超越自动化:人类作为过程控制器

Peter Martin博士是英维思运营管理副总裁，负责商业价值解决方案。他已经成为一个控制策略的未来主义者，寻找我们的过程控制概念需要如何随着与制造相关的业务需求的变化而发展。控制工程贡献者Vance VanDoren和Peter Welander提问。

CE:在过去的一两年里，您对过程工业的变化做出了评论，并建议您期望人类在控制功能中发挥更大的作用。随着自动化越来越重要，这似乎违反直觉。你认为这将走向何方?

我们所看到的是自动控制(和手动控制)已经被应用于控制工厂的效率很多年了。这种情况已经持续了很长一段时间，我们在这方面相当在行。多年来，我们已经能够用自动决策取代人类决策，特别是在一个更实时的世界里，自动控制可以更好、更有效、更快速地做出决策。我不认为会有反转。我所看到的是，这些工厂的关键业务变量开始实时发生变化。例如，15年前，公司可以一次与电力供应商签订一年的合同，基本上是在合同期内将电价降为不变。在价格不变的情况下，你真正需要控制的是消费，而通过减少消费，它直接转化为盈利能力。随着电网的开放和放松管制，突然之间，价格，不仅是电力的使用，而且价格的变化比以往任何时候都要频繁。事实上，在美国的公开市场上，价格每15分钟就会变化一次。

从历史上看，我们将控制理论应用于工厂车间，并将管理理论应用于业务。这是有道理的，因为所有关键的业务变量都不会在给定的一个月内发生变化。你可以使用来自SAP或Oracle的月度信息，你可以得到能源成本、材料成本和产品价值的衡量标准，所有这些都是相当稳定的，可以用月度数据进行管理。今天，随着电网的开放以及由此引发的多米诺骨牌效应，突然之间，我们看到的不仅仅是电力成本，还有天然气的价格每15分钟都在变化。类似的事情也发生在生产过程中使用的一些材料上，尤其是重工业。如果你观察铜等关键金属的价格，它们可能每分钟变化多次。如果其中一种是你生产过程中的原材料，那就意味着你的生产过程中引入了一种新的动态——一种前所未有的高速变化。如果你想正确地发挥这一点，也许正在生产的产品应该进行调整，以反映市场需求。三个关键的商业变量——生产价值、能源成本和材料成本——每天都在发生多次变化，而公司仍在努力管理它们。这并不是说我看到在工厂车间应用控制理论的减少，而是我看到控制工业的业务方面比以往任何时候都更像一个实时控制问题，我们相信我们必须将实时控制理论应用到那些关键的业务变量上。

也就是说，应用像PID控制这样的东西并不容易，因为在业务方面你无法得到在流程方面得到的循环的自然周期。因此，我们所看到的是，人类必须介入并成为关键盈利能力变量的控制者，几乎与100年前他们对过程变量的控制方式相同。那时，我们让操作人员在手动阀门上看着压力表，我们对操作人员说:“看，当指针朝这边走时，把阀门朝这边转，当指针朝另一边走时，把阀门朝另一边转。”我们用人类作为控制者。有趣的是，人类在这方面做得相当不错。从控制理论的角度来看，我所看到的是，人类越来越多地参与到控制利润中。很多人认为，“你说的是业务经理。”但不，我说的是操作员和维护人员。当操作员改变一个循环的设定值时，比方说一个温度循环从400度到410度，从商业角度来看，要么增加价值，要么破坏价值。没有其他选择。 That type of change is either creating or destroying economic value. Just like in the old days of manual process control, if we can stick operators in front of a gage that will show them what the impact is, in terms of the business, of every activity and action they take, then over time the operators can learn how to take actions and how to perform activities that will drive the most value. That’s where I see much more manual control than we would have seen 10 years ago, but not at the process level, it’s at the business level. But it’s the same people—it’s the operators or the maintenance people learning how their actions and activities impact the profitability of the plant. In reality, that is feedback control.

这就是控制和管理的区别。管理就是当你无法控制某事的时候。如果你能控制，那就去做。如果你不能控制它，那就管理它。在商业中，传统的管理结构，比如使用月度报告来管理你的业务，已经过时了。这并不是说我们不需要月度报告，而是说您不能使用同样的月度数据来管理您的运营绩效，因为运营移动得如此之快，以至于业务的速度不可能每月运行一次。所以如果你不能每月运行一次，你必须在它变化的时间范围内运行，这基本上是实时的。然后成为业务经理的人，他们是盈利能力的手动控制者，是操作员、维护人员、主管和工程师。

CE:但所有这些参数加在一起会不会超过人类操作员的能力?难道我们不需要在管理层面发展某种自动控制，就像我们在20世纪30年代在流程层面所做的那样吗?

我绝对认为这将会发生。这是坏消息。我们都需要寻找如何自动控制所有这些变量。不幸的是，这并不像应用PID那么简单。我们必须寻找那个自动控制算法。好消息是，在世界大部分地区，政府已经介入，并对这些变量可能发生变化的时间进行了监管。例如，如果你看看美国开放电网的电价，它每15分钟就会变化一次。这个间隔并不是因为任何业务或物理现实，而是因为政府说:“你不能更快地改变，因为我们跟不上它。”

当我们刚开始研究这个问题时，每个人都说，“是的，这可能发生在能源上，但它永远不会发生在原材料上，因为人们有太多的库存，库存本身会拖慢生产速度。”这往往是正确的。库存确实增加了产能缓冲效应，但我现在看到的情况是，了解情况的业务经理有两个动态问题:一个是控制业务，第二个是控制物理过程。我们看到很多人在重新思考物理过程本身。

西北红水合伙公司正在埃德蒙顿附近建造一座新的炼油厂。我们已经几十年没在北美建过新炼油厂了，他们为什么要这么做?今天，当你从阿萨巴斯卡地区的油砂中生产原油时，你把它放在管道中，泵到美国或任何你要运输它精炼的地方。在运输过程中，原油在管道中停留了3天，在此期间，原油价格可能变化了120次，而企业经理对此无能为力。我们所看到的是，围绕存储和库存的整个概念必须随着整个趋势而改变。最近，我去了德克萨斯州鹿园的一家动量化工厂，很有意思:他们没有现场储存。他们从隔壁炼油厂的管道购买原材料。突然间，我们发现越来越多的过程在改变因为这些变量的实时性。一切都会变得越来越快。

我认为我们正在开启一个控制工程师的新时代，他们将不得不关注这个问题，并弄清楚我们如何进行预测控制或基于模型的业务变量控制。你会有利润控制级联到效率控制，我们会有一种新型的闭环控制器。有一些非常有趣的挑战。

CE:最棘手的部分是找到正确的控制算法。

您不能使用PID，因为在业务变量循环中没有自然周期。我们提出了基于模型的控制和其他非常复杂的东西。也许这些其他的算法，专家算法，或者神经网络模型在未来会有一些意义。在工厂的地板上，你总是可以默认PID，我们这样做，因为它相对简单和有效。也许当我们谈到业务控制时，因为不能默认PID，我们可能会看到过去几十年所做的一些伟大的研究表明它对业务变量而不是流程变量的适用性。

一种方法可能是将其视为各种实时优化问题，其中您试图平衡生产价值、能源成本和材料成本，这些成本受到安全和环境考虑因素的限制。今天线性或非线性规划的问题是，你通常必须选择一个目标函数，并将所有其他目标降级为约束函数。我不确定这是否足够有活力。在多目标线性规划和优化方面有一些新的工作正在进行，我认为这些工作很有希望。你正在努力平衡三个目标，生产价值与能源成本和材料成本，所以这可能是闭环业务控制的方向。

CE:这将是某种迭代搜索优化。不会有一个整洁的十阶微分方程把输入和输出联系起来，这是几乎所有监管控制的基本前提。

当你开始研究多目标控制和优化时，另一个问题是，具有多个约束函数的线性和非线性规划需要大量的计算能力来处理事情并提出最优设置。随着时间越来越短，如何以经济有效的方式获得如此多的计算能力?如果你仔细想想，就会发现这是一些非常有趣的挑战。我认为控制工程师的黄金时代即将到来。

CE:我认为黄金时代将是我们开始使用一些新技术来控制我们的过程，而不是像过去60年那样遵循传统并回到PID。

我担心的事情是，我在这里笼统地说，如果它真的是一个级联控制结构，我们将盈利能力级联到效率级联，我们必须记住一个旧的概念级联控制器的二级环路必须比主环路快四倍。随着业务变量变得越来越快，我们可能会发现流程的PID控制成为一种约束。如果业务变量的移动速度快于工厂车间循环的周期，则流程可能变得混乱。这将是一件很有趣的事情。如果这种情况开始发生，我们将别无选择，只能寻求其他控制方法。

CE:这是一个自然的推断，但是考虑到成本和业务变量比流量或压力变化得更快，这让人大吃一惊。

有时间把商品价格的行情报出来。当你看到铜价每32秒变化一次时，你能比这更快地控制温度循环吗?所以问问你自己，为什么我们现在没有一个控制问题，因为这些变量中的一些已经达到了这样的速度它们实际上已经进入了经典的温度和水平域，如果不是流量和压力域的话。最终的问题是，我们没有担心这个问题，而是忽略了它，我们大量购买原料库存，所以库存给了我们缓冲。我们只是不担心它。

我相信，当一些企业意识到它可以通过有效地操纵原材料价格而获得巨大的竞争优势时，这种情况就会彻底爆发。当一家公司这么做的时候，所有人都会说，“等等，为了让我们在这种环境下生存，我们必须换一种思路。”当我看到Deer Park的momentationchemical这样的网站时，我不认为我们离这种情况的发生已经不远了。无需现场库存，通过管道实时获取和分销产品。这让我着迷。巨额资金正处于危险之中。

CE:这听起来很有趣，但作为一个实际问题，操作员有多大的回旋余地来改变正在发生的事情?如果工厂处于售罄状态，而目标是生产尽可能多的产品，那么什么时候开始尝试微调参数变得切实可行?

我们必须关注流程本身的动态，但我认为决策标准可能会变得复杂，如果物理流程的动态比业务流程慢，这可能是不切实际的。这可能会导致一些非常困难的事情。

问题是:我们一直在一个售罄的世界里工作。商业的主要哲学是在一定的时间内尽可能多地赚钱，而我们所知道的生活是美好的。每个人都在这么做。最好的例子就是电力行业。多年来，电力行业的运作方式是，他们有中央车站，燃煤发电厂，全天候提供尽可能多的电力。定价受到监管，所以他们总是在盈利，一切都很好，没有人能想象有什么不同。

然后发生了什么?他们放松了管制，开放了电网。这意味着，突然之间，根据法律，出现了其他的电力供应商，比如风车，光电，和热电联产厂，所有这些电力来源，如果他们想把电力输送到开放的电网，他们必须根据电网上的电流值支付费用。从一个生产者为一系列用户生产，到多个生产者为多个用户生产，供给端以前所未有的速度上下波动。你可能在你的工厂里有一个联产操作，在接下来的三个小时里你不需要在工厂里输出它，所以你把它放在电网上。没有电力供应增加，人们不得不调整。这就是智能电网的意义所在。我们处在一个全新的动态环境中，这也很吸引人，因为你不能储存能量。那么没有库存缓冲，会发生什么呢?你有了实时策略——我们实际上必须采用一种新的结构，包括发电机、生产者、电网管理人员和消费者。突然之间，你就有了一个非常动态的环境。那么，能源生产商必须做什么呢?他们建造了新型植物。联合循环电厂可以快速启动和关闭，因为如果电网上有需求，而大型能源公司不能提供足够的电力来满足需求，他们就会受到惩罚，所以他们不得不让联合循环电厂启动。这些电厂生产能源的成本比燃煤电厂高得多，所以突然之间，你会看到价格的大幅波动。 In response to that, even at the home level, we’re going to see things like thermostats that read not just the temperature, but the current price of electricity. You’ll put wet clothes in the dryer in the morning, and it will turn itself on when it sees that the price of electricity is low enough.

电力工业是一个极端，但它是所有工业运作的方向。卡车、火车和管道中的材料的移动速度不及电力，但这些系统的动态将推动我们对制造方式的真正重建。我可以想象，在未来，我们不再建造德克萨斯城的大型炼油厂，而是开始建造更灵活的小型炼油厂，就像电力行业的联合循环工厂一样。碳氢化合物公司不会一次运营一家工厂;他们会在整个价值链上运行他们的资产因为如果现在原油价格太高，我生产汽油是亏损的，我应该放慢生产，即使我已经卖光了。如果你不能玩这个游戏，你就会在困难时期赔钱。它们已经在冲击电力行业，而且还将冲击我们的其他行业。能够参与这个游戏的公司将会盈利，而其他公司将会破产。我相信这就是它的发展方向。

大型火力发电厂的时代已经过去了。大型炼油厂的日子可能已经过去了。也许我们的制造理念必须改变。也许我们必须走向更本地化的微型制造，以匹配市场的动态。这些都是我们需要开始思考的问题。作为一个行业，我们所处的时代，所有东西都卖光了，你所要做的就是尽可能多地赚钱，利润是巨大的。那个时代已经过去了。现在，利润率并不高，所有的东西也没有卖光。一天中有些时候我们在赚钱，有些时候我们在赔钱。世界已经变了，这需要一套不同的战略。 I think at least initially, some of these strategies will be to use the people in these production operations in a more effective way. At least initially, we’re going to see some manual controls involved in profitability, with the safety of the operation, and with the environmental integrity. As we learn more and more, those manual controls are going to have to be replaced with automatic controls, from a purely practical point of view, because they’re going to become too fast for humans to deal with.

还有一个迹象表明情况正在发生变化:当你考虑化学行业时，化学公司首席执行官的平均任期在13到20个月之间。这是一个可怕的概念。这意味着这些人有13到20个月的时间来证明自己。那么他们会怎么做呢?一切都是为了短期利益而设计的，这让他们抓狂。一切都会赶上来的。迟早有一天，那些能够超越这些并寻找根本原因的团队将会变得更有利可图，而那些玩短期收益游戏的人将会被遗弃在路边。

我不相信在工厂里有很多可以自动控制的情况，我们应该回到手动控制。我们应该尽量以一种高效、自动的方式进行控制，同时由于业务的动态变化，让越来越多的人参与到操作中来。

彼得·韦兰德编辑，pwelander@cfemedia.com．

关键概念:

• 控制策略中必须考虑的变量数量正在以一种包括更多业务相关元素的方式增长。
• 适合于运行流程的控制策略可能无法控制新变量。
• 人类控制者可能需要填补需求和能力之间的差距。

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