1.1 智能工廠建設(shè)思路
智能工廠建設(shè)的總體目標(biāo)是：采用成熟的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)，圍繞生產(chǎn)管控、設(shè)備運行、質(zhì)量控制、能源供給、安全應(yīng)急5 項核心業(yè)務(wù)，采取關(guān)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(fēng)險分級管控及生產(chǎn)績效動態(tài)評估等關(guān)鍵措施，著力提升企業(yè)生產(chǎn)管控的感知能力、預(yù)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(biāo)。
對于流程工業(yè)企業(yè)這樣一個復(fù)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(shè)分為智能機(jī)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(jìn)的裝備、技術(shù)與系統(tǒng)，進(jìn)行智能化建設(shè)，如圖1 所示。
（1）智能機(jī)構(gòu)層：在適合的生產(chǎn)單元、工序中進(jìn)行智能化操作改造，最大限度地利用機(jī)械臂、碼垛機(jī)、巡檢機(jī)器人、無人引導(dǎo)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(jìn)行系統(tǒng)化的設(shè)計和建設(shè)，包括泄漏、火災(zāi)、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(wù)。
（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(shè)備、能源、安全等業(yè)務(wù)管理提供智能操作系統(tǒng)與平臺，包括先進(jìn)控制（APC）、仿真培訓(xùn)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(wù)流程，豐富操作優(yōu)化的指導(dǎo)工具，提升生產(chǎn)操作的業(yè)務(wù)協(xié)同水平[4]。
（5）智能運營層：為供應(yīng)商關(guān)系管理、客戶關(guān)系管理、企業(yè)資源計劃、工程項目管理、科研管理等業(yè)務(wù)提供智能化服務(wù)平臺，包括企業(yè)資源計劃（ERP）、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)（SCM）、客戶關(guān)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(guān)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(yù)見可能發(fā)生的某種“壞的未來”并且給出相關(guān)建議，即預(yù)測并提供解決方案。
1.2 流程工業(yè)智能工廠建設(shè)步驟
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(shè)智能工廠的基礎(chǔ)條件、建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)內(nèi)容，均應(yīng)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(shè)備、工序、工段、車間的儀表及自動化系統(tǒng)，對人工操作、機(jī)械控制等環(huán)節(jié)進(jìn)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(shè)的關(guān)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(wù)流程，并通過電子化的信息系統(tǒng)進(jìn)行支撐，做到管控流程的透明和可追溯。本階段建設(shè)的關(guān)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(shè)計的靜態(tài)數(shù)據(jù)和工廠運行的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，將MES、ERP、EAM、全生命周期管理（PLM）、SCM、CRM、工廠設(shè)計等系統(tǒng)進(jìn)行集成，建設(shè)以企業(yè)數(shù)字化模型為核心的業(yè)務(wù)應(yīng)用及展示平臺。本階段建設(shè)的關(guān)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(jī)理研究，分業(yè)務(wù)、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(shè)的關(guān)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(shè)的功能架構(gòu)如圖3 所示。
智能工廠建設(shè)內(nèi)容包括：智能服務(wù)數(shù)據(jù)交換體系、3 個智能化管控平臺、十大智能業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。
1.3.1 基于智能服務(wù)總線的數(shù)據(jù)交換體系
基于實時數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫，以及工程設(shè)計、工廠資源、生產(chǎn)動態(tài)、現(xiàn)場多媒體等信息融合技術(shù)與可視化技術(shù)，建立基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)倉庫的智能服務(wù)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(shè)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(yīng)用孤島”[5]。
數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)包括：傳輸服務(wù)（安全/可靠的數(shù)據(jù)傳輸，同步/異步服務(wù)等）、仲裁服務(wù)（服務(wù)路由、格式轉(zhuǎn)換、流程引擎等）以及協(xié)議服務(wù)（接入?yún)f(xié)議轉(zhuǎn)換、接出協(xié)議轉(zhuǎn)換）。
1.3.2 三個智能服務(wù)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(jī)組綜合控制系統(tǒng)（ITCC）、火災(zāi)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(jī)組設(shè)備健康等。
（2）企業(yè)生產(chǎn)管理智能服務(wù)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(wù)、IT 工具集等。
（3）企業(yè)生產(chǎn)運營智能服務(wù)平臺：以ERP 為核心，包括企業(yè)主數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)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(wù)應(yīng)用系統(tǒng)
智能工廠應(yīng)著力建設(shè)十大核心智能系統(tǒng)：工程設(shè)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(jìn)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(shè)備運行管理系統(tǒng)、安全風(fēng)險分級管控與安全應(yīng)急指揮系統(tǒng)、目標(biāo)傳導(dǎo)式績效管理系統(tǒng)。
1.4 智能工廠建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)
在智能工廠建設(shè)過程中，需要攻克一系列關(guān)鍵技術(shù)，包括：
（1）工程設(shè)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(guān)聯(lián)關(guān)系的，很難保證數(shù)據(jù)的一致性，業(yè)主很難進(jìn)行維護(hù)和再利用。而“ 數(shù)字化交付”將各專業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并將它們之間建立起關(guān)聯(lián)關(guān)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(shù)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(fù)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(chǔ)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(xùn)系統(tǒng)、在線污水監(jiān)測系統(tǒng)、績效考核系統(tǒng)、在線培訓(xùn)系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)存在技術(shù)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(yīng)用孤島，需要攻克異構(gòu)系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的集成與互聯(lián)互通。
（3）復(fù)雜過程動態(tài)特性優(yōu)化控制策略設(shè)計
流程工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過程工藝復(fù)雜，各裝置上下游工藝關(guān)聯(lián)緊密，設(shè)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(shè)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(shè)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(guān)鍵問題。
（4）多層次、多尺度工廠統(tǒng)一進(jìn)行建模
生產(chǎn)企業(yè)管理是一個復(fù)雜的多維系統(tǒng)，如何建立生產(chǎn)、設(shè)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(yīng)用系統(tǒng)實用性、靈活性的關(guān)鍵，需要攻克工廠統(tǒng)一建模的技術(shù)難題[6]。
（5）重大耗能設(shè)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(jī)、泵等重大耗能設(shè)備的能效評估模型，導(dǎo)致對其的操作與控制智能憑經(jīng)驗進(jìn)行，因此需要通過基于機(jī)理和數(shù)據(jù)聯(lián)合建模的方法，繪制設(shè)備能效監(jiān)察圖，并通過實時計算值在線評估各臺設(shè)備的當(dāng)前能效，解決設(shè)備能效分析與負(fù)載優(yōu)化難題。
（6）關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備故障診斷與操作優(yōu)化
關(guān)鍵設(shè)備一旦發(fā)生故障，不但造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，有可能還會引發(fā)安全事故。通過設(shè)備運行狀態(tài)、巡檢及檢維修紀(jì)錄等信息，找到設(shè)備變化的規(guī)律，對設(shè)備潛在的故障進(jìn)行預(yù)警，是智能工廠中提高設(shè)備運行效率的重要方法。
（7）區(qū)域定量風(fēng)險分析及重大事故模擬
涉及危險化學(xué)品生產(chǎn)、儲存的區(qū)域，要進(jìn)行火災(zāi)、爆炸、泄漏、中毒等多種災(zāi)難事故的疊加風(fēng)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(fēng)險容量、事故場景、多米諾效應(yīng)等多種功能于一體的安全信息系統(tǒng)，技術(shù)難點是上述模型的研究仍需加強(qiáng)。
（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(biāo)量化細(xì)化分解使戰(zhàn)略轉(zhuǎn)化成指標(biāo)是重要的技術(shù)難點。
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(jì)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(biāo)，以智能工廠建設(shè)為契機(jī)，建設(shè)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(jì)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(jìn)行了智能化改造，使用了PVC 包裝機(jī)器人和片堿包裝碼垛機(jī)，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(jìn)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(chǔ)。
在智能控制層面，我們建設(shè)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(jī)組等工藝技術(shù)先進(jìn)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(dá)到設(shè)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(guān)鍵操作變量過程模型，實施先進(jìn)控制，其控制效果得到顯著改善，經(jīng)過標(biāo)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(xué)能源管網(wǎng)模型，對熱電聯(lián)產(chǎn)的機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，保障各機(jī)組經(jīng)濟(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)經(jīng)營管理業(yè)務(wù)的高效與協(xié)同，大大提高了生產(chǎn)管理的質(zhì)量和效率?；诠I(yè)大數(shù)據(jù)平臺，建立了基于原料、產(chǎn)量、質(zhì)量、設(shè)備等主題的分析模型，幫助管理者進(jìn)行科學(xué)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(shè)方面將進(jìn)一步加大投入，繼續(xù)推進(jìn)信息化項目建設(shè)，如建設(shè)關(guān)鍵裝置先進(jìn)控制、重大危險源監(jiān)察、設(shè)備故障診斷及主動防護(hù)、跨境電商平臺等，不斷完善企業(yè)業(yè)務(wù)管理的IT 支撐體系，為企業(yè)發(fā)展提供新動力。
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