化工定制化产品多批次智能化生产运行技术研究

马孟模

（浙江中控软件技术有限公司 浙江省杭州市 310053）

化工产业在国民经济各个行业发展中发挥着重要作用，有效支撑着国民经济的发展；伴随产业技术及应用的发展，化工定制化产品逐渐成为新的市场增长点，给各行各业提供产品及资源支持，满足不同类型的产品需求，保证服务配套支持。但化工产品的多样化与定制化对于生产的标准化和高效化提出了挑战，由于产品为定制化，难以满足传统的标准化生产，对于生产的柔性提出了更高的要求，需要结合多批次生产、多品种批量生产方式对传统生产工艺及生产技术进行优化改进，以满足定制化化工产品的生产需求。化工定制化产品多批次生产技术是一项系统化的工程，包含了物料采购、计划安排、计划排产、仓储物流等一系列项目，需要从系统架构、生产技术支持、工艺改进、网络集成架构、数据采集及系统安全建设等方面综合考量系统的优化与改进，通过及时调整生产工艺，实现弹性化生产，实现现代化定制化工品柔性生产管理与控制，满足市场应用的需求。

1 技术背景

定制化化工产业广泛服务于石油化工行业、农业纺织业以及建筑业、食品工业、电子设备等诸多行业，已成为我国经济产业发展的重要支柱，并逐步惠及主要的制造业领域如建筑食品、化工品生产等。在行业发展方面，定制化化工产品作为流程性行业，主要通过原材料整合、物理/化学方法处理使得原材料获得增值。近年来，精细化化工产业也得到快速发展，生产方式多为批量性生产，伴随对此产业链日益增长的需求，精细化产业链、定制化链建设逐步成为推动行业发展的重要举措，有利于促进行业互利互惠，推进产业聚集，形成良性的产业发展环境。然而，也存在着资源利用率较低等问题。

从发展进程讲，精细化工产业包含了传统化工产业及新兴化工产业两个范畴，其中以农药、燃料等为代表的传统精细化工行业，具有较高的污染性，通过强化监督管理，推动技术创新以降低污染性等举措，不断推进传统精细化工行业绿色、健康发展；另一方面，新兴精细化工产业依托于传统化工产业发展成果，通过技术及工艺创新不断拓展产业领域，如感光材料、香料等化合物或者混合物。

从产业发展来看，部分企业基于自动化水平提升的需求引入了APC 系统优化工艺控制方法，然而仍存在着报表统计复杂等问题，因此如何生成批次性报告是目前亟待解决的重要行业痛点。需基于大数据分析，寻找影响质量的因素。目前行业面临的其他挑战还包括了环保压力、成本压力、市场生存和竞争压力等方面，在产品同质化及资源利用率日趋的今天，如何克服此类问题将是对产业创新升级的重要考验。在目前震荡发展期，提升产品用户粘性及质量可靠性将是推动产业发展的重要策略。

伴随精细发展战略的实施，行业也面临提升和迭代，未来一段时间内的发展方向将以定制化、专业化为主，将信息化、网络化与工业生产进行深度融合，以不断提高生产效率及资源利用率，减少产品生产过程的浪费及损耗，提升技术创新实力及市场核心竞争力。

2 系统解决方案设计

基于上述行业的发展背景，我们有必要开展化工定制化产品多批次生产工艺的生产运行技术解决方案设计，通过实践论证，该方案主要涵盖了生产建模端、产业处理端及查询探索端三大主要模块，具体来说，分别对工厂及工艺建模、信息分析及传输、数据解码、问题分析报表等进行方案建设。

2.1 系统架构设计

所设计的系统架构如图1所示，包括了PCS 端、MES 端、ERP 信息端等，经工业通讯接口保证信息传输的高效性和实时性，其中，MES 系统模块包括了生产系统、基础平台建设，并能实现高效的信息采集；信息采集源包括了生产过程设备和工艺实时运行监控数据，基础平台模块基于数据分析实现用户管理、权限分配、工程建模、业务模型建立及数据转储等功能；生产系统可依据数据解码、分析传输进行生产批次管理、工艺统计分析、报警管理，生成生产报表及核算报表，并依据工艺路线开展生产调度、工艺管理及工艺路线管理，保证工艺活动开展的有序性。ERP 模块集成了ERP 系统及OA 系统，反映出该行业的经营计划，并推动任务有序达成。

图1：系统架构图示

同时，针对配置批次分析功能的管理系统，还可实现工艺统计、质量管理、检验管理等功能，依托于工厂工艺架构及物流途径建立工厂模型，依托于组分模型、工艺路线、活动集合、批次位号等建立工艺模型，可实现调度管理、异常日志管理、异常信号解析及处理等业务处理功能，根据生产批次、工序批次、活动记录、备料记录、暂存记录、物流记录、采样记录及产耗记录等完成高效的查询分析，和批控系统联动，实现批次化自动生产，过程生产自动报表生成，极大地提升产业实施的自动化及精细化管理水平。

2.2 批次识别分析系统

（1）生产批次识别及生产过程还原。对生产线抽象分解后开展生产工艺建模，自动采集及记录各生产设备的运行数据及运行状态，包括反应釜的工艺参数及改造点等参数，基于模型数字化剖析对批次化生产状态进行识别，并对生产数据进行分析，可自动生成工序列表和活动记录等的批次报告，并可导出投入产出单耗等数据，以便于运维人员实时把握和了解每批成品生产过程。

（2）提供数据和效率支撑，服务于工艺分析。基于预设的工艺指标和工艺标准，系统自动判定物料的超限情况，生成物料利用周期报告，并自动发出超期预警，结合批次报告还原当时现场的操作，对于工艺控制关键点，如格氏釜温度、压力、压力等，开展批次性工艺分析，并结合生产大数据分析实现工艺操作优化。

（3）降低原始数据处理工作量，提升工作效率。配置原始数据记录及分析工具，即现场需求、斯迈特报表设计器、数据库等功能模块，大大提升了运行数据监管的可靠性、完整性和可追溯性，生产原始记录自动化也提升了生产作业各版块的作业效率。

2.3 技术架构

生产控制系统控制层包括DCS 和底层设备，执行层包括生产批次控制管理的BATCH 系统以及生产管理协同系统，生产数据实现自动化采集、分析，实现各系统间高效信息交互。系统基于微服务化平台架构开发，应用了J2EE技术架构、跨多数据库、AJAX 技术等，整体技术架构见图2，包括系统架构层、平台技术框架层、业务框架层以及业务应用层。

图2：系统技术架构图

2.4 网络架构

基于OPC/MODBUS 协议创建了系统网络架构，配置安全防护工具保证数据采集的准确性和安全性，配置了Mis Gate 和防火墙双重保护，在实现高效数据采集分析的同时，对生产控制与管理层的数据进行有效隔离，保证了数据和现场设备控制的安全性。同时，为保证生产数据的完整性，利用冗余的方式搭建数据库平台，并支持通过外网以及手机端访问生产管理数据。包括了过程控制网、数据采集网、生产管理网、办公网等，其中，过程控制网用于生产运营管理，数据采集网配置了操作员、工程师、采集组等多个管理权限，生产管理网配置MISGATE 服务器及MES 服务器，用于对实时生产数据的管理及历史生产数据的查询，办公网兼用于调度管理及质量管理，并可通过VPN 远程访问。

2.5 集成架构

为实现信息交互与共享，开展信息化集成架构建设，基于信息属性对信息进行分类如下：公共数据、共享数据及专有数据，公共数据为企业核心数据，数据子类型包括核心主数据及公共代码等，组织机构、人员设备等，公共代码包括行业代码及区域等；共享数据即需要与其他系统或用户共享的数据，如能源管理与成本核算系统中的信息数据，数据子类型包括指标、计算指标所需的基础数据、跨系统交换数据等，如成本、产量、能耗、编号、利润率等；专有数据即为满足特定业务类型所需要的数据，不与其他系统共享，专有代码（用户日志）、系统运维专有数据等（生产实时数据、日志、知识信息等）。

通过对信息数据进行分类，确保OA 系统、ERP 系统、各大管理系统间信息交互的精准及安全可靠性。此外，配置了XML 技术实现静态信息跨平台交换，保证生产过程信息的集成性。信息化集成架构图如图3所示。

图3：信息化集成架构图

2.6 数据采集方案

就数据采集方式来看，该方案配置了DCS 系统化数据采集及智能仪表数据采集等方式，其中在DCS 系统数据采

集方面，是基于标准数据通讯协议，通过数据采集网关（减小操作站负荷）实现实时数据库服务器和DCS 系统的连接；充分发挥网关的隔离控制作用，结合Mis Gate，保证数据传输的安全性。DCS 控制站经控制网与DCS 操作站、数据采集网管、光纤收发器、交换机等设备间实现高效的数据交互，保证控制系统的运行安全性与高效性。智能仪表数据采集基于Modbus 协议，通过485 接口网络连接到数据采集网关机。此外，系统还配置了SCADA 系统来实现PLC 数据采集，并往实时数据库系统中存储。

2.7 系统安全方案

作为系统网络架构的核心，网络操作系统的安全性直接影响到整个控制管理系统安全性，网络操作系统基于多用户、多结构方式建立，实现对系统共享资源的管理。用户访问格式为ACL（访问控制），正确的权限。系统安全使用中，基于集成的用户验证和授权服务器和WebService 实现统一的用户验证与授权，可支持B2B 的企业应用集成，其系统架构图见图4，包括用户数据库、统一验证和授权服务器，并通过HTTP SOAP 实现高效安全的信息交互。

图4：网络系统层系统架构

此外，对于数据备份的安全设计管理，采用联机磁盘冗余备份、数据库自动备份，并可实现断点续传，保证数据可恢复性，适用于精细化化工多品种、小批量、多生产订单的需求。

2.8 多批次生产方案

该方案包括工厂模型、配方管理、计划排产、工单管理、生产备料、质量管理、批量控制、批次分析等部分。

2.8.1 工厂模型

建立全面的数字化工厂，将数据与设备、产品等进行关联，配置生产流程及产品的生产过程，实时反映生产的实时运行情况，包括了MES 系统、ERP 系统、批控系统等，其中MES 系统描述了生产物料的实时传递过程以及生产作业的动态管理，MES 系统与ERP 系统间实现高效的信息交互。

2.8.2 配方管理

通过对定制化过程的配方内容进行结构化数字化处理，保证将原料根据配方要求实现精细化自动投料，提高企业整体生产效率和竞争力。配方管理包括产品物料配方、操作步骤、设备运行参数、配方权限等信息，并可对定制化产品生命周期进行优化管理。在MES 系统中定义原料配比和人工投料清单，并进一步指出所投的物料及其顺序执行过程，通过接口自动生成批量控制系统的主配方。

2.8.3 计划排产

将车间产能和资源良好匹配，实现制造工单的同步。其中，工单管理环节可实现对生产过程的全程跟踪，并同步收集现场质量检验数据。批量控制控系统依次执行phase，包括自动操作方案、人工投料方案、粉料投料和检验方案批控生成操作记录（自动投料），同步给MES 系统，MES 系统接过控制权并发送消息给相应工位的PDA，向DCS 系统发送投料指令，品管采样并将样品编号输入PDA 系统，批量控制系统将状态和产量同步给MES 系统。

2.8.4 生产备料

车间根据生产指令进行备料准备工作，分人工备料、助剂备料、粉料备料，向物流部、自动投料系统发送通知，备料物品送至工位后，操作工在PDA 上签收，MES 系统向粉料系统发送指令，生成备料记录。

2.8.5 质量管理

在检化验管理中，系统可以实时准确地审核、发布检测结果，支持回溯及历史趋势分析，提升品质管理效率。业务部门通过MES 系统生成请检单。检化验管理主要功能包括任务管理、检验报告生成等。由检验任务自动生成样品条码，支持全生命周期的样品管理指手动选择或扫描条码分配任务，将检验结果反馈到检验单上。按照企业质量管理条款，打印检验报告，配置SPC（统计过程控制）管理，基于检化验数据实现“测量、分析、改进”过程控制，极大地提高质量及过程控制水平。

在生产批次的控制和管理中，通过批量控制系统改进生产、提高产量、降低成本并提高质量。并支持批量的过程监控管理，设备监控与过程控制可完成信息反馈，支持生产批数据记录，可实现实时批次数据记录报表打印机查询，输出汇总报表。此外，在整个生产过程中可对关键工艺参数进行分析对比，以获取最优批生产状况，制定改善措施。

3 效益评估

（1）在应用效果方面，实现了从上层生产计划到底层控制信息的交互，打造了柔性化生产模式，极大地提高了生产效率，可有效控制生产成本与开销，基于柔性化生产理念，降低运营成本，以不断提高生产效率及资源利用率，降低产品生产过程的浪费及损耗，提升技术创新实力及市场核心竞争力。

（2）在技术应用方面，该方案积极响应了国家《中国制造2025》的行动纲领，给出精细化工定制化产品解决方案，推动了精细化化工实现产业转型升级。可逐渐形成统一的行业标准，提升整个精细化化工的制造水平。该生产管理系统的应用可有效减少资源浪费和能源消耗，实现精细化生产，降低库存积压，并可实时监控各生产节点的质量信息。

（3）在商业价值方面，多品种批量柔性化生产能够使用量身定制的批次操作来提高灵活性和绩效，以达到特定的业务和生产目标。通过我们的信息系统可以有效减少资源浪费和能源消耗，实现精细化生产。通过自动化控制和信息化系统的智能管控，有效增加设备的高效运转时间，减少人工环节错误造成的时间浪费，进一步提高产量。通过对库存和原料消耗的全面掌控，通过对销售订单的分析和管理，降低库存积压，减少物料消耗，加快生产周期，在实现更多产出的同时降低成本。模块化、图形化的配方编辑，方便实现配方的编制和升级，通过灵活的配方管理，快速、高效地实现产品切换以及物料、配方的安全保密。通过和质量业务的关联，实时监控各生产节点的质量信息，实现产品质量控制和批次追踪，帮助提升生产品质。

综上，该方案实现了对精细化工生产过程的智能化改造升级，合理调配现场资源为柔性化定制产品服务，促进了产业的升级和可持续发展。

4 结论

伴随产业技术及应用的发展，化工定制化产品逐渐成为新的市场增长点，但化工产品的多样化与定制化对于生产的标准化和高效化提出了挑战，需要结合多批次生产、多品种批量生产方式对传统生产工艺及生产技术进行优化改进，需多方面综合考量系统的优化与改进，实现现代化定制化工品柔性生产管理与控制，满足市场的需求。