肖亞寧

【摘要】本文結(jié)合我國流程型企業(yè)的特征，以及中國制造2025的建設(shè)要求和當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合潞安集團(tuán)煤基合成油項(xiàng)目分析了流程型企業(yè)智能制造建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)理論，旨在通過智能制造建設(shè)促進(jìn)煤化工企業(yè)由傳統(tǒng)制造向智能制造轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)力。

【關(guān)鍵詞】智能制造? 大數(shù)據(jù)? 云計(jì)算? 物聯(lián)網(wǎng)? 數(shù)字三維

一、時(shí)代背景和前沿趨勢(shì)

當(dāng)前國際形勢(shì)下，國際產(chǎn)業(yè)格局面臨重大調(diào)整，圍繞搶奪制造業(yè)制高點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，各個(gè)國家結(jié)合自身產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢(shì)不斷加強(qiáng)戰(zhàn)略總體布局和理論方法創(chuàng)新，著力打造信息化背景下國家制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的新優(yōu)勢(shì)。我國在2015年提出“中國制造2025”的戰(zhàn)略目標(biāo)，在未來十年的主攻方向是智能制造，結(jié)合兩化融合，強(qiáng)化中國制造在裝備系統(tǒng)和數(shù)字化方案上的低成本優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)中國從制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)型。經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，我國流程工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化，關(guān)鍵技術(shù)不斷取得突破，已發(fā)展成為世界規(guī)模最大的流程工業(yè)制造國家，然而在流程工業(yè)生產(chǎn)制造總體效能上仍與國際先進(jìn)水平存在差距。如何積極應(yīng)對(duì)全球化制造新形勢(shì)帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，有效利用現(xiàn)代信息技術(shù)，解決目前流程工業(yè)在經(jīng)營決策層面、生產(chǎn)運(yùn)行層面、能效安環(huán)層面以及信息集成層面存在的瓶頸問題，推進(jìn)以高效化、綠色化和智能化制造為目標(biāo)的流程工業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)全面生產(chǎn)管理以及營銷模式的變革，是流程工業(yè)實(shí)現(xiàn)高端制造的關(guān)鍵。

二、煤化工企業(yè)智能制造關(guān)鍵內(nèi)容與相關(guān)技術(shù)

在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，智能化建設(shè)由量變到質(zhì)變的過程，需要互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)深度融合。企業(yè)發(fā)掘新動(dòng)能，提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的主要難點(diǎn)是資金流、物質(zhì)流、能量流和信息流的集成和高效調(diào)控。結(jié)合兩化融合的最新的發(fā)展技術(shù)，流程型智能制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)依托信息物理系統(tǒng)，以潞安集團(tuán)180萬噸煤基合成油項(xiàng)目（下簡(jiǎn)稱180項(xiàng)目）為成功案例，從以下幾個(gè)層面入手，分析相關(guān)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵內(nèi)容。

（一）生產(chǎn)運(yùn)行智能化

流程工業(yè)制造過程通常采用由經(jīng)濟(jì)優(yōu)化層、計(jì)劃調(diào)度層、先進(jìn)控制層、基礎(chǔ)控制層等不同功能層組成的分層遞階結(jié)構(gòu)，如何根據(jù)實(shí)際過程的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，從全局出發(fā)協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分的操作，是生產(chǎn)運(yùn)行智能化的核心。為了解決該問題，需要將物質(zhì)轉(zhuǎn)化機(jī)理與裝置運(yùn)行信息進(jìn)行深度融合，將生產(chǎn)計(jì)劃與設(shè)備進(jìn)行深度關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的精確監(jiān)控和分析，進(jìn)而計(jì)劃的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，形成以需求為驅(qū)動(dòng)的敏捷規(guī)模生產(chǎn)。企業(yè)利于大數(shù)據(jù)平臺(tái)，建立多數(shù)源的對(duì)比分析、相關(guān)性分析和預(yù)測(cè)分析模型，優(yōu)化控制參數(shù)，指導(dǎo)生產(chǎn)操作。

180項(xiàng)目依托智能建設(shè)的整體規(guī)劃設(shè)計(jì)分步實(shí)施，實(shí)現(xiàn)控制、管理、經(jīng)營一體化。項(xiàng)目的控制系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分為三層，即：過程控制層（PCS）、生產(chǎn)運(yùn)行管理層（MES）、生產(chǎn)經(jīng)營管理層（ERP）。目前180項(xiàng)目已建成過程控制層涵蓋生產(chǎn)過程、公用工程、原料產(chǎn)品、成品進(jìn)出廠等全過程，包括22個(gè)生產(chǎn)單元使用DCS集散控制系統(tǒng)，1個(gè)單元使用PLC控制系統(tǒng)，共計(jì)18290點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，后期擬建立工藝流程先進(jìn)過程控制（APC）和在線實(shí)時(shí)優(yōu)化控制（RT-OPT）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化流程控制;在建的MES生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)以生產(chǎn)綜合指標(biāo)為指導(dǎo)，利用信息化手段制定生產(chǎn)計(jì)劃，執(zhí)行優(yōu)化調(diào)度，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化管理，將生產(chǎn)控制層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理形成統(tǒng)一的生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)，為準(zhǔn)確決策提供依據(jù)，并承擔(dān)各區(qū)域的協(xié)調(diào)管理、總調(diào)度管理;生產(chǎn)經(jīng)營管理層（ERP）集成企業(yè)的關(guān)鍵信息和核心數(shù)據(jù)，建立一體化的經(jīng)營管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)物流、價(jià)值流和信息流的綜合管理。

（二）設(shè)備管理智能化

流程型企業(yè)都是重資產(chǎn)企業(yè)，新裝置、新設(shè)備不斷增加，設(shè)備不斷向大型化、集約化方向發(fā)展，核心設(shè)備長(zhǎng)周期、高負(fù)荷運(yùn)行，設(shè)備是否受控直接影響到安全和生產(chǎn)。當(dāng)前設(shè)備管理智能化建設(shè)的方向主要依托信息物理系統(tǒng)（CPS）和三維虛擬技術(shù)，建立虛擬工廠，集成集成設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)等各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、可視化。建設(shè)故障診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)中心，根據(jù)各種傳感器實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，運(yùn)用智能監(jiān)測(cè)設(shè)備、分析軟件，對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，通過問題分析、故障預(yù)測(cè)，確保設(shè)備的穩(wěn)定和健康。

180項(xiàng)目根據(jù)整體規(guī)劃，目前正在進(jìn)行設(shè)備的生命全周期管理系統(tǒng)（ETM）的調(diào)研實(shí)施工作。系統(tǒng)上線后通過運(yùn)用新型傳感技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析建立設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，對(duì)設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)、狀態(tài)監(jiān)控和故障分析提供科學(xué)、系統(tǒng)的支撐，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的健康管理和安全管理，提高設(shè)備的完好率和運(yùn)行效果，有效降低設(shè)備維修成本，保證生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)建成后可預(yù)見的節(jié)約成本在800萬元/a以上。

（三）環(huán)保管理智能化

生產(chǎn)過程產(chǎn)生廢水、廢氣、廢渣甚至?；?，為了確保安全生產(chǎn)，其核心就是建立生產(chǎn)制造全生命周期安全環(huán)境足跡監(jiān)控與風(fēng)險(xiǎn)控制的手段。如何通過傳感、檢測(cè)、控制以及溯源分析等新方法和新技術(shù)，突破流程工業(yè)安全環(huán)境足跡監(jiān)控與溯源分析及控制的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)綠色制造的迫切需求。企業(yè)建立大數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用自動(dòng)識(shí)別污染物技術(shù)和擴(kuò)散模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)異常情況的溯源分析。對(duì)廢水廢氣污染物等智能實(shí)時(shí)分析監(jiān)測(cè)及報(bào)警管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線環(huán)保監(jiān)測(cè)、污染物監(jiān)控。

180項(xiàng)目注重可持續(xù)性發(fā)展，在保證生產(chǎn)情況下，對(duì)于環(huán)境治理和污染物零排放做著不懈努力。通過運(yùn)用新型監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)和專項(xiàng)應(yīng)用系統(tǒng)，運(yùn)用煤、油、化、電、熱一體化、棄采高硫煤的清潔高效利用、甲烷與二氧化碳重整技術(shù)實(shí)現(xiàn)廢棄利用、焦?fàn)t氣耦合、余熱蒸汽發(fā)電回收低能熱能、合理利用空分氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)焦?fàn)t干熄焦、廢渣綜合利用生產(chǎn)建材、聯(lián)產(chǎn)合成氨作為硝基化工原料、污水深度處理回用等國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)工藝，實(shí)現(xiàn)噸油耗水6.8噸、噸油綜合能耗折標(biāo)煤3.5噸;二氧化碳與甲烷重整、輸送粉煤，實(shí)現(xiàn)減排150萬噸/a，實(shí)現(xiàn)高技術(shù)應(yīng)用、高效能循環(huán)、高品位展示、低碳、低能耗、低排放的綠色環(huán)保要求。

（四）安全管理智能化

安全管理智能化是運(yùn)用智能控制系統(tǒng)和智能裝備，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、關(guān)鍵部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控、主動(dòng)預(yù)警、視頻聯(lián)動(dòng)的安全智能管理體系。企業(yè)應(yīng)建立職業(yè)危害數(shù)據(jù)庫，加強(qiáng)危害管理，同時(shí)基于知識(shí)庫和企業(yè)管理經(jīng)驗(yàn)，建立危害評(píng)估平臺(tái)，對(duì)危害進(jìn)行定性定量分析，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)場(chǎng)所職業(yè)病危害因素智能檢測(cè)與評(píng)估。

180項(xiàng)目采用中央控制室（CCR）、現(xiàn)場(chǎng)控制室（FCR）和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室（FRR）結(jié)合的配置方式。DCS、SIS和CCS等的控制器設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室（FRR）或現(xiàn)場(chǎng)控制室（FCR）的機(jī)柜間，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)及連鎖回路;在中央控制室建立應(yīng)急指揮中心進(jìn)行控制、監(jiān)測(cè)、報(bào)警處理等操作。新建有毒有害氣體泄露緊急切斷系統(tǒng)和機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)，保證人身安全和生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。

（五）決策管理智能化

決策智能化核心是要解決如何深度融合市場(chǎng)和裝置運(yùn)行特性知識(shí)進(jìn)行管理模式的變革。由于企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃的不確定因素眾多，原料采購價(jià)格和市場(chǎng)需求多變，給企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行和經(jīng)營管理的決策帶來難題。同時(shí)目前企業(yè)的原料采購與裝置運(yùn)行特性關(guān)聯(lián)度不高、產(chǎn)品生產(chǎn)與市場(chǎng)需求脫節(jié)。因此，以大數(shù)據(jù)、知識(shí)型工作自動(dòng)化為代表的現(xiàn)代信息技術(shù)為制造過程計(jì)劃和管理的優(yōu)化決策帶來了契機(jī)。運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)，建立經(jīng)營管理輔助決策模型，并與生產(chǎn)實(shí)時(shí)決策系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。系統(tǒng)與市場(chǎng)信息集成，及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)成本，快速響應(yīng)變化，實(shí)現(xiàn)全局性科學(xué)決策優(yōu)化，由經(jīng)驗(yàn)型決策管理模式向智慧決策管理模式轉(zhuǎn)變。建立跨專業(yè)、縱向集成的管控一體化管理平臺(tái)，建成決策層、管理層和執(zhí)行層的業(yè)務(wù)集成在線優(yōu)化閉環(huán)管理，將企業(yè)要求由決策層傳遞到管理層、作業(yè)層，將效益指標(biāo)分解為操作指標(biāo)。

180項(xiàng)目建立完成了生產(chǎn)經(jīng)營管理系統(tǒng)（ERP），集成了企業(yè)的關(guān)鍵信息和核心數(shù)據(jù)，使經(jīng)營管理平臺(tái)一體化，實(shí)現(xiàn)經(jīng)營管理端到端的高度協(xié)同一致性。

（六）協(xié)同管理智能化

企業(yè)協(xié)同智能化建設(shè)是通過智能工廠建設(shè)打破企業(yè)之間的圍墻，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)和價(jià)值鏈優(yōu)化，建立企業(yè)資源協(xié)同平臺(tái)，做好上下游企業(yè)之間生產(chǎn)裝置的相鄰互聯(lián)和規(guī)模匹配，形成上下游產(chǎn)業(yè)鏈一體化。加強(qiáng)企業(yè)間的互動(dòng)、集成和協(xié)作，實(shí)現(xiàn)價(jià)值鏈的重構(gòu)與提升，為企業(yè)發(fā)展創(chuàng)造更大的價(jià)值拓展空間。

潞安集團(tuán)180項(xiàng)目智能建設(shè)最終要在工程技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)“四化”，即自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。同時(shí)，在企業(yè)生產(chǎn)制造層面也要實(shí)現(xiàn)“四化”，即敏捷化、高效化、綠色化和安全化。通過整合各工藝環(huán)節(jié)，統(tǒng)一監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)生產(chǎn)有序、高效協(xié)同，提升企業(yè)的智能化水平。集團(tuán)層面的ERP系統(tǒng)和企業(yè)間ERP數(shù)據(jù)高度一致集中優(yōu)化，行業(yè)和企業(yè)間通過大數(shù)據(jù)積累實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的整體協(xié)同智能化。

三、流程型企業(yè)智能化建設(shè)方向

在流程型企業(yè)建設(shè)智能工廠的過程中，大力推進(jìn)優(yōu)化管理和先進(jìn)技術(shù)的運(yùn)用至關(guān)重要，主要包括以下內(nèi)容：

（一）集中平臺(tái)管理，整體協(xié)調(diào)

整合企業(yè)采購、生產(chǎn)、管理、銷售和財(cái)務(wù)等全流程資源，建設(shè)一體化平臺(tái)，減少數(shù)據(jù)冗余，整合企業(yè)信息流，規(guī)范企業(yè)業(yè)務(wù)流，推進(jìn)企業(yè)集團(tuán)管理規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、透明化，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置。通過數(shù)據(jù)整合挖掘分析，幫助企業(yè)把握生產(chǎn)要素的最佳投入比例，實(shí)現(xiàn)研產(chǎn)供銷、生產(chǎn)控制、經(jīng)營管理、業(yè)務(wù)與財(cái)務(wù)全流程的無縫銜接和業(yè)務(wù)協(xié)同，促進(jìn)生產(chǎn)流程、決策流程、運(yùn)營流程的重組、整合和協(xié)同優(yōu)化，推動(dòng)企業(yè)從靜態(tài)管理向扁平化動(dòng)態(tài)管理轉(zhuǎn)變，利用云端大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)集成提升企業(yè)管理決策的科學(xué)性和運(yùn)營一體化能力。

（二）在線監(jiān)測(cè)和優(yōu)化技術(shù)

利用最新的在線檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備、計(jì)劃資源優(yōu)化系統(tǒng)、調(diào)度管理系統(tǒng)、三維虛擬系統(tǒng)、裝置在線實(shí)時(shí)優(yōu)化（RT-OPT）和先進(jìn)控制技術(shù)（APC）等智能化手段，按不同的數(shù)學(xué)模型來精確定位物料流向，識(shí)別和優(yōu)化生產(chǎn)工藝及加工流程，提升的產(chǎn)品價(jià)值和各流程利用效率，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

（三）三維技術(shù)創(chuàng)新

利用三維技術(shù)，對(duì)工廠仿真和虛擬系統(tǒng)接入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括：設(shè)備參數(shù)及運(yùn)行數(shù)據(jù)、生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、人員實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、物料運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、區(qū)域監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等形成數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，基于數(shù)據(jù)決策分析?；谔摂M工廠數(shù)據(jù)可視與互動(dòng)，對(duì)工廠運(yùn)行狀態(tài)及場(chǎng)景相互融合，數(shù)據(jù)進(jìn)行交互使用。包括：VR巡游、工廠仿真、設(shè)備仿真、人員基于仿真培訓(xùn)、虛擬工廠模型、虛擬工廠生產(chǎn)流程、設(shè)施及流程狀態(tài)預(yù)警、安全管理、指令管理等。提高工廠設(shè)備資產(chǎn)利用率，降低檢修成本，提高企業(yè)穩(wěn)定運(yùn)行水平。

（四）構(gòu)建大數(shù)據(jù)整合、云計(jì)算分析平臺(tái)

構(gòu)建IT基礎(chǔ)設(shè)施云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器、存儲(chǔ)及備份資源的云化共享;形成以自主云計(jì)算與大數(shù)據(jù)為主體的產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系和具有全球競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的云計(jì)算與大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)集群;提升資源匯聚、數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)管理、數(shù)據(jù)整合、分析挖掘、安全保障、按需服務(wù)等能力，實(shí)現(xiàn)核心關(guān)鍵技術(shù)自主可控;圍繞云計(jì)算和大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施、基于云模式和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的新型軟件、大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用與類人智能、云端融合的感知認(rèn)知與人機(jī)交互等創(chuàng)新鏈的建設(shè)，挖掘在企業(yè)應(yīng)用中價(jià)值。建立MES、質(zhì)量管理、績(jī)效管理等交互服務(wù)，利用先進(jìn)的IT集成技術(shù)支撐業(yè)務(wù)應(yīng)用的融合與優(yōu)化，提升企業(yè)生產(chǎn)、設(shè)備和安全環(huán)保管理等方面的預(yù)測(cè)能力，支持便捷、高效、科學(xué)決策。

四、結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，先進(jìn)制造技術(shù)正在向自動(dòng)化、信息化、智能化方向發(fā)展，智能制造日益成為未來制造業(yè)發(fā)展的核心內(nèi)容。發(fā)展智能制造已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)制造業(yè)從低端加工制造向高端智能制造轉(zhuǎn)變的重要途徑，成為制造業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的內(nèi)在的必須要求。同時(shí)，將智能制造這一新興制造技術(shù)在流程型行業(yè)快速移植、轉(zhuǎn)化、升級(jí)，通過規(guī)?；a(chǎn)，可以盡快收回技術(shù)研究開發(fā)的投入資本，從而持續(xù)推進(jìn)新一輪的技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)智能制造技術(shù)的進(jìn)步。

但實(shí)施智能制造，不是面子工程，不是政績(jī)工程，而是企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的內(nèi)在需要。在這個(gè)過程中，不能追求過于理想化的智能，不要追風(fēng)各種新概念，不要只聚焦在設(shè)備等看得見的自動(dòng)化上，還要多關(guān)注研發(fā)技術(shù)、生產(chǎn)工藝、人才素質(zhì)、企業(yè)管理、企業(yè)文化等看不見的內(nèi)在因素。借鑒國內(nèi)外先進(jìn)理念，結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況，在正確應(yīng)用自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的基礎(chǔ)上，揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短，以人為本，充分發(fā)揮人才優(yōu)勢(shì)、管理優(yōu)勢(shì)、文化優(yōu)勢(shì)，最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)保持可持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力，打造企業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。

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