预测、报警和处理能力，这与工业４．０方案核心内容信息物理系统ＣＰＳ（ｃｙｂｅｒｐｈｙｓｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ）［７，１１１２］概念一致，ＣＰＳ作为智慧化工厂的基础，可以为工厂全要素仿真计算提供支持，涵盖工厂运营中的工艺模型、物料、设备、装置、物流和供应链等，通过创造出虚拟工厂为现实管理提供服务，并运用模型驱动技术，对工程全流程进行建模，包括计划排产、产品设计、
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工厂运营等。ＣＰＳ是构建虚拟化工厂的系统基础，ＣＰＳ的核心５Ｃ金字塔结构［１２］，包括感知层（ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）、数据转换层（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）、网络层（ｃｙｂｅｒ）、认知层（ｃｏｇｎｉｔｉｏｎ）和最终的配置层（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）。目标是在配置层达到自知（ｓｅｌｆ ａｗａｒｅｎｅｓｓ）、自校（ｓｅｌｆ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ）和自愈（ｓｅｌｆ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ）。根据５Ｃ结构结合化工类流程企业生产实际，用于流程工业体的ＣＰＳ的５Ｃ模型构建如图２所示。
图２ 用于流程工业体的ＣＰＳ的５Ｃ模型构建示意１１
第２期徐博文．石油化工行业制造执行系统发展趋势浅析
bulge ＭＥＳ的未来发展必须能够使自身融合于信息物理体系中，成为其基本组成部分，这样ＭＥＳ才能适应新技术革命体系，获得更好的应用和发展。６）预制安全保护机制。现代化工装置在可研、设计、运行阶段均设置完善的安全评估体系，包括ＨＡＺＯＰ分析、ＬＯＰＡ分析、ＳＩＬ定级，并设置独立的安全仪表系统（ＳＩＳ）。但在实际生产运行中，ＳＩＳ一旦触发，就意味着整个生产装置会部分或者整体停车，这对于强调连续生产的化工企业来说损失是巨大的。因此在安全联锁机制触发之前，需要ＭＥＳ能够提前预测出故障趋势，从而在故障发生之前进行响应操作，以避免联锁触发造成停车的损失。
上述目标主要通过将工艺模型、联锁回路信息、ＨＡＺＯＰ分析等基础数据导入知识数据库体系，再通过实时数据监测记录联锁触发事故前的操作参数，使用神经网络、支持向量机等智能算法建立预测模型，从而能够在未来的生产中做到提前预测，提前处理。
３ 制造执行系统在石油化工行业发展分析
经过多年的发展，ＭＥＳ已经在石油化工行业得到了很好的应用。作为典型的流程行业，石油化工行业在ＭＥＳ应用中存在如下特点：１）石油化工行业在早期已经采用ＤＣＳ控制生产，ＤＣＳ本身就包括了部分ＭＥＳ的功能，比如控制、计划、报警、智能优化等功能。相比主要设备采用ＰＬＣ等系统进行控制的其他行业，设备间在早期缺乏网络连接，所以在发展中就需要ＭＥＳ对体系进行连接、优化。
２）从装置特性考虑，石油化工行业属于连续流程制造业，在装置设计之初就决定了装置的产品范围，一般情况下差异生产的装置种类较少，多数属于专用类别生产装置。而其他行业设备本身种类繁多，通过组合就可以灵活调整产品种类，因此更需要ＭＥＳ来进行计划、排产、调度等工作。３）从安全性角度来说，石油化工行业属于高危险性行业，对操作安全性的要求极高，因此在重要操作环节更相信人的直接干预，产业还没有做好用系统来调整工艺的准备。试错成本较高，对ＭＥＳ的推陈出新，快速发展相对谨慎。
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４）从成本分析的角度来说，石油化工装置进行生产优化的方式选择较多，比如通过ＤＣＳ编程算法实现，也可以通过专业优化软件与控制系统连接来完成目标，如ＡＳＰＥＮ或者Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ的专业软件系统。
综合上述分析，ＭＥＳ在化工行业的应用还是任重道远，但相信随着产业格局的变化，差异化生产的提升，ＭＥＳ在化工领域的广泛推广只是时间问题。４ 结束语
本文通过对ＭＥＳ在石油化工行业的应用现状进行描述，分析了未来石油化工行业所面临的挑战和机遇，从而指出了ＭＥＳ在石化行业的发展方向。成功的ＭＥＳ设计是企业构建高效、稳定、灵活、环保、安全的智慧化工厂的基础，未来随着第四代工业技术革命的推进，ＭＥＳ的功能会愈加成熟，也会满足客户更多的需求。
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２１石油化工自动化第５７卷
