煤化工行業(yè)智能制造建設(shè)研究

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)合潞安集團煤基合成油項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)促進煤化工企業(yè)由傳統(tǒng)制造向智能制造轉(zhuǎn)變，增強企業(yè)競力。

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

一、時代背景和前沿趨勢

當(dāng)前國際形勢下，國際產(chǎn)業(yè)格局面臨重大調(diào)整，圍繞搶奪制造業(yè)制高點的競爭愈演愈烈，各個國家結(jié)合自身產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢不斷加強戰(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)競爭的新優(yōu)勢。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，推進中國從制造大國向制造強國轉(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水平存在差距。如何積極應(yīng)對全球化制造新形勢帶來的機遇和挑戰(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)濟時代，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)掘新動能，提高企業(yè)核心競爭力的主要難點是資金流、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)重點依托信息物理系統(tǒng)，以潞安集團180萬噸煤基合成油項目（下簡稱180項目）為成功案例，從以下幾個層面入手，分析相關(guān)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵內(nèi)容。

（一）生產(chǎn)運行智能化

流程工業(yè)制造過程通常采用由經(jīng)濟優(yōu)化層、計劃調(diào)度層、先進控制層、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)實際過程的動態(tài)實時運行情況，從全局出發(fā)協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分的操作，是生產(chǎn)運行智能化的核心。為了解決該問題，需要將物質(zhì)轉(zhuǎn)化機理與裝置運行信息進行深度融合，將生產(chǎn)計劃與設(shè)備進行深度關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)建模，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的精確監(jiān)控和分析，進而計劃的動態(tài)優(yōu)化，形成以需求為驅(qū)動的敏捷規(guī)模生產(chǎn)。企業(yè)利于大數(shù)據(jù)平臺，建立多數(shù)源的對比分析、相關(guān)性分析和預(yù)測分析模型，優(yōu)化控制參數(shù)，指導(dǎo)生產(chǎn)操作。

180項目依托智能建設(shè)的整體規(guī)劃設(shè)計分步實施，實現(xiàn)控制、管理、經(jīng)營一體化。項目的控制系統(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)運行管理層（MES）、生產(chǎn)經(jīng)營管理層（ERP）。目前180項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、成品進出廠等全過程，包括22個生產(chǎn)單元使用DCS集散控制系統(tǒng)，1個單元使用PLC控制系統(tǒng)，共計18290點，實現(xiàn)自動化控制，對產(chǎn)品品質(zhì)在線實時監(jiān)測，后期擬建立工藝流程先進過程控制（APC）和在線實時優(yōu)化控制（RT-OPT）實現(xiàn)自動優(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)計劃，執(zhí)行優(yōu)化調(diào)度，對生產(chǎn)過程進行優(yōu)化管理，將生產(chǎn)控制層的實時數(shù)據(jù)進行處理形成統(tǒng)一的生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺，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，實現(xiàn)物流、價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)備長周期、高負(fù)荷運行，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、生產(chǎn)和維護等各類數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)字化、可視化。建設(shè)故障診斷和預(yù)測性維護中心，根據(jù)各種傳感器實時采集設(shè)備運行數(shù)據(jù)，運用智能監(jiān)測設(shè)備、分析軟件，對設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)控，通過問題分析、故障預(yù)測，確保設(shè)備的穩(wěn)定和健康。

180項目根據(jù)整體規(guī)劃，目前正在進行設(shè)備的生命全周期管理系統(tǒng)（ETM）的調(diào)研實施工作。系統(tǒng)上線后通過運用新型傳感技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析建立設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，對設(shè)備的預(yù)測性維護、狀態(tài)監(jiān)控和故障分析提供科學(xué)、系統(tǒng)的支撐，實現(xiàn)設(shè)備的健康管理和安全管理，提高設(shè)備的完好率和運行效果，有效降低設(shè)備維修成本，保證生產(chǎn)穩(wěn)定運行。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)險控制的手段。如何通過傳感、檢測、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)用自動識別污染物技術(shù)和擴散模型，實現(xiàn)實時監(jiān)控數(shù)據(jù)異常情況的溯源分析。對廢水廢氣污染物等智能實時分析監(jiān)測及報警管理系統(tǒng)，實現(xiàn)在線環(huán)保監(jiān)測、污染物監(jiān)控。

180項目注重可持續(xù)性發(fā)展，在保證生產(chǎn)情況下，對于環(huán)境治理和污染物零排放做著不懈努力。通過運用新型監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)和專項應(yīng)用系統(tǒng)，運用煤、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、合理利用空分氮氣實現(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)外先進技術(shù)工藝，實現(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，實現(xiàn)減排150萬噸/a，實現(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用智能控制系統(tǒng)和智能裝備，對現(xiàn)場作業(yè)、關(guān)鍵部位進行實時監(jiān)管，實現(xiàn)在線監(jiān)控、主動預(yù)警、視頻聯(lián)動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，加強危害管理，同時基于知識庫和企業(yè)管理經(jīng)驗，建立危害評估平臺，對危害進行定性定量分析，實現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)場所職業(yè)病危害因素智能檢測與評估。

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

（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和裝置運行特性知識進行管理模式的變革。由于企業(yè)生產(chǎn)計劃的不確定因素眾多，原料采購價格和市場需求多變，給企業(yè)生產(chǎn)運行和經(jīng)營管理的決策帶來難題。同時目前企業(yè)的原料采購與裝置運行特性關(guān)聯(lián)度不高、產(chǎn)品生產(chǎn)與市場需求脫節(jié)。因此，以大數(shù)據(jù)、知識型工作自動化為代表的現(xiàn)代信息技術(shù)為制造過程計劃和管理的優(yōu)化決策帶來了契機。運用互聯(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)實時決策系統(tǒng)聯(lián)動。系統(tǒng)與市場信息集成，及時準(zhǔn)確預(yù)測成本，快速響應(yīng)變化，實現(xiàn)全局性科學(xué)決策優(yōu)化，由經(jīng)驗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，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)營管理平臺一體化，實現(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，帶動產(chǎn)業(yè)鏈升級和價值鏈優(yōu)化，建立企業(yè)資源協(xié)同平臺，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。加強企業(yè)間的互動、集成和協(xié)作，實現(xiàn)價值鏈的重構(gòu)與提升，為企業(yè)發(fā)展創(chuàng)造更大的價值拓展空間。

潞安集團180項目智能建設(shè)最終要在工程技術(shù)層面實現(xiàn)“四化”，即自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。同時，在企業(yè)生產(chǎn)制造層面也要實現(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，實現(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)積累實現(xiàn)整個產(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，大力推進優(yōu)化管理和先進技術(shù)的運用至關(guān)重要，主要包括以下內(nèi)容：

（一）集中平臺管理，整體協(xié)調(diào)

整合企業(yè)采購、生產(chǎn)、管理、銷售和財務(wù)等全流程資源，建設(shè)一體化平臺，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，推進企業(yè)集團管理規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、透明化，實現(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，實現(xiàn)研產(chǎn)供銷、生產(chǎn)控制、經(jīng)營管理、業(yè)務(wù)與財務(wù)全流程的無縫銜接和業(yè)務(wù)協(xié)同，促進生產(chǎn)流程、決策流程、運營流程的重組、整合和協(xié)同優(yōu)化，推動企業(yè)從靜態(tài)管理向扁平化動態(tài)管理轉(zhuǎn)變，利用云端大數(shù)據(jù)驅(qū)動集成提升企業(yè)管理決策的科學(xué)性和運營一體化能力。

（二）在線監(jiān)測和優(yōu)化技術(shù)

利用最新的在線檢測監(jiān)測設(shè)備、計劃資源優(yōu)化系統(tǒng)、調(diào)度管理系統(tǒng)、三維虛擬系統(tǒng)、裝置在線實時優(yōu)化（RT-OPT）和先進控制技術(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，識別和優(yōu)化生產(chǎn)工藝及加工流程，提升的產(chǎn)品價值和各流程利用效率，達(dá)到國際先進水平。

（三）三維技術(shù)創(chuàng)新

利用三維技術(shù)，對工廠仿真和虛擬系統(tǒng)接入實時數(shù)據(jù)，包括：設(shè)備參數(shù)及運行數(shù)據(jù)、生產(chǎn)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、人員實時數(shù)據(jù)、物料運行實時數(shù)據(jù)、區(qū)域監(jiān)控實時數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測實時數(shù)據(jù)等形成數(shù)據(jù)分析平臺，基于數(shù)據(jù)決策分析?；谔摂M工廠數(shù)據(jù)可視與互動，對工廠運行狀態(tài)及場景相互融合，數(shù)據(jù)進行交互使用。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)定運行水平。

（四）構(gòu)建大數(shù)據(jù)整合、云計算分析平臺

構(gòu)建IT基礎(chǔ)設(shè)施云平臺，實現(xiàn)服務(wù)器、存儲及備份資源的云化共享;形成以自主云計算與大數(shù)據(jù)為主體的產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系和具有全球競爭優(yōu)勢的云計算與大數(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，實現(xiàn)核心關(guān)鍵技術(shù)自主可控;圍繞云計算和大數(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)知與人機交互等創(chuàng)新鏈的建設(shè)，挖掘在企業(yè)應(yīng)用中價值。建立MES、質(zhì)量管理、績效管理等交互服務(wù)，利用先進的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，先進制造技術(shù)正在向自動化、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)升級轉(zhuǎn)型的內(nèi)在的必須要求。同時，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，通過規(guī)模化生產(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)推進新一輪的技術(shù)創(chuàng)新，推動智能制造技術(shù)的進步。

但實施智能制造，不是面子工程，不是政績工程，而是企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級的內(nèi)在需要。在這個過程中，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)外先進理念，結(jié)合企業(yè)實際情況，在正確應(yīng)用自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的基礎(chǔ)上，揚長補短，以人為本，充分發(fā)揮人才優(yōu)勢、管理優(yōu)勢、文化優(yōu)勢，最終實現(xiàn)企業(yè)保持可持續(xù)競爭力，打造企業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。

參考文獻：

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