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專家。中國石化股份有限公司信息系統管理部原副主任，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，清華大學研究生院兼職導師。

    進入21世紀初，人們更關注石油化工行業，關注自動化與信息化技術領域，關注信息化與工業化的融合，關注企業管控一體化。其實，大多數科學技術是按照圖1的模式在發展。企業自動化和信息化也是如此。

                    

                     圖1 企業自動化和信息化的發展模式

    一體化、集成、協同、融合等名詞含義相近。西方講集成，日本和中國講一體化。管控一體化是企業生產經營管理與生產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是一種企業生產組織、管理與運行的新哲理，它借助于計算機硬、軟件系統，綜合運用現代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統工程技術，將企業生產全部過程中有關組織（人）、技術、經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化運行，以實現產品高質、上市快、面本低、服務好(簡稱T.Q.C.S)，從而使企業贏得市場競爭。CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)，計算機集成制造系統便是這種哲理的物理實現。后來，又產生了B2M（business-to-manufacturing integration，full plant-to-enterprise interoperability）等理念、標準及技術。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營管理和過程控制一體化，后來又拓展到管理業務和控制業務一體化；管理流程和控制流程一體化；管理網絡和控制網絡一體化；控制系統內部及其之間的一體化；管理系統內部及其之間的一體化；管理系統和控制系統一體化；企業間多系統一體化，集團多系統一體化；供應連虛擬企業之間的一體化；社會和企業的一體化等。
狹義的管控一體化只是CIMS的一部分，卻是最主要的部分，也是企業推進兩化融合的主要環節、具體體現和重要抓手。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革命的必然發展規律

    人類三次重大的社會變革，即農業革命、工業革命和信息革命。分別將人類從漫長的原始社會帶入農業社會、工業社會和信息社會。農業革命經歷了大約3000年，工業革命大約經歷了300年，信息革命正方興未艾，剛剛開始幾十年。人類正在準備邁上信息社會的高級階段——信息化社會。中國是發展中國家，工業化的使命還沒完成，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史。即由手工業過渡到工場手工業，再由工場手工業發展到現代大工業，盡而實現工業化，及其各個時代相對于舊時的不同層次的現代化。

    工業化的三大技術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特征，即數字化、網絡化和數學模型化。中國工業化既要繼續實現現代工業化的技術特征，機械化、電氣化、自動化外，還要實現數字化、網絡化和數學模型化，即信息化。

    1.1信息化引發傳統工廠邁向現代工廠

    現代工廠有“兩化”很重要。一是自動化，是實現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，即向少人化的目標努力；二是信息化，是實現管理人員大部分腦力和部分體力的延伸，實現管理自動化、機構扁平化、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，即企業控制系統。

                 

                         圖3 企業控制系統

    基于美國儀器儀表學會ISA S95標準的流程工業集成層次如圖4所示。

                  

                 圖4 基于美國儀器儀表學會ISA S95標準的流程工業集成層次

    自動化層次的擴展如圖5所示。

                

                                   圖5 自動化層次的擴展

    控制手段及對應范圍（ Response）如圖6所示。

              

                            圖6 控制手段及對應范圍

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

                     

                       圖7 企業數據流堆棧

    2 過程控制系統（PCS）

    隨著控制系統的標準化、系列化和通用化，規模越發擴展，其集成問題則演化為系統內部一體化，以及外部一體化。

    2.1傳統或狹義的過程控制系統——過程控制系統一體化

               

                         圖8 過程控制技術的延伸

    隨著過程控制技術及其應用的延伸，產生了過程控制系統一體化的問題。

    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（ELICS）、馬達控制系統(Motor Control System，MCS)、智能調節閥（Smart Control Valve）；
    · 計量儀表、罐區計量系統（Tank n Gauging System）、流量檢測裝置（Metering System） 、能源監控系統；
    ·設備狀態測試(Machine Monitoring System, MMS)、預測性維修、壓縮機控制（ Compressor Control）與故障診斷；
    ·新型分析化驗儀器、在線質量儀表；
    ·視頻監控系統、安防系統、門禁系統等；
    ·緊急停車系統（Emergence Shut-Down System, ESD）、安全管理系統（SMS）、火災瓦斯監測系統（Fire and Gas Detection System）等。

    2.1.2 DCS的發展趨勢

   ·系統功能從低層（現場控制層）逐步向高層（監督控制、生產調度管理）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展；
    ·系統構成部件由DCS廠家專有的產品變為開放的市場采購產品；
    ·技術標準逐漸走向開放、統一、集成；
    ·由于開放性推進產品的趨同性，迫使DCS廠商向高層、與生產工藝結合緊密的高級控制功能發展；
    ·數字化向現場儀表裝置延伸，導致DCS體系結構和現場功能數字化、智能化、分散化。

               

                               圖9控制系統的發展軌跡

    2.2 現場總線——過程控制系統一體化的主要技術基礎

    現場總線（Field Bus）技術在20世紀70年代末出現，90年代成為熱點和從模擬儀表到數字計算機的現場信號傳輸標準，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場化。形成了全數字化（變量單元和執行單元）、信息化和集成化的新一代DCS。現場總線技術將使現在的模擬與數字混合的分散控制系統（DCS）更新換代為全數字式的徹底分散的現場總線控制系統（FCS），真正做到危險分散、控制分散、信息集中和監控集中。

    先進控制——管控一體化的技術橋梁
    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的效果如圖11所示。

               

                        圖11a 改進后的先進控制系統的效果

              

                       圖11b 改進后的先進控制系統的效果

    工廠優化控制的集成層次及APC、OPT的地位如圖12所示。

              

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

    因此，形成了控制系統向現代控制系統的擴展。如圖13所示。

              

                       圖13 控制系統的層次關系

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

    企業生產經營體系模型如圖14所示。 

                 

                       圖14 企業生產經營體系模型

    企業整體追求的是企業效益，依據是企業投入產出模型（INPUT-OUTPUT MODEL），如圖15所示。

                 

                        圖15 企業投入產出模型

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

                

                圖16 流程工業的 REPAC 模型和集成信息系統對照

    3.1 ERP——經營管理一體化

    計劃決策層以ERP&SCM為代表，其發展領域為：
    ·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；
    ·戰略設計與模擬；
    ·SOX審計系統；
    ·競爭情報系統；

    3.2 MES——B2M一體化

    除制造執行的11個基本功能外，主要發展領域還有：
    ·傳統先進控制（APC）——計算變量控制、解耦控制、自適應控制、統計控制等；
    ·多變量預估控制（MPC）；
    ·實時優化控制（RTO）；
    ·設備資產管理；
    ·實時數據庫；
    ·流程模擬；
    ·質量管理，LIMS；
    ·計劃排產與調度、罐區管理及油品調和；
    ·料平衡/能源信息系統（EIS）；
    ·成本預算和分析；
    ·KPI統計分析 ； 
    ·構造成集成、實時、智能的以MES為核心的生產調度指揮中心。

    同樣，MES既然承擔B2M集成的重要功能，自然要求其具備Open MES（內部模塊之間的開放），OPEN IT架構（外部系統之間的開放）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應該簡略歸納為：計劃制定執行與調度（主要面向計劃統計與調度部門）；生產運行與操作（主要面向生產與技術部門）；生產監督與保障（主要面向設備、質量、安全、環保部門）。

    3.3 工廠三維可視化——設計、建設、生產、運維一體化

    主要是面向產品生命周期，工廠生命周期。

    3.4 過程模擬——工藝過程模擬與優化一體化

    國外的模擬優化技術，已經相當普及。不僅用于生產過程，而且用于公用工程；不僅有穩態模擬，而且有動態模擬；不僅有離線優化，而且有在線、實時、閉環優化；不僅有獨立的優化，還有一體化優化。不僅有單廠的優化，還有多廠的優化。

    3.5 能源監控——生產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節能管理循環及其相關技術和整體解決方案。

    3.6 HSE——生產運行與HSE管理一體化

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

    西門子公司為企業提供了XHQ信息化全面集成解決方案，構架以生產運營調度指揮中心為代表的企業級集成系統，為管控一體化解決了最實質性的技術難題。 如圖17所示。

               

              圖17 以生產運營調度指揮中心為代表的企業級集成系統

    3.8 實時生產績效管理——管控一體化的業務目標

    所謂績效就是做事的結果，當然都希望結果是好的，即功業、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、工作的結果。干好干壞需要有比較基準和衡量指標，而且基準指標又太多，抓住主要的即關鍵，因此就又有關鍵績效指標（Key Performance Indicators，KPI）一詞。

    3.8.1 績效管理的實時動態化

    從21世紀初，國外公司提出了企業控制系統（ECS, Enterprise Control Systems）、工廠到商務之間的協同能力(Plant-to-Business (P2B) Interoperability )、協同制造（Collaborative Manufacturing）、企業制造智能（Enterprise Manufacture Intelligence ，EMI）、企業運行智能（Enterprise Operation Intelligence ，EMI）、商務智能應用（financial or business intelligence (BI) applications）、實時制造環境（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（Manufacturing Performance Service, MPS，見圖2）、卓越制造戰略(Strategies for Manufacturing Excellence)、新一代企業總部（XHQ，neXt generation HeadQuarters）、新一代制造（Next Generation Manufacturing）等概念，其核心是提高企業總體運行性能或績效，其特點是績效性能管理的實時動態化，其技術基礎則是工廠自動化與信息化的融合、銜接和集成。

    3.8.2 從靜態供應連到動態供應鏈

    早期的SCM只是著眼于供應鏈內部的計劃優化，但是違背計劃的事件經常發生。因此認為更要關注供應鏈的過程及其優化，而且由企業內部擴展到企業外部的供應鏈。這就是協同制造管理（Collaborative Manufacturing Management, CMM）。CMM即SCM與SCPM的綜合。供應鏈過程管理（Supply Chain Process Management , SCPM）的實質是根據供應鏈運行參考模型（SCOR，Supply Chain Operation Reference )中涉及的13項財務指標，建立供應鏈過程模型和財務模型，供應鏈過程的變革成果或者說企業的績效反映到財務諸表，財務成果又可以對供應鏈過程進行評價。

    3.8.3 從事后績效統計到實時績效管理

    實時績效管理是指對制造企業主要業務和制造過程進行管理，以達到最佳績效的經營目的。為了實現RPM，決策支持過程業務優化，業務績效管理對于提高績效不可或缺。特別是整個供應鏈的可視化、迅速進行正確決策，占據了計劃體系中的很大比例。CMM實現的關鍵是實時績效管理（RPM）。實現實時績效管理的主要技術是業務過程的實時管理、會計的實時化，以及收益的實時模擬等，構成了廣義的SCM。 

    3.8.4 從績效、關鍵績效（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，隨之而來的則是關鍵績效指標的維度擴展、層次擴展、業務領域擴展、時間段的范圍擴展。這就形成了多維的企業級的制造全過程、全方位的績效管理；
    二是精細化管理則要求將管理粒度縮小、細化、深化。也就是說，集約化要求向宏觀延伸，精細化要求向微觀延伸。 

                  

                圖18 實時制造績效管理（RT-MPM）實現技術架構

    3.9共享服務中心（Shared Services Centre，SSC）——企業組織架構一體化

    企業運營一體化離不開企業組織架構重組和業務流程重組，其中一個流行趨勢是業務服務共享，其模式是共享服務中心及其支撐技術。

    4 結語

    先進的國內外企業正在沿著集成的技術路線進步。如圖19所示。構成了企業新一代自動化系統，協同與集成，即管控一體化。并創造了新的模式，向更高級發展。

                 

                 圖19 企業集成技術進步路線圖