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超越自动化: 将人作为过程控制器

www.cechina.cn2014.01.12阅读 7616

        Peter Martin博士,英维斯运营管理商业价值解决方案副总裁。他的身份有点类似于未来控制策略专家,负责探寻当对生产制造过程的商业相关需求发生变化时,过程控制的概念如何演进。CONTROL ENGINEERING的特约撰稿人Vance VanDoren 和Peter Welander近日对Peter Martin做了采访。

        CE:在过去的一、两年,您对目前过程工业如何变化做了一些评论,显示您期望人在控制功能中能起到更大的作用。随着自动化重要性的日益增长,这看起来有点违背常识。您怎么看待这种趋势?
        我们所看到的现状是自动控制已经应用于控制工厂的效率有很多年了。这种状况持续很长时间了,而且我们精于此道。经过这么多年,我们已经可以使用自动决策来代替人的决策,尤其是在实时化程度比较高的环境中,自动控制能够决策的更好,更有效而且更快。对此,我没有看到任何的倒退。我所看到的是,某些关键的业务参数已经开始实时变化。举个例子来说,15年前,公司一般会和电力供应商一次签订一年的供电合同,这样在合同期内,就可以将电价保持在一个恒定的值。当价格为常数,你所需要控制的就只有消耗量,通过降低消耗,就可以直接转化为收益。随着电网的开放以及管制的撤销,突然间,电力的价格,不仅仅是电力的使用,以前所未有的频率发生变化。事实上,在美国,在一个开放的市场环境下,价格每15分钟就变化一次。
        从历史上讲,我们已经将控制理论应用于工厂车间,将管理理论应用于商业。这有一定意义,因为所有关键的业务参数在给定的一个月内不会发生变化。你可以从SAP或Oracle中获得月度数据,你可以拿到能源成本、材料成本以及产品价格,所有这些数据都相对比较稳定,能够使用月度数据来进行管理。现在,随着电网的开放,以及由此产生的多米诺骨牌效应,突然间我们会发现不仅仅是电力成本,天然气的价格也是每15分钟就会变化一次。类似的事情同样发生在生产过程中使用的其它材料上,尤其是重型过程工业。如果你观察关键金属材料的价格,比如铜,你会发现它们每分钟会变化好几次。如果其中的某一个是你生产过程中使用的原材料,那么一种新的扰动-高速的变化就被引入到你的生产过程中,这在以前是从来没有的。如果你想正确的去做,那么正在生产的产品就应该做适当的调整以便反应上述的变化以及市场的需求。这三个关键参数——产品价格、能源成本和材料成本——每天会变化数次,但是公司却仍然试图去管理它们。我看到的不是降低控制理论在工厂车间的使用,相反,是更多地将工业中的商业因素作为一个实时控制问题来控制,并将实时控制理论应用于这些关键的业务参数。
        即便如此,你也很难应用某些类似于PID控制的东西,因为你无法像在过程领域一样,得到一个商业领域回路的自然周期。所以,我们看到的是人必须介入并作为关键收益参数的控制器,正如在100多年前,我们对过程参数所做的那样。回到那时候,我们将操作人员安排在手动阀门旁,观察仪表,并告诉操作员,“观察仪表,当指针向这个方向移动时,朝这个方向旋转阀门;当指针向另外一个方向移动的时候,朝另外一个方向旋转阀门”。非常有意思的是,人做这件事情做得非常好。我所看到的是,从控制理论的角度来讲,人正越来越多的介入到收益控制上来。很多人会想,“你说的是商业经理吧?”不是,我所谈论的是操作人员和维护人员。当操作人员修改回路的设定值,比如说温度回路从400度升高到410度www.cechina.cn,从商业的角度来讲,这可能意味着增加或者破坏价值。没有其它选项。正如在手动过程控制的时代,如果我们可以将操作人员安排在表的前面,该表可以从商业的角度来显示他们所采取的每一个动作或行为所带来的影响,那么,经过一定的时间,操作人员可以学会如何采取行动或执行活动才能创造最大的价值。这就是我所看到的,相比10年前,我们能看到更多的手动控制,但这不是在过程控制的层面,而是在商业层面。但他们是同样的操作人员、维护人员,只是他们学习了他们的动作或行为是如何影响工厂盈利的。实际上,这就是反馈控制。

        这就是控制和管理的区别。管理就是你不能控制某些事情。如果你可以控制,那就去控制,如果你不能控制它,那就去管理它。我们正在得出结论:传统的管理所构建的业务模式,比如使用月度报表来管理你的业务已经变得过时了。这并不是说我们不需要月度报表,而是你不能使用同样的月度数据来管理你的运营绩效,因为运营情况瞬息万变,业务的速度排除了按月运行的可能。所以,你不能按月度运营,你必须按照变化的时间框架来运营,这基本上就已经成为实时运营。那么那些运行和维护人员,以及主管和工程师也可以像业务经理一样,成为公司盈利的手动控制器
        CE:但是把这所有的参数一起考虑,会不会超出操作人员的能力而导致无法跟踪?难道我们不应该在管理层面开发出某种自动控制,正如二十世纪三十年代我们对过程层面所做的那样吗?
        我绝对相信这会发生。我们都需要探索如何实现对这些参数的自动控制。但不幸的是, 这并不像应用PID一样简单。我们必须首先找到自动控制的算法。好消息是,在世界上的绝大多数地方,政府已经介入并调控参数允许变化的时间范围。例如在美国,如果你观察开放电网的电价,你会发现电价每15分钟变化一次。这个间隔不是因为商业或者是物理法则的限制控制工程网版权所有,而是因为政府说了:“你不能变化的这么快,不然的话我们就跟不上了”
        当我们刚开始审视这些的时候,每个人都说,“是的,这对能源是可以的,但对于原材料来讲,这永远不可能发生,因为大家拥有太多的库存,这些库存本身就是缓冲”。大方向没错。库存确实能够增加缓冲能力,但是目前我看到的是,了解目前形势的业务经理有两个关于扰动的问题:一是控制商业,二是控制物理过程。我们看到很多人仅重新思考物理过程本身。
        西北红水合营公司正在埃德蒙顿附近新建一座炼油厂。在北美,我们已经有好几十年没有新建炼油厂了,为什么他们要建?今天www.cechina.cn,当你要从亚大巴斯卡河流域的油砂中生产原油的时候,你需将其投入到输油管线中,并泵送至美国或者其它任何可以炼制的地方。在整个旅程中,石油在管线中的时间大概为三天,就是在这三天中,石油的价格可能已经变化120次了,这不是业务经理所能控制的事情。整个储备与库存的概念应该随着大趋势的变化而有所变化。最近,我曾经到过德克萨斯迪尔帕克的迈图高化工厂,非常令人振奋的是:在现场,他们没有石油库存,他们通过管线从隔壁的炼油厂直接购买原材料。突然我们就发现,由于这些参数的实时性,越来越多的过程工业正在变化。所有的事情都将变得越来越快。
        我们正在进入控制工程师的新时代,他们将不得不找出如何才能对业务参数进行预测性或基于模型的控制。你将盈利控制串联于效率控制上,我们将得到一个新的闭环控制器。
        CE:难点将是如何找到正确的控制算法。
        你不能使用PID控制,因为你无法获得业务参数回路的自然周期。我们已经提出基于模型的控制或者是其它非常复杂的一些算法。说不定这些其它的算法,包括专家算法,或者是神经网络模型,对于向前推进能够起到一定作用。回到工厂车间控制工程网版权所有,你总是可以使用默认的PID,实际上我们也是这么做的,因为它简单有效。当我们着手业务控制的时候,也许可以发现,在过去几十年中所做的伟大的研究中,有些更适用于业务参数而不是过程参数。
        一条途径也许是将其看作一个实时优化问题,试图在安全和环境条件的限制下,在产品价格、能源成本和材料成本之间做平衡。目前,线性或非线性编程的问题在于,一般情况下, 你不得不选择一个目标函数,而将其它目标归入到限制函数中去。我不确定这是否具有足够的动态性能。有些新的研究工作是关于多目标线性编程和优化的,为我们保留了一点希望。因为你试图平衡产品价格、能源成本和材料成本三个目标之间的关系,所以多目标线性编程和优化也许是闭环业务控制的一个方向。
        CE:它应该是某种反复迭代的搜索优化。它不是单纯的将输入输出联系起来的10阶微分方程,而这正是调节控制的基石。
        当你开始审视多目标控制和优化的时候,另一个问题是,从过去的历史来讲,具有多个限制函数的线性和非线性编程需要非常强大的计算能力来处理运算和设置优化选项。随着时间越来越短,你如何能够以一种经济有效的方式获得必要的计算能力?如果你考虑这些,你会发现一些非常有趣的挑战。我想控制工程师的黄金时代几乎已经到来了。
        CE:我认为,当我们不再像过去的60年我们做过的那样,遵循传统,回归PID控制,而是开始使用这些先进技术的某一种来控制过程的时候,那么黄金时代就开始了。
        正如我在这里概述的一样,我所担心的事情是如果它确实是一个串级控制结构,我们将盈利控制串联到效率控制,那我们必须考虑原有的概念:串级控制器的次级回路的速度必须四倍于主控制回路。随着业务参数变化越来越快,我们会发现过程PID控制正在成为一个瓶颈。如果业务参数比工厂车间的回路周期要快,那么过程控制就会变得混乱。这是令人着迷的事情。如果这已经开始发生了,我们别无选择,只能去寻找其它的控制方式。
        CE:一个非常自然的结论,如果从成本和业务参数变化的速度要快于流量和压力参数的角度来思考,这确实比较有冲击力。
        为某一时刻的商品价格做个标记。当你看到铜的价格每32秒钟就变化一次的时候,你对温度回路的控制速度能快于那个速度吗?所以问问你自己,为什么我们现在没有控制方面的问题,因为某些参数已经使其自己适应这些速度,并且被分解成经典的温度和液位,如果不是流量和压力的话。我们忽视它,并且我们成批的购买原材料,库存也给了我们缓冲。我们只是不用担心它而已。
        我认为,当某些行业意识到,通过使用原材料价格可以为其带来巨大的竞争优势的时候,这个问题就会爆发。当一个公司开始这么做,其它公司就会说,“等一下,为使我们能够在这个环境继续生存下去,我们得换个方式思考问题“。当我看到迪尔帕克的迈图高化工厂现场的时候,我认为这件事情距离发生不会太遥远。没有现场库存与实时购买并通过管线输送结合起来。这使我着迷。高风险总是带来高回报。
        CE:听起来确实有趣,但是一个现实的问题是,裕度有多大控制工程网版权所有,或者操作员能够改变正在发生的事情吗?如果工厂处于供不应求的状态,它的目标就是尽可能的多生产,那什么时候开始调节参数比较合适?
        我们需要看看过程本身的动态特性,但是我认为如果物理过程的动态过程比业务过程要慢的话,决策标准可能会变得复杂,甚至不切实际。这会使事情变得非常困难。
        事情是这样的:我们曾经生活在所有物品都供不应求的世界中。商业的首要逻辑是在一定时间段内,尽可能的生产更多的产品,就像你知道的,生活很美好。那就是过去每个人一直在做的。最好的例子就是电力工业。已经很多年了,电力工业的生产方式为:他们有中心电站,燃煤电站,开足马力,7天×24小时不间断的生产尽可能多的电力。电力价格受到管制,所以它们总是能盈利,每件事情都很美好,没人能想出不同的事情。
        那会发生什么呢?他们降低了监管,电网开放了。那就意味着突然间,根据法律,其它的电力供应商,比如风力发电,太阳能,热电厂,所有这些电力来源,只要它们愿意将电输送到开放电网中,它们就能依据当前电网上的电力价格获得报酬。
        你从一个处境:只有一个生产商为一系列的用户生产产品,到另外一个处境:有多个生产商,为多个用户生产产品,产品的供应量上下起伏的速度非常快,以致没人能够明白它的运动规律。在你的电厂中,也许热电联供的运行模式,在未来三个小时内,电厂自身不需要这些输出,那你就将其输出到电网上。那么现在电力供应增加了,相应的用户也必须有调整。这就是智能电网。
        我们处在一个全新的动态环境中,这也令人着迷,因为电力不能存储。所以,没有库存的缓冲,那会怎么样呢?你已经有实时策略——我们必须构建关于发电机组、生产商、电网经理以及客户的新结构。突然间你就拥有了一个非常动态的环境。那么能源生产商该如何去做呢?他们建造新型的电厂。联合循环电厂能够迅速的启动和停机,因为如果在电网上有一个需求,那些大型的能源供应商无法提供足够的电力以满足这些需求,那他们就会受到惩罚,所以他们启动这些联合循环机组。这些机组发电的成本要比燃煤机组高的多,所以你看到了价格的巨大变化。相应的,即使在家庭层面上,我们将会看到,从恒温控制器读取的数字不再仅仅是温度,还有当前电力的价格。早晨,你将衣服投入烘干机,在电价足够低的时候,它会自动开始工作。
        电力工业是一个极端,但所有工业运营都会这样。卡车,火车,管线中材料的运输不会像电一样快,但是这些系统的动态过程将驱动我们生产方式的重组。我可以设想,在将来,不是建造百万级的德克萨斯炼油厂,而是开始建造更加灵活的小型炼油厂,就像在电力工业中的联合循环电站一样。在某一时刻,石油公司不是运营某个工厂,而是在整个价值链上经营它们的资产,因为如果当前原油的价格比较高,生产汽油会受损失,那就降低生产速度,即使是处于供不应求的状态。
        如果你不能遵循该规则,在这些困难时期你将蒙受损失。它们已经冲击了电力工业,而且即将冲击剩下的其它工业。能遵循该规则的,将会盈利,否则的话将会被市场淘汰。我相信这即将发生的。
        百万级别燃煤电站的时代已经过去了,百万级别炼油厂的时代也许会过去。我们的生产信条应该改变。也许我们应该转向更多的本地化的微小生产企业以适应市场的动态变化。
        那些就是我们需要开始考虑的事情。想象一下,我们曾处在一个所有产品都供不应求的时代,作为一个工业,你需要做的就是生产出尽可能多的产品,利润丰厚。那个时代已经过去了。现在,利润不大, 所有的产品不再是供不应求。在一天的某个时候,我们可能在挣钱,但是在同一天的另外一个时候,我们可能在赔钱。世界已经发生变化,它需要一系列不同的策略。我认为,最起码是在开始的时候,这些策略应该是在生产过程中,尽可能以更有效的方式寻求人的介入。我们将会看到,在安全运行以及环境完整性的限制下,更多的手动控制会被应用于盈利能力上。单纯从实用性的角度看,一旦我们了解的更多,这些手动控制就会被自动控制所取代,因为它们太快,人已经无法应对。
        下面是显示事情如何变化的另外一个例证。当你考虑化工企业的时候,你会发现化工企业CEO的平均任期为13到20个月。这是一个可怕的概念。那就意味着这些人需要用13到20个月的时间来证明他们自己。那么他们会怎么做呢?所有的事情都是为了短期利益,这逼得他们发狂。所有这一切都会有“报应”。迟早有一天,那些追求长期利益,能够探究根本原因的那些企业会变得盈利能力更强,而那些只追求短期收益的企业则被远远的甩在后面。我不认为在工厂车间存在很多本来可以实现自动控制但需要转回手动控制的情况。我们应该尽可能的实现高效、自动的控制,但同时,由于业务的动态变化,也需要人更多地介入到运行中。
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