基于CPS的石化智能工廠建設(shè)

導(dǎo)讀

我國石油化工工業(yè)經(jīng)過多年迅速發(fā)展，已經(jīng)完成高速增長的歷史階段，進人高速增長的“新常態(tài)”階段，隨著麟游成本持續(xù)增加、發(fā)展增速下降、資源環(huán)境約束逐漸強化、需求長期變動等影響的新形勢下，貫徹落實國務(wù)院下發(fā)的《中國制造2025》提出的戰(zhàn)略目標(biāo)和要求是石油化工行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要動力。

《中國制造2025》是我國面臨在新的國際經(jīng)濟環(huán)境，為立足于國際產(chǎn)業(yè)變革大勢，為了改變中國制造業(yè)“大而不強”的局面而作出的全面提升中國制造業(yè)發(fā)展質(zhì)量和水平的重大戰(zhàn)略部署。《中國制造2025》中明確提出要加快推進最新制造技術(shù)與信息技術(shù)相互融合，實現(xiàn)智能制造做為量化深度融合的主攻方向，建立信息安全保障系統(tǒng)和智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系，全面升級提高企業(yè)智能化水平，形成以CPS為基礎(chǔ)的智能工廠制造新模式，以促進行業(yè)持續(xù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)深度變革。

1石化信息物理融合系統(tǒng)

1.1 CPS發(fā)展歷程

2006年美國國家基金委員會首先提出信息物理系統(tǒng)(Cyber-physical Systems，簡稱CPS)的概念。2008年韓國高等教育機構(gòu)和科研院開展了CPS研究，關(guān)注計算設(shè)備、通訊網(wǎng)絡(luò)與嵌人式對象的集成跨平臺研究。同年，歐盟啟動了ARTEMIS項目，將CPS作為智能系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。隨后日本學(xué)術(shù)界開展了CPS技術(shù)在醫(yī)療智能器械研發(fā)等方面的應(yīng)用研究。2012年我國啟動了“面向CPS的系統(tǒng)平臺”主題項目，并列人863計劃。

2013年德國《工業(yè)4.0實施建議》將CPS作為工業(yè)4.0的核心技術(shù)，并在標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)研發(fā)、驗證測試平臺建設(shè)等方提出，基于CPS智能制造正在引領(lǐng)生產(chǎn)制造模式革新，我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、創(chuàng)新發(fā)展迎來重大機遇。2017年我國工業(yè)與信息化部發(fā)布《信息物理系統(tǒng)白皮書((2017 )))，給出了CPS的特征、實現(xiàn)路徑及應(yīng)用場景。

1.2石化CPS含義

CPS作為計算進程和物理進程的融合統(tǒng)一體，是集計算過程、通信過程及控制過程于一體的新一代智能系統(tǒng)。CPS通過人機交互接口實現(xiàn)計算進城與物理進程的交互，使“實體”和“虛擬”之間可以有效溝通和協(xié)調(diào)，充分運用資訊及通訊技術(shù)，將虛擬世界和實體環(huán)境兩者之間的距離縮短，然后利用資訊系統(tǒng)來快速反應(yīng)及設(shè)定實體環(huán)境所需;最終實現(xiàn)以實時、可靠、遠程、協(xié)作且安全的方式來反映并操控一個物理實體。

石化CPS作為石化智能工廠的核心，將傳感器、智能硬件、控制系統(tǒng)、計算設(shè)施及信息終端連接成一個智能網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)企業(yè)、員工、設(shè)備、服務(wù)之間的互聯(lián)互通，最大限度的開發(fā)、整合和利用各類信息資源、知識及智慧。

石化CPS建立以人為本的安全管理理念，構(gòu)建多專業(yè)領(lǐng)域人才融合的團隊，突破企業(yè)邊界和規(guī)模，企業(yè)組織形態(tài)向扁平化、流程化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化和分權(quán)化的方向發(fā)展。

石化CPS依靠數(shù)據(jù)與模式驅(qū)動。在不同組件、系統(tǒng)之間進行準(zhǔn)確、實時的數(shù)據(jù)流動，并通過決策算法、機器學(xué)習(xí)等方法發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息價值，形成石化CPS智能決策;而石化CPS模型庫包括模型庫包括工藝模型、業(yè)務(wù)模型、機理模型、優(yōu)化模型及設(shè)備三維模型等，模型結(jié)合成熟的經(jīng)驗、技術(shù)固化在制造管理系統(tǒng)中，支撐石化產(chǎn)品生產(chǎn)管理。

石化CPS可以做到全面態(tài)勢感知、虛實共變、自組織與自適應(yīng)、知識自動化，從而實現(xiàn)智能工廠實時監(jiān)控功能，信息集成、共享和協(xié)同功能，綜合仿真和全局優(yōu)化功能。

石化CPS實現(xiàn)信息空間與物理空間的深度融合和實施交互，建立石化生產(chǎn)各環(huán)節(jié)融合工作機制，實現(xiàn)跨工序的信息共享集成處理與融合分析。根據(jù)企業(yè)架構(gòu)方法論及石化行業(yè)特點，可石化CPS構(gòu)架劃分為五個層次，如圖1。

2基于CPS的石化智能工廠建設(shè)

2.1 石化智能工廠含義

石化智能工廠以卓越運營為目標(biāo)，貫穿運營管理全過程，具備高度數(shù)字化、可視化、集成化、模型化和自動化的石油化工工廠。通過技術(shù)和業(yè)務(wù)的革新，使得企業(yè)具備更為優(yōu)異的感知、預(yù)測、協(xié)同和分析優(yōu)化能力。

石化智能工廠建設(shè)是一項系統(tǒng)工程，從時間維度而言，包括研發(fā)、制造、供應(yīng)鏈等維度;從空間維度而言，包括設(shè)備裝置、自動化、生產(chǎn)工藝、原料及產(chǎn)品的物流倉儲等技術(shù)。目的在于使得石化企業(yè)包含生產(chǎn)工藝、裝置監(jiān)控、倉儲物流管理等在內(nèi)的所有系統(tǒng)能夠有機融合為協(xié)同工作統(tǒng)一系統(tǒng)，進而提高生產(chǎn)管理控制整體績效。

傳統(tǒng)石化企業(yè)信息化三層平臺包括過程控制層、生產(chǎn)執(zhí)行層和經(jīng)營管理層，而石化智能工廠在此基礎(chǔ)上，進一步建設(shè)集中集成、三維數(shù)字化、應(yīng)急指揮等公共服務(wù)平臺。搭建裝置數(shù)字化、感知實時化、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)高速化、應(yīng)用集成化的智能工廠模型框架。

石化智能工廠是面向石化生產(chǎn)的全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，在傳統(tǒng)的石化生產(chǎn)過程工藝及設(shè)備中高度融合新一代信息通訊技術(shù)，實現(xiàn)石化工廠縱向、橫向及端到端的深度集成。升級煉廠實時全面感知、準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)警、深度協(xié)同優(yōu)化、快速科學(xué)決策四項關(guān)鍵能力，以更加靈活精細的方式提升深層運營管理水平，并推動形成新的制造和商業(yè)模式。

2.2石化智能工廠特征

石化智能工廠可歸納總結(jié)為集成化、智能化、自動化、主動化及綠色安全化五大特征。 集成化，實現(xiàn)信息的集成并有效采集企業(yè)內(nèi)部所有流程數(shù)據(jù)，存人建成的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)石化工廠從物理向數(shù)字化的轉(zhuǎn)變。

智能化，實現(xiàn)人機交互模式的變革。在傳統(tǒng)的人機交互中，人作為決策主體來控制“機器”的行為，機器僅處于執(zhí)行階段。然而智能制造中的“機器”擁有甚至可以擴展學(xué)習(xí)“人腦”的能力，因此“機器”可以與人相互協(xié)作、各取所長組成共同決策主體，從而使人機交互與融合達到前所未有的深度。

自動化，全面實現(xiàn)自動感知、主動響應(yīng)、主動控制的自動化管控。

主動化，對市場波動迅速反應(yīng)，主動動態(tài)調(diào)配資源，實現(xiàn)柔性制造。

綠色安全化，實現(xiàn)環(huán)境足跡監(jiān)控及能源管理優(yōu)化，并實現(xiàn)本質(zhì)安全、生產(chǎn)安全、信息安全的安全防設(shè)。

3基于石化CPS的智能工廠建設(shè)實例

3.1 Valero智能工廠建設(shè)

Valero是北美最大的煉化公司，通過智能工廠解決方案，有效提高管控能力，并最大限度發(fā)揮業(yè)務(wù)集成力，其總資產(chǎn)在10年間從50億美元快速增加至1200億美元。Valero基于SAP MII集成平臺及SOA構(gòu)架，采用服務(wù)總線的設(shè)計模式，集成數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA )、集散控制系統(tǒng)(DCS ),生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)(MES )、統(tǒng)計過程控制( SPC)/統(tǒng)計質(zhì)量控制(SQC)、實驗室信息管理系統(tǒng)(LIMS及其維修管理系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)源;并基于ISA 95/88的標(biāo)準(zhǔn)，建立工廠模型，標(biāo)準(zhǔn)化管理并處理工廠實時數(shù)據(jù)。

Valero通過優(yōu)化信息系統(tǒng)進行節(jié)能減排。對鍋爐進行了建模，采用面向方程式的仿真和優(yōu)化軟件工具，以過程單元能源需求、由設(shè)備或環(huán)境法規(guī)所造成的能源要求和制度的約束為依據(jù)，優(yōu)化燃料采購，蒸汽與電力的應(yīng)用，產(chǎn)生年效益約270萬美元。導(dǎo)人建設(shè)智能工廠的問題解決方案后，Valero工廠每年可以節(jié)約1.2-2億美元的成本。

3.2 BP煉油銷售部門智能工廠建設(shè)

BP的煉油銷售部門從管理、技術(shù)兩方面人手進行能源管理，通過iPlant戰(zhàn)略實施，對能源管理體系評估和對能源消耗指標(biāo)的實時監(jiān)控，進行業(yè)務(wù)與信息化的轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)了IT建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化和集成化。

在管理方面，開展領(lǐng)域能源管理診斷，包括組織結(jié)構(gòu)、人員配備、能源管理認知度、財務(wù)管理、操作與維護、工藝設(shè)備及最終成效等關(guān)鍵領(lǐng)域，然后根據(jù)診斷的結(jié)果，自動評級基準(zhǔn)對比企業(yè)能源管理水平，提出企業(yè)能源管理最為薄弱的三個方面，自動生成診斷報告并提出改進方向和措施。

在技術(shù)方面，在下屬的部分煉油企業(yè)應(yīng)用軟件，實時采集、傳輸、存儲來自DCS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、PI系統(tǒng)及數(shù)據(jù)倉庫的能源數(shù)據(jù)，然后線性回歸分析不同類別、層面的歷史能耗數(shù)據(jù)，根據(jù)分析結(jié)果來重新設(shè)定目標(biāo)值。實時監(jiān)控設(shè)定目標(biāo)值與實測得消耗數(shù)值之間的差距變化，在差異較大時發(fā)出報警信息，并提出改進的方向。

3.3中國石化智能工廠建設(shè)

中國石化自2012年啟動智能工廠建設(shè)，并將燕山石化、茂名石化、鎮(zhèn)海煉化、九江石化四家作為試點單位，開展規(guī)劃編制和方案設(shè)計等前期工作;2013年完成智能工廠規(guī)劃，確立智能工廠建設(shè)目標(biāo);2014年完成智能工廠系統(tǒng)設(shè)計，包括業(yè)務(wù)架構(gòu)、系統(tǒng)架構(gòu)、集成架構(gòu)、基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)設(shè)計，制定了包含技術(shù)、數(shù)據(jù)和應(yīng)用的智能工廠標(biāo)準(zhǔn)化體系，完成項目可行性分析和實施策略，在4家試點企業(yè)進行智能工廠建設(shè);2016年11月完成四家試點企業(yè)的驗收測試工作，初步形成中國石化智能工廠(1.0 )基本框架，2017年開始進行進行石化智能工廠2.0 )建設(shè)。

在中國石化智能工廠建設(shè)過程中，云計算、大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)等眾多先進技術(shù)得到有效運用。綜合運用信息技術(shù)、工業(yè)技術(shù)、管理技術(shù)等手段，建成了企業(yè)統(tǒng)一的集中集成平臺，使企業(yè)生產(chǎn)運營具備實時全面感知、深度優(yōu)化協(xié)同、準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)警、快速科學(xué)決策的能力，實現(xiàn)了生產(chǎn)全業(yè)務(wù)流程閉環(huán)優(yōu)化管理，實現(xiàn)動態(tài)平衡、最優(yōu)生產(chǎn)、效益最佳的卓越運營目標(biāo)，提升了工廠運營管理水平，推動石化企業(yè)管控模式和生產(chǎn)方式的深度改革。

四家試點企業(yè)的先進控制投用率提高約10% ;外排污染源自動監(jiān)控率達到100%;生產(chǎn)優(yōu)化由傳統(tǒng)的局部離線優(yōu)化逐步提升為全局在線優(yōu)化;生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動數(shù)采率提升10%-20%，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采率全部達到90%以上。

4結(jié)束語

面對世界經(jīng)濟體制改革的今天，《中國制造2025》中關(guān)于智能工廠建設(shè)的戰(zhàn)略手段是推動石化行業(yè)生產(chǎn)改革前行的重要動力。而CPS作為石化智能工廠建設(shè)的核心內(nèi)容，全面體現(xiàn)了集中集成、物聯(lián)網(wǎng)接入、IT管控、優(yōu)化、共享服務(wù)、數(shù)據(jù)處理與分析、人工智能等核心能力。石化智能工廠的建設(shè)對我國石化行業(yè)打破“大而不強”的局面具有重要戰(zhàn)略意義。