流程行業如何打造智能工廠?

2019-10-10 14:47:15 達美盛 45

眾所周知,制造業是國民經濟的主體,是立國之本、興國之器、強國之基。智能制造與生俱來,就是以制造業為主體依托的。然而,與世界先進水平相比,中國制造業仍然大而不強,細分在流程行業,石化化工等工廠在自主創新能力、資源利用效率、產業結構水平、信息化程度、質量效益等方面差距明顯,轉型升級和跨越發展的任務緊迫而艱巨。進一步轉型升級,對于流程行業來說,智能化工廠是實現“智能制造”的必由之路。

一、智能制造的概念和意義

按照《關于印發智能制造發展規劃(2016-2020年)的通知》文件(工信部聯規〔2016〕349號)中的說明定義:智能制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合,貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環節,具有自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等功能的新型生產方式。

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智能制造系統架構

加快發展智能制造,是培育我國經濟增長新動能的必由之路,是搶占未來經濟和科技發展制高點的戰略選擇,對于推動我國制造業供給側結構性改革,打造我國制造業競爭新優勢,實現制造強國具有重要戰略意義。

二、智能制造提出的國家背景及政策

2014年10月10日,中國和德國聯合發表了《中德合作行動綱領》,重點突出了雙方在制造業就“工業4.0”計劃的攜手合作,推進兩國在移動互聯網、物聯網、云計算、大數據等領域的合作。

借鑒了德國的工業4.0計劃,我國在2015年迅速制定了《中國制造2025》計劃。伴隨著老齡化社會帶來勞動力減少、資源匱乏,能效仍需提升、消費者需求,實現差異化、個性化的生產等客觀市場存在問題,我國的制造業也亟需轉型,計劃在2025年對制造業完成升級轉型。

全面提高企業應用信息化水平,推動信息化和工業化深度融合,促進工業由大變強,大幅提升制造業整體素質,全員勞動生產率明顯提高,單位工業增加值能耗、物耗及污染物排放明顯下降。這是企業效益提升,環境生態友好的戰略之路。

三、國際強國間相關行業政策

與我國國家戰略及政策激烈競爭的國際間大國們,也同樣在制造業制訂并實施了一系列國家政策。其中,德國工業4.0和美國工業互聯網是表現最為突出的先進技術理念。

在德國。德國政府發起并在世界范圍內推廣的工業4.0,希望重塑自己在工業領域的全球龍頭地位,支持工業領域新一代革命性技術的研發與創新,并解決老齡化等問題,旨在保持德國的國際競爭力。在這一高度下,德國本身的工業4.0規劃,非常側重借助信息產業將其原有的先進工業模式智能化和虛擬化,重視智能工廠和智慧生產,運用互聯技術與高度集成化,使工廠的各個生產模塊智能化,從而將工廠變為具備自律分散系統的智能工廠。

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德國工業4.0

在美國。美國政府推出了《美國競爭力計劃》,其中“先進制造業國家戰略計劃”更是其重點,“工業互聯網”的概念最早是由美國通用電氣公司(GE)提出,隨后聯合另外四家IT巨頭(Intel、Cisco、AT&T、IBM)組建了工業互聯網聯盟(IIC),將這一概念大力推廣開來。“工業互聯網”主要含義是,在現實世界中,機器、設備和網絡能在更深層次與信息世界的大數據和分析連接在一起,帶動工業革命和網絡革命兩大革命性轉變。通過建立協同的生態系統,基于統一架構、互操作和開放標準,利用工業和公共的基礎設施,支撐業務轉型和社會協作,實現設備與人、流程和數據之間的安全連接、控制和集成,從而加速工業物聯網的增長。

其他如韓國《制造業創新3.0戰略》、日本《社會5.0》、英國《英國工業2050戰略》等發達國家,都在考慮自身制造業的升級改造,與我國的《中國制造2025》有異曲同工之妙。

四、兩化融合是必由之路

兩化融合是信息化和工業化的高層次深度結合,是指以信息化帶動工業化、以工業化促進信息化,走新型工業化道路;兩化融合的核心就是信息化支撐,追求可持續發展模式。

兩化融合是指電子信息技術廣泛應用到工業生產的各個環節,信息化成為工業企業經營管理的常規手段。信息化進程和工業化進程不再相互獨立進行,不再是單方的帶動和促進關系,而是兩者在技術、產品、管理等各個層面相互交融,彼此不可分割,并催生工業電子、工業軟件、工業信息服務業等新產業。兩化融合是工業化和信息化發展到一定階段的必然產物。

目前流程行業的智能化工廠建設,可以從技術融合、產品融合、業務融合、產業衍生四個方面開展:

技術融合:將工業技術與信息技術的融合,產生新的技術,推動技術創新,如MES和ERP系統接口功能擴充、工控網絡安全防護產品等。

產品融合:電子信息技術或產品滲透到產品中,增加產品的技術含量,如將傳感器加入到泵、電機、大型設備等,均可以提高產品自診斷、遠程維護等功能。

業務融合:信息技術應用到企業研發設計、生產制造、經營管理、市場營銷等各個環節,推動企業業務創新和管理升級。如企業柔性化生產、企業經營管理信息化改造。

產業衍生:兩化融合催生出的新產業,形成一些新興業態,如工業電子、工業軟件、工業信息服務業。圍繞了用戶新的市場需求,工程公司和工業相關軟件商的服務范圍將擴大,同時工作內容也進一步深入與細化滿足業主要求。

五、流程行業的落地思考

對于廣大流程制造業企業,如何開展“智能工廠”的應用點或者切入角度,個人認為應著眼于三個國家政策文件:《智能制造發展規劃(2016-2020年)》、《智能制造工程實施指南(2016-2020年)》和《智能制造試點示范項目要素條件》。根據其中要求,圍繞智能制造模式,應用新技術創新,開展智能制造工作。主要分為以下7個方面:

1)工廠總體設計、工藝流程及布局均已建立數字化模型,并進行模擬仿真,實現生產流程數據可視化和生產工藝優化。 

2)實現對物流、能流、物性、資產的全流程監控,建立數據采集和監控系統,生產工藝數據自動數采率達到90%以上。 

3)采用先進控制系統,工廠自控投用率達到90%以上,關鍵生產環節實現基于模型的先進控制和在線優化。 

4)建立生產執行系統(MES),生產計劃、調度均建立模型,實現生產模型化分析決策、過程量化管理、成本和質量動態跟蹤以及從原材料到產成品的一體化協同優化。建立企業資源計劃系統(ERP),實現企業經營、管理和決策的智能優化。 

5)對于存在較高安全與環境風險的項目,實現有毒有害物質排放和危險源的自動檢測與監控、安全生產的全方位監控,建立在線應急指揮聯動系統。 

6)建立工廠通信網絡架構,實現工藝、生產、檢驗、物流等制造過程各環節之間,以及制造過程與數據采集和監控系統、生產執行系統(MES)、企業資源計劃系統(ERP)之間的信息互聯互通。 

7)建有工業信息安全管理制度和技術防護體系,具備網絡防護、應急響應等信息安全保障能力。建有功能安全保護系統,采用全生命周期方法有效避免系統失效。

只有在流程工廠中,我們通過持續改進,實現生產過程動態優化,制造和管理信息的全程可視化,企業在資源配置、工藝優化、過程控制、產業鏈管理、節能減排及安全生產等方面的智能化水平才能逐步得到顯著提升。

六、流程行業的實施措施

對比了美國“先進制造伙伴計劃”、德國“工業4.0”,我國的“中國制造2025”在流程行業的實施措施(如何進一步實現流程行業的智能化工廠)。

1、實現虛擬建造、數字化交付形成數字化工廠

數字化交付的概念:基于數字化工廠設計系統開展工程項目實施,設計過程中二維和三維設計數據已實現基于位號的結構性數據集成及多專業協同,同時采用與數字化工廠設計系統配套的文檔系統實現了基于位號的非結構性數據設計文檔、供應商文檔關聯,在交付時向業主整體移交設計數據庫。最終按照業主要求,將數據庫與平臺一起移交。

一方面,提交給業主的全部文檔和數據資料在統一的數據庫平臺,并進行了數據關聯,可以有效快速檢索信息;另一方面,三維虛擬工廠的建成移交給業主,有利于后續運維階段的深化應用(如技改方案分析、設備檢修管理、逃生方案模擬、巡檢人員監控、視頻火災監控平臺等)

對于制造企業來說,不管是新建工廠直接數字化交付,還是既有工廠實現逆向建模數據整理,都是很好的二三維數據圖檔一體化整體解決方案,有利于用戶高效快速得到全生命周期的數據,保持良好的延續性,用于后期工廠的運維管理。

2、流程工廠信息系統的強化和完善

在目前大多數流程工廠架構中,BPCS和SIS等主要控制系統較多,但是需要后期技改中設計、增加及補齊需要的其他類信息管理系統,以利于獲取更多工廠運維過程中數據,以支撐更多工廠各孤立數據或功能系統的數據融合和打通。對于工廠信息系統應從兩個方面開展集成:

①橫向數據集成。擴展所有業務單元信息化,形成企業各項業務在線化,提高業務運作效率。

②縱向數據集成。將底層各數據單元最大化快速地發布到各管理系統,便于商業決策及生產運營。

尤其是在現有DCS、PLC、FCS等生產控制系統之外,進一步完善擴充管理信息系統MIS、先進過程控制APC、企業資源計劃ERP、供應鏈管理SCM、生產執行系統MES、操作員培訓仿真系統OTS等各種功能管理信息系統,為商業智能、決策自動化執行做出良好基礎。

3、OT與IT技術融合,全面轉向工業IIot和CPS

流程制造行業目前主體運用了運營技術OT(Operational Technology),包括了企業的各類終端、流程和事件進行監控或控制的軟硬件技術,主要包括數據采集和自動控制技術。對于工控行業來說,更多的是控制系統(DCS、PLC、SCADA、SIS、OPC、FCS等)及測控儀表(溫度壓力流量液位分析等傳感器及控制閥)等。

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基于云計算的虛擬工廠技術體系

現在信息技術與自動化技術融合,支撐智能制造。通過實現IT網絡與工控網絡集成,可以對工業機器人的狀態進行反饋和控制,展示了實現業務可視化、柔性生產、確保生產線接近于零宕機和能源高效利用等智能制造的應用場景。企業可以經濟、柔性地組織生產,增強決策與控制水平,達到生產質量的最優化、生產效率的最大化。

工業物聯網(IIoT)的出推動了IT與OT的融合。由于越來越多的物連接在一起,信息物理系統(CPS)將成為現實,制造型企業與為其提供服務的供應商,將不得不進行創新,并以前所未有的速度部署這些新的融合技術。

對于制造企業和工程公司,更多地就是需要對老廠進行存量改造,增加大量傳感器,提高自動化水平,而在新廠中增加自動化控制,增加數據采集傳感器。工廠自動化與信息技術的整合,諸如分散型控制系統(Shop Floor Control;DCS)、制造執行系統(Manufacturing Execution System;MES)、監視與整合控制(SCADA)等工廠信息系統,即需要與上位IT系統進行整合SCADA,最終實現數據在工廠層級能夠互聯互通,便于管理。

4、工廠IT架構全面“云化”

在流程工廠中,大量資源存在于分散的孤立系統,如儀控部門的DCS系統、電氣部門的后臺綜保系統、電信部門的數據中心以及工廠管理及辦公系統等,而在云計算平臺中,所有資源被虛擬化、服務化,這些資源被聚集到一個虛擬資源池中,再根據業務應用的需要進行資源分配和組合,以實現資源的扁平化管理。特別是單機需要調用大量資源進行運算處理時,可以迅速提升運算能力和效率,同時具有更好的擴展性和開放性。

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作為一種新的服務化計算模式,云計算通過搭建的存儲和計算服務中心,把資源統一管理并“云化”,集中存儲,統一調度,可以為用戶高效地提供服務。對于流程工廠的業主建立私有云,不僅可以做到統一IT資源調度,避免投資浪費,而且為提升企業運營效率都可以起到非常重要的作用。

5、加強工控網絡信息安全防護

伴隨著智能化工廠相關技術對制造企業的融合和推進,信息安全將深入各個領域。影響程度不是根據企業的信息化相關度,而是與核心數據的關聯度。工業安全在工業生產中是最基本的前提條件,但信息安全卻是由于生產網絡化、信息化、高集成自動化后形成的新問題。隨著信息化的深入,企業或多或少會遇到信息安全的問題,而隨著數據價值的不斷提升,這種影響對于企業來說也會越來越明顯。

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來自互聯網的攻擊

因此,保護企業的核心數據安全是未來所有企業的大方向,而面對不同企業不同的防護需求,也有不同的考慮:

①采用靈活企業具有針對性的加密軟件進行數據本源的防護;

②增加專門的網絡防火墻用于數據監控和審計;

③建立有效的工控信息安全管理制度,增加企業數據安全管理意識和能力等多個方面。

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加強網絡信息安全防護

七、結束語

中國制造2025的路還很漫長,到建國一百周年的時候,國家按照“三步走”才能實現制造強國的戰略目標。而作為制造業中的流程行業,也是重要的工業基礎。各方面為流程行業制造企業服務的過程中,有不同的思考和探索途徑。只要實現數據共享、互聯互通,在大數據平臺的基礎上,就可以完善走出企業自身發展特色的“智能化工廠”之路。


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達美盛為國家高新技術企業、中關村高新技術企業、《工程建設標準化》理事會理事單位, ISO15926國內首家發起成員,CFIHOS組織成員單位,并通過了ISO9001、ISO14001、OHSAS18001等質量體系認證;榮獲2016年度最佳數字化工廠服務商、2016年度“基礎設 施可視化資產管理最佳應用獎”;其全資子公司四川達美盛工程設計有限公司具備石油天然氣設計資質。


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