施一明

摘要：工業(yè)企業(yè)進行“兩化”深度融合，關鍵是建設智能工廠。認為智能工廠建設是一項系統(tǒng)工程，通過采用成熟的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化技術，使企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)和業(yè)務管理系統(tǒng)成為一個協(xié)同工作的整體，提升企業(yè)生產(chǎn)管控的整體績效。提出了智能工廠的功能架構(gòu)，并介紹了數(shù)據(jù)交換體系、3個智能服務平臺和十大業(yè)務應用系統(tǒng)等建設內(nèi)容，對建設過程中的若干關鍵技術進行了探討，并結(jié)合實際案例介紹了智能工廠建設情況和運營效果，對信息安全、實時優(yōu)化等未來發(fā)展方向進行了展望。

關鍵詞： 智能工廠；優(yōu)化控制；實時數(shù)據(jù)庫

Abstract： For industrial enterprises， intelligent plant is the key to achieve deep integration of informationization and industrialization. The establishment of intelligent plant is a complex system engineering which requires the collaboration of production system， information system， automation system and business management system through mature digital， network and intelligent technology， thus improve the overall performance of enterprise production management & control. In this paper， we present the functional structure of intelligent plant， and explain the main construction points including the data exchange system， three intelligent service platforms， ten business application systems， and discusses several key technologies during the construction. The construction and operation results of typical intelligent plant cases are also introduced， and the future development trends such as information security， real-time optimization is forecasted.

Key words： intelligent plant； advanced process control； realtime database

中國經(jīng)濟變革已經(jīng)迫在眉睫，投資主導增長模式正在失去動力，推動經(jīng)濟發(fā)展更要注重提高發(fā)展質(zhì)量和效益，生產(chǎn)力主導型發(fā)展模式正在成為中國經(jīng)濟發(fā)展的新動力。作為國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)的流程工業(yè)企業(yè)，面對錯綜復雜的經(jīng)濟環(huán)境和持續(xù)下行的經(jīng)濟壓力，如何創(chuàng)新企業(yè)經(jīng)營管理模式，優(yōu)化提升運營服務能力，抓住歷史發(fā)展的新機遇，構(gòu)建企業(yè)發(fā)展的新生態(tài)，重拾發(fā)展新動力，是每個企業(yè)必須直接面對和亟待解決的問題。

信息化是中國加快實現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化的必然選擇。在信息技術領域，隨著德國工業(yè)4.0、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、中國制造2025的提出，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為特征的新一輪科技革命正在悄然興起，以大數(shù)據(jù)、云計算、移動物聯(lián)網(wǎng)等為代表的新一代信息技術不斷成熟和普及[1]，對企業(yè)發(fā)展正在產(chǎn)生著越來越顯著的重要作用。

工業(yè)企業(yè)進行“兩化”深度融合，集中表現(xiàn)就是建設智能工廠。然而，什么是智能工廠？為什么建、怎么建？在業(yè)界還未形成統(tǒng)一的觀點和認識。文章中，我們結(jié)合多年來在自動化、信息化領域的工作經(jīng)驗和認識，對智能工廠的建設思路、功能框架、行動路線、關鍵技術等進行簡要分析，同時結(jié)合實踐案例分析了智能工廠建設的效果與作用，希望促進行業(yè)對智能工廠的思考，推動智能工廠的技術發(fā)展和建設實踐。

1 智能工廠系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 智能工廠的理解

智能工廠建設是一項系統(tǒng)工程，從空間維度看，包括生產(chǎn)、工藝、設備、質(zhì)量、倉儲、物流、自動化、信息化等技術與系統(tǒng)；從時間期維度看，包括產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)制造、供應鏈等維度[2]。

智能工廠建設旨在使企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)和業(yè)務管理系統(tǒng)成為一個協(xié)同工作的整體，提升企業(yè)生產(chǎn)管控的整體績效。

1.2 智能工廠建設思路

智能工廠建設的總體目標是：采用成熟的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化技術，圍繞生產(chǎn)管控、設備運行、質(zhì)量控制、能源供給、安全應急5項核心業(yè)務，采取關鍵裝置優(yōu)化控制，計劃調(diào)度操作一體化管控[3]，能源優(yōu)化減排，安全風險分級管控及生產(chǎn)績效動態(tài)評估等關鍵措施，著力提升企業(yè)生產(chǎn)管控的感知能力、預測能力、協(xié)同能力、分析優(yōu)化能力及IT支撐能力，為企業(yè)經(jīng)營管理綜合效益和競爭力提升提供了堅實的保障，并能夠最終幫助企業(yè)實現(xiàn)高效、綠色、安全、最優(yōu)的管理目標。

1.2.1 “六層面”建設視角

對于流程工業(yè)企業(yè)這樣一個復雜的系統(tǒng)，我們“化整為零”，從生產(chǎn)控制和生產(chǎn)組織兩個維度切入，將智能工廠建設分為智能機構(gòu)、智能檢測、智能控制、智能操作、智能運營、智能決策6個層面，分別尋找、匹配先進的裝備、技術與系統(tǒng)，進行智能化建設，如圖1所示。

（1）智能機構(gòu)層：在適合的生產(chǎn)單元、工序中進行智能化操作改造，最大限度地利用機械臂、碼垛機、巡檢機器人、無人引導小車（AVG）小車、自動化倉儲、定量裝車等裝備，替代人的體力勞動，提高生產(chǎn)運行的工作效率和質(zhì)量。

（2）智能檢測層：對生產(chǎn)資源、運行狀態(tài)的檢測進行系統(tǒng)化的設計和建設，包括泄漏、火災、消防、視頻、電子巡更、一卡通、全球定位系統(tǒng)（GPS）、在線檢測儀等內(nèi)容，并實現(xiàn)這些系統(tǒng)的互聯(lián)互通、智能聯(lián)動，為安全的生產(chǎn)環(huán)境提供保障和服務。

（3）智能控制層：對生產(chǎn)工藝的控制提供系統(tǒng)的解決方案，包括分布式控制系統(tǒng)（DCS）、數(shù)據(jù)監(jiān)測控制與采集系統(tǒng)（SCADA）、控制回路比例積分微分（PID）性能評估等內(nèi)容，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝控制的高度自動化。

（4）智能操作層：為生產(chǎn)、質(zhì)量、設備、能源、安全等業(yè)務管理提供智能操作系統(tǒng)與平臺，包括先進控制（APC）、仿真培訓系統(tǒng)（OTS）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、能源管理系統(tǒng)（EMS）、企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)（EAM）、安全評價系統(tǒng)（SES）、質(zhì)量健康安全環(huán)境管理系統(tǒng)（QHSE）等內(nèi)容，優(yōu)化生產(chǎn)管控的業(yè)務流程，豐富操作優(yōu)化的指導工具，提升生產(chǎn)操作的業(yè)務協(xié)同水平[4]。

（5）智能運營層：為供應商關系管理、客戶關系管理、企業(yè)資源計劃、工程項目管理、科研管理等業(yè)務提供智能化服務平臺，包括企業(yè)資源計劃（ERP）、供應鏈管理系統(tǒng)（SCM）、客戶關系管理系統(tǒng)（CRM）等內(nèi)容。

（6）智能決策層：構(gòu)建企業(yè)級專家知識庫，搭建面向主題的工業(yè)大數(shù)據(jù)分析決策平臺，通過建立擬合不同模型研究不同關系，發(fā)現(xiàn)有用信息，用于分析原因解決問題；發(fā)現(xiàn)潛在價值，預見可能發(fā)生的某種“壞的未來”并且給出相關建議，即預測并提供解決方案。

1.2.2 “四步驟”行動策略

流程工業(yè)是一個很大的范疇，不同行業(yè)差異很大，同一行業(yè)的企業(yè)差異也很大，且企業(yè)處在發(fā)展變化的不同階段，所以每個具體企業(yè)建設智能工廠的基礎條件、建設目標、建設內(nèi)容，均應該具體問題具體分析，不能采取“一個模子”、“一刀切”的實施方案。

鑒于各企業(yè)的差異，我們提出了具有一定共性和普適性的智能工廠“四步驟”行動策略，如圖2所示。

第1步，立足自動化。以企業(yè)生產(chǎn)的工藝流程為主線，分析各設備、工序、工段、車間的儀表及自動化系統(tǒng)，對人工操作、機械控制等環(huán)節(jié)進行自動化改造，使數(shù)據(jù)自動采集率>90%，提升控制回路自控率，提升區(qū)域優(yōu)化控制平穩(wěn)率，在生產(chǎn)工藝過程控制層面，實現(xiàn)高度自動化與優(yōu)化控制，充分挖掘裝置產(chǎn)能，提升產(chǎn)品質(zhì)量并降低物耗能耗。本階段建設的關鍵是互通。

第2步，做足電子化。結(jié)合中國大多數(shù)企業(yè)管理還處在人工記錄，開會制訂方案，文本形成報告的管理階段的實際情況，我們建議以流程梳理優(yōu)化為抓手，規(guī)范、固化企業(yè)管理業(yè)務流程，并通過電子化的信息系統(tǒng)進行支撐，做到管控流程的透明和可追溯。本階段建設的關鍵是適用。

第3步，特色數(shù)字化。通過建立企業(yè)的數(shù)字化模型，整合工廠設計的靜態(tài)數(shù)據(jù)和工廠運行的業(yè)務數(shù)據(jù)，將MES、ERP、EAM、全生命周期管理（PLM）、SCM、CRM、工廠設計等系統(tǒng)進行集成，建設以企業(yè)數(shù)字化模型為核心的業(yè)務應用及展示平臺。本階段建設的關鍵是集成。

第4步，逐鹿智能化。建立企業(yè)級知識庫以及工廠長周期運行的歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合對計劃、調(diào)度、操作、工藝等機理研究，分業(yè)務、分裝置建立智能化決策、管控、操作一體化的優(yōu)化平臺。本階段建設的關鍵是垂直。

1.3 流程企業(yè)智能工廠功能架構(gòu)

流程工業(yè)企業(yè)智能工廠建設的功能架構(gòu)如圖3所示。

智能工廠建設內(nèi)容包括：智能服務數(shù)據(jù)交換體系、3個智能化管控平臺、十大智能業(yè)務應用系統(tǒng)。

1.3.1 基于智能服務總線的數(shù)據(jù)交換

體系

基于實時數(shù)據(jù)庫、關系數(shù)據(jù)庫，以及工程設計、工廠資源、生產(chǎn)動態(tài)、現(xiàn)場多媒體等信息融合技術與可視化技術，建立基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)倉庫的智能服務數(shù)據(jù)總線，實現(xiàn)生產(chǎn)管理系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、績效管理系統(tǒng)等集成以及與ERP系統(tǒng)的互聯(lián)互通，消除“信息孤島”、“應用孤島”[5]。

數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)包括：傳輸服務（安全/可靠的數(shù)據(jù)傳輸，同步/異步服務等）、仲裁服務（服務路由、格式轉(zhuǎn)換、流程引擎等）以及協(xié)議服務（接入?yún)f(xié)議轉(zhuǎn)換、接出協(xié)議轉(zhuǎn)換）。

1.3.2 3個智能服務平臺

（1）生產(chǎn)過程自動化智能控制平臺：以控制系統(tǒng)DCS為核心，包括APC、安全儀表系統(tǒng)（SIS）、調(diào)制與編碼策略（MCS）、機組綜合控制系統(tǒng)（ITCC）、火災報警系統(tǒng)（FAS）、全球分銷系統(tǒng)（GDS）、閉路電視監(jiān)測控制系統(tǒng)（CCTV）、電氣自動化、三級計量、外操巡檢定位、分析小屋、電氣防誤閉鎖、大型機組設備健康等。

（2）企業(yè)生產(chǎn)管理智能服務平臺：以MES為核心，包括企業(yè)級專家知識庫、企業(yè)數(shù)字化資產(chǎn)模型、工作流引擎、優(yōu)化分析模型庫、分析算法庫、智能報警服務、IT工具集等。

（3）企業(yè)生產(chǎn)運營智能服務平臺：以ERP為核心，包括企業(yè)主數(shù)據(jù)、業(yè)務分析模型、績效評估體系、企業(yè)門戶等。

1.3.3 十大智能業(yè)務應用系統(tǒng)

智能工廠應著力建設十大核心智能系統(tǒng)：工程設計數(shù)字化移交、過程控制自動化控制系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、先進控制優(yōu)化系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、實驗室信息管理系統(tǒng)、設備運行管理系統(tǒng)、安全風險分級管控與安全應急指揮系統(tǒng)、目標傳導式績效管理系統(tǒng)。

1.4 智能工廠建設的關鍵技術

在智能工廠建設過程中，需要攻克一系列關鍵技術，包括：

（1）工程設計數(shù)字化交付

一般意義上的交付按照專業(yè)劃分，資料分別交付，交付成果是分散的，沒有關聯(lián)關系的，很難保證數(shù)據(jù)的一致性，業(yè)主很難進行維護和再利用。而“數(shù)字化交付”將各專業(yè)數(shù)據(jù)進行整合，并將它們之間建立起關聯(lián)關系，保證交付信息的完整性、一致性和正確性。要實現(xiàn)真正意義上的“數(shù)字化交付”至少要完成智能P&ID的繪制，完成3D模型的繪制，并且通過技術手段保證二、三維數(shù)據(jù)的一致性和正確性，減少數(shù)據(jù)冗余。

（2）復雜異構(gòu)系統(tǒng)的互聯(lián)互通

智能工廠的各信息系統(tǒng)包括基礎自動化系統(tǒng)、三級計量、實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、分析小屋、巡檢定位系統(tǒng)、外操培訓系統(tǒng)、在線污水監(jiān)測系統(tǒng)、績效考核系統(tǒng)、在線培訓系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)存在技術路線各異、數(shù)據(jù)與模型不統(tǒng)一等問題，已經(jīng)形成了諸多應用孤島，需要攻克異構(gòu)系統(tǒng)集成的關鍵技術，實現(xiàn)系統(tǒng)的集成與互聯(lián)互通。

（3）復雜過程動態(tài)特性優(yōu)化控制策略設計

流程工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過程工藝復雜，各裝置上下游工藝關聯(lián)緊密，設備間的物料、能量耦合度高，對擾動十分敏感，局部干擾，往往會在整個生產(chǎn)流程傳播。每個工序的設備、單元，甚至整個生產(chǎn)線，都有自身優(yōu)化點、控制點及安全約束邊界，而往往單個設備的優(yōu)化操作點與整個生產(chǎn)線的全局優(yōu)化點存在差異。如何協(xié)調(diào)優(yōu)化各個工序的局部優(yōu)化點使整個過程的趨于最佳優(yōu)化點，是整個單元生產(chǎn)優(yōu)化控制的關鍵問題。

（4）多層次、多尺度工廠統(tǒng)一進行建模

生產(chǎn)企業(yè)管理是一個復雜的多維系統(tǒng)，如何建立生產(chǎn)、設備、質(zhì)量、安全、能源等多項專業(yè)管理在時間、空間多尺度上的模型以及實現(xiàn)模型一致映射，是考驗應用系統(tǒng)實用性、靈活性的關鍵，需要攻克工廠統(tǒng)一建模的技術難題[6]。

（5）重大耗能設備能效的分析與優(yōu)化

企業(yè)生產(chǎn)中，由于缺乏加熱爐、壓縮機、泵等重大耗能設備的能效評估模型，導致對其的操作與控制智能憑經(jīng)驗進行，因此需要通過基于機理和數(shù)據(jù)聯(lián)合建模的方法，繪制設備能效監(jiān)察圖，并通過實時計算值在線評估各臺設備的當前能效，解決設備能效分析與負載優(yōu)化難題。

（6）關鍵生產(chǎn)設備故障診斷與操作優(yōu)化

關鍵設備一旦發(fā)生故障，不但造成巨大的經(jīng)濟損失，有可能還會引發(fā)安全事故。通過設備運行狀態(tài)、巡檢及檢維修紀錄等信息，找到設備變化的規(guī)律，對設備潛在的故障進行預警，是智能工廠中提高設備運行效率的重要方法。

（7）區(qū)域定量風險分析及重大事故模擬

涉及危險化學品生產(chǎn)、儲存的區(qū)域，要進行火災、爆炸、泄漏、中毒等多種災難事故的疊加風險分析、定量計算與可視化模擬等模型研究，并開發(fā)集安全風險容量、事故場景、多米諾效應等多種功能于一體的安全信息系統(tǒng)，技術難點是上述模型的研究仍需加強。

（8）績效管理理念落地

在制訂績效管理方案的過程中，企業(yè)都根據(jù)自身特點融入了各類績效管理理念，但在實際實施中，這些理念的大部分卻沒有得到有效貫徹、落實。通過指標量化細化分解使戰(zhàn)略轉(zhuǎn)化成指標是重要的技術難點。

2 流程工業(yè)智能工廠應用

案例

某氯堿企業(yè)典型的“煤-電-電石-聚氯乙烯-電石渣水泥”循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)，聚氯乙烯樹脂137萬噸/年、燒堿100萬噸/年、電石200萬噸/年、水泥260萬噸/年、乙二醇10萬噸/年、1，4-丁二醇10萬噸/年，發(fā)電125億度/年。隨著生產(chǎn)規(guī)模、原材料成本等優(yōu)勢的喪失，企業(yè)運營變得越來越困難。

我們與該企業(yè)合作，圍繞企業(yè)“節(jié)能減排、流程優(yōu)化、減人增效、綠色安全”等管理目標，以智能工廠建設為契機，建設了生產(chǎn)管控信息化支撐系統(tǒng)，為企業(yè)創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益，該企業(yè)2016年還被工信部評選為智能制造試點單位。

在裝備自動化方面，對PVC、燒堿車間的生產(chǎn)線進行了智能化改造，使用了PVC包裝機器人和片堿包裝碼垛機，人工減少50%，操作誤差降低80%。

在智能檢測層面，對涉及12個生產(chǎn)板塊的10萬多塊儀表進行了改造、聯(lián)網(wǎng)，為企業(yè)實現(xiàn)泛在感知奠定了堅實的基礎。

在智能控制層面，我們建設了13個分廠的9套控制系統(tǒng)。在1，4-丁二醇、乙二醇、密閉電石爐、以及2×300 MW機組等工藝技術先進的重大裝置上實施了中控的ECS-700型控制系統(tǒng)，控制效果達到設計要求。

在智能操作層面，針對高耗能的電石爐，通過建立電極電流、電極電壓、電極功率、爐內(nèi)壓力等關鍵操作變量過程模型，實施先進控制，其控制效果得到顯著改善，經(jīng)過標定計算，噸電石耗電量降低2.37%。同時，針對熱電、電石、水泥、化工四大耗能生產(chǎn)板塊，改造、新增能源計量儀表近4 000塊，建立了基于水、熱力學能源管網(wǎng)模型，對熱電聯(lián)產(chǎn)的機組負荷進行優(yōu)化調(diào)度，保障各機組經(jīng)濟運行。通過數(shù)據(jù)對比分析，優(yōu)化后降低煤耗1.45%，每年可節(jié)約4.29萬噸標準煤。

在生產(chǎn)運營方面，建立了ERP、OA等管理平臺，通過智能工作流引擎促進經(jīng)營管理業(yè)務的高效與協(xié)同，大大提高了生產(chǎn)管理的質(zhì)量和效率。

基于工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，建立了基于原料、產(chǎn)量、質(zhì)量、設備等主題的分析模型，幫助管理者進行科學決策，優(yōu)化管理與生產(chǎn)。

“十三五”期間，該企業(yè)在智能工廠建設方面將進一步加大投入，繼續(xù)推進信息化項目建設，如建設關鍵裝置先進控制、重大危險源監(jiān)察、設備故障診斷及主動防護、跨境電商平臺等，不斷完善企業(yè)業(yè)務管理的IT支撐體系，為企業(yè)發(fā)展提供新動力。

3 流程工業(yè)智能工廠建設

展望

當前，新一輪的科技革命與中國的產(chǎn)業(yè)變革產(chǎn)生了交匯，智能工廠建設還處在起步階段，未來還需要在工控信息安全與防護、智能工廠參考模型建模、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析與應用、生產(chǎn)過程模擬仿真[7]等方面開展更多的研究，并要求業(yè)主、方案提供商、科研院所等多方力量進行聯(lián)合創(chuàng)新、探索，結(jié)合行業(yè)特點，將先進的信息化工具、技術與企業(yè)的工藝知識庫、操作經(jīng)驗進行深度融合，探索創(chuàng)新出行業(yè)最佳應用實踐，是智能工廠提升發(fā)展的必由之路。

同時，智能工廠的內(nèi)涵和外延還在不斷發(fā)展和深化之中。展望未來，智能工廠將繼續(xù)利用數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的先進技術，發(fā)展基于智能制造的生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)原料供應到制造加工再到產(chǎn)品銷售的價值鏈集成，創(chuàng)新生產(chǎn)管理模式，幫助企業(yè)實現(xiàn)安全、綠色、高效、節(jié)能的生產(chǎn)愿景，全面提升企業(yè)競爭力。

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