超越自动化:人类作为过程控制者

Peter Martin博士是英维思运营管理业务价值解决方案副总裁。他已经成为一名控制策略的未来主义者，寻找我们的过程控制概念如何随着制造业与业务相关需求的变化而发展。控制工程撰稿人Vance VanDoren和Peter Welander提出了这些问题。

CE:在过去的一两年里，您评论了流程工业的变化，并建议您期望人类在控制功能中发挥更大的作用。随着自动化的重要性日益提高，这似乎是违反直觉的。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时间，而且我们做得很好。多年来，我们已经能够用自动决策取代人工决策，特别是在一个更加实时的世界里，自动控制可以更好、更有效、更快地做出决策。我不认为会有逆转。我所看到的是，这些工厂的关键业务变量开始实时变化。举个例子，15年前，公司可以一次和他们的电力供应商签订一年的合同，基本上是在合同期内把电价降到一个常数。在价格不变的情况下，你真正需要控制的就是消费，通过减少消费，它直接转化为盈利能力。随着电网的开放和管制的放松，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，价格大约每15分钟变化一次。

从历史上看，我们将控制理论应用于工厂车间，将管理理论应用于企业。这在一定程度上是有道理的，因为所有关键的业务变量在给定的一个月内都没有变化。您可以使用SAP或Oracle的月度信息，您将获得能源成本、材料成本和产品价值的度量，所有这些都是相当稳定的，可以使用月度数据进行管理。今天，随着电网的开通以及由此引发的多米诺骨牌效应，突然之间，我们不仅看到了电力成本，还看到了天然气价格每15分钟变化一次。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，你会发现它们可能每分钟变化多次。如果其中一种是你制造过程中的原材料，这将是一种新的动态引入到你的制造过程中——一种前所未有的高速变化。如果你想正确地发挥这一作用，也许正在生产的产品应该进行调整，以反映这一点，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，公司仍在努力管理它们。这并不是说我认为控制理论在工厂车间的应用减少了，而是我认为控制工业的业务方面比以往任何时候都更像是一个实时控制问题，我们相信我们必须将实时控制理论应用于那些关键的业务变量。

也就是说，应用像PID控制这样的东西是不容易的因为你不能在业务方面得到循环的自然周期而在过程方面。因此，我们看到的是，人类必须介入并成为关键盈利变量的控制者，就像100年前对过程变量的控制一样。那时，我们让操作人员在手动阀门上看着仪表，我们对操作人员说，“看，当针指向这个方向时，把阀门转到这个方向，当针指向另一个方向时，把阀门转到另一个方向。”我们使用人类作为控制者。有趣的是，人类在这方面做得很好。我认为，从控制理论的角度来看，人类越来越多地参与到控制利润的过程中。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点时，比如说一个温度循环从400度到410度，从商业的角度来看，这要么增加价值，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。管理就是你无法控制的事情。如果你能控制，那就去做。如果你不能控制它，那就控制它。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，真的已经过时了。这并不是说我们不需要月度报告，而是说你不能用同样的月度数据来管理你的业务表现，因为业务发展得如此之快，以至于业务的发展速度使我们无法按月运行。所以如果你不能按月运行，你就必须在它变化的时间框架内运行，这本质上是实时的。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:但是所有这些参数加在一起是否会威胁到人类操作员的能力?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年代在过程层面所做的那样吗?

我绝对认为这是必须发生的。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。我们必须找到自动控制算法。好消息是，在世界上大多数地区，政府已经介入并规范了这些变量可以改变的时间。例如，如果你看一下美国开放电网的电价，它每15分钟变化一次。这个间隔不是因为任何商业或物理现实，而是因为政府说，“你不能更快地改变，因为我们跟不上它。”

当我们第一次看到这个的时候，每个人都说，“是的，这可以发生在能源上，但这永远不会发生在原材料上，因为人们有太多的库存，而库存本身会拖慢事情的发展。”这往往是正确的。库存确实增加了产能缓冲效应，但我现在看到的是，了解情况的业务经理面临两个动态问题:一是控制业务，二是控制物理过程。我们看到很多人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。我们已经有几十年没有在北美新建炼油厂了，他们为什么要这么做呢?今天，当你从阿萨巴斯卡地区的油砂中生产原油时，你把它放在管道里，然后把它泵到美国或任何你要运送它的地方进行提炼。在运输过程中，原油在管道中停留了三天，在此期间，原油价格可能已经变化了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。我最近去了德克萨斯州迪尔帕克的一家化学工厂，那里很有意思:他们没有现场存储设施。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因为这些变量的实时性而发生了变化。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，他们将不得不研究这个问题，并弄清楚我们如何对业务变量进行预测控制或基于模型的控制。你将会把利润控制级联到效率控制上，我们将会有一种新型的闭环控制器。有一些非常有趣的挑战。

CE:棘手的部分是找到正确的控制算法。

你不能使用PID因为你在业务变量循环中没有一个自然周期。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，或者神经网络模型会有一些意义。在工厂里，你可以默认使用PID，我们就是这么做的，因为它相对简单有效。也许当我们谈到业务控制时，因为你不能默认使用PID，我们可能会看到一些在过去几十年里完成的伟大研究表明它适用于业务变量而不是过程变量。

一种方法可能是将其视为各种实时优化问题，您试图平衡生产价值，能源成本和材料成本，这些都受到安全和环境因素的限制。如今线性或非线性编程的问题在于，你通常必须选择一个目标函数，并将所有其他目标都归为约束函数。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前途。你试图平衡三个目标，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:它必须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，这是几乎所有调控控制的基本前提。

当你开始考虑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物并提出最佳设置。随着时间越来越短，如何以经济有效的方式获得那么多的计算能力?如果你仔细想想，就会发现其中确实存在一些有趣的挑战。我认为控制工程师的黄金时代即将来临。

CE:我认为黄金时代将是我们可以开始使用这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。

我担心的是，我在这里说的是一个大的概括，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，我们必须记住旧的概念级联控制器的次级回路必须比主回路快四倍。随着业务变量变得越来越快，我们可能会发现过程的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的循环周期，则流程可能变得混乱。那将是一件令人着迷的事情。如果这种情况开始发生，我们将别无选择，只能寻找其他控制方法。

CE:这是一种自然的推断，但考虑到成本和业务变量的变化速度比流量或压力更快，会让人感到震惊。

找个时间装上商品价格的自动报价机。当你看到铜的价格每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速度，它们实际上进入了经典的温度和能级域，如果不是流和压强域的话。最终的问题是，我们没有担心这个问题，而是忽略了它，我们大量购买原材料，这样库存就能给我们缓冲。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来获得巨大的竞争优势时，一切都会爆发。当一家公司这么做时，其他所有人都会说:“等一下，为了让我们在这种环境中生存，我们必须换一种思维方式。”我认为，从时间的角度来看，我们离这种情况不远了，当我看到像迪尔帕克的迈图化学公司这样的网站时。没有现场库存，通过管道实时获取和分销产品。它让我着迷。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，运营商有多少余地可以改变现状?如果工厂处于售罄状态，而目标是尽可能多地生产产品，那么什么时候开始尝试微调参数才可行呢?

我们必须考虑流程本身的动态，但我认为，如果物理流程的动态比业务流程慢，那么决策标准可能会变得复杂，而且可能不切实际。这可能会导致一些非常困难的事情。

问题是:我们一直在一个所有东西都售罄的世界里工作。商业的主要哲学是在给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，电力工业的运作方式是他们有中央发电站，燃煤发电厂，全天候尽可能多地发电。定价受到监管，所以他们总是能盈利，一切都很好，没有人能想象出有什么不同。

然后发生了什么?他们解除了管制，电网开放了。这意味着突然之间，根据法律，有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电网，他们必须得到钱，基于电网上电力的当前价值。从一个单一的生产者为一系列用户生产，到多个生产者为多个用户生产，供给侧的上升和下降的速度比任何人看到的都要快。你可能在你的电厂里有一个热电联产装置，在接下来的三个小时里你自己不需要它的输出，所以你把它放到电网上。没有电力供应增加了，人们不得不进行调整。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。没有库存缓冲，会发生什么?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、电网管理者和消费者。突然间，你有了一个非常动态的环境。那么能源生产商该怎么做呢?他们建造了新型植物。联合循环发电厂可以快速启动和关闭，因为如果电网有需求，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，所以他们必须启动这些联合循环发电厂。这些电厂生产能源的成本比燃煤电厂高得多，所以突然之间你就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，但它是所有工业运营的发展方向。卡车、火车和管道中的材料的移动速度不如电力快，但这些系统的动态将推动我们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。油气公司不会一次运营一家工厂;他们将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，我就会亏本生产汽油，我应该放慢生产，即使我处于售罄的状态。如果你不能玩这个游戏，你就会在这些困难时期赔钱。它们已经在冲击电力行业，并将冲击我们的其他行业。那些能玩这个游戏的人将会盈利，而其他的人将会破产。我相信这就是它的发展方向。

大型燃煤电厂的时代已经过去。大型炼油厂的时代可能已经过去了。也许我们的制造理念需要改变。也许我们需要更本地化的微型制造，以适应市场的动态变化。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，而且并非所有产品都卖光。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，需要一套不同的策略。 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.

这里有另一个迹象表明情况正在发生变化:当你想到化学行业时，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。那么他们是怎么做的呢?一切都是为了短期利益而设计的，这让他们发疯了。一切都会赶上来的。总有一天，那些把眼光放得更远、寻找根本原因的公司会变得更有利可图，而那些追求短期利益的人会被扔在路边。

我不相信在工厂里有很多情况是可以自动控制的，我们应该回到手动控制。我们应该尽可能以一种高效、自动化的方式进行控制，同时由于业务的动态变化，让越来越多的人参与到运营中来。

彼得·韦兰德编辑，pwelander@cfemedia.com．

关键概念:

• 在控制策略中必须考虑的变量的数量正在以一种包含更多业务相关元素的方式增长。
• 适合运行流程的控制策略可能无法控制新的变量。
• 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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