1 目標和概述
遵循“中國製造2025”和“互聯網+”戰略規劃與行動部署，積極踐行供給側改革，中智達以提質增效、節能降耗、轉型升級為總目標，以智能製造、互聯網+為技術驅動，成功研發了“綠色、安全、高效、循環”且技術安全可控的流程行業新一代智能工廠整體解決方案（如圖1所示），進一步提升價值創造能力，助推流程企業從傳統化工基地向智能化領域轉型升級，同時，形成智能工廠應用示範，為我國傳統化工基地以及化工園區向智能製造轉型升級、創新發展提供一種新模式。
2 詳細介紹
中智達新一代智能工廠整體解決方案Cyber Plant的整體架構如圖1所示，其特點如下：
圖1 Cyber Plant整體架構
人工智能支撐業務價值最大化：Cyber Plant大量使用人工智能技術，結合專業知識和模型，實現過程控制、生產操作、生產計劃與調度、能源平衡與調度、質量分析與提升、設備預警與預防性維修、安全預警與應急指揮、倉儲物流一體化等具體業務場景的智能化和優化，確保工廠的安全、綠色、節能和高效運作。
- 大數據平臺支撐數據價值最大化：Cyber Plant基於分佈式工業實時數據庫、多維度指標管理系統、人工智能算法庫、各種工業應用APP和先進的數據治理體系（主數據管理、數據倉庫、ESB現場服務總線、雲計算設施、4G/5G網絡等），構建邊緣端和雲端融合的大數據服務平臺，實現企業生產和經營多維度數據的高效利用和深度分析，實現數據價值的最大化。
- 先進設計理念支撐系統價值最大化：Cyber Plant在產品設計上不僅追求業務價值和數據價值最大化，還追求可組態化、靈活性、方便友好性和可維護性。Cyber Plant融合了先進的工業互聯網平臺架構理念，它不是一旦驗收就固化了的交付物，而是可以一直輕鬆使用的工具，用戶可以利用它持續創造價值。中智達新一代智能工廠整體解決方案的主要內容包括：
（1）PID性能評估與整定系統Cyb-iPID
在PID迴路智能整定方面，採用具有專業控制技術和機器學習的新一代智能PID性能評估與整定算法的PID性能評估與整定系統，實現對PID控制迴路的自動監測與性能評估，實現控制迴路的精細化管理，提高性能，穩定生產，增加效益。
- Cyb-iPID內置融合專業控制技術和機器學習的新一代智能PID性能評估與整定算法，自動採集數據，實時進行評估和整定，可以在30分鐘內對1000個PID控制迴路快速給出評估和整定結果。
- Cyb-iPID可以集中或分類展示評估結果，給出優/良/中/差分級，實現自動排序，針對多種性能指標進行展示分析（包括PID參數、振盪、擾動、噪聲、非線性等維度，如圖2所示），給出適合各崗位的專業評估報告等。
- Cyb-iPID可以實現PID參數的在線自整定，並給出新整定PID參數的置信度，置信度高的可以自動下載；針對置信度低的，可以重新獲得激勵更加充分的開/閉環測試數據，再次進行整定，直到置信度達到可以自動下載的要求。
圖2 Cyb-iPID多性能指標分析結果
（2）先進控制系統Cyb-iMPC
基於新一代智能模型預測控制與優化算法、機理與大數據融合的智能軟測量算法，運用多變量預測控制系統。提高複雜工業過程的控制品質，增強系統的抗干擾能力和魯棒性，保證產品質量的均勻性，減輕勞動強度，通過運行優化提高裝置的處理能力和目標產品收率，降低運行成本，減少環境汙染，進而提高企業綜合競爭力。
- Cyb-iMPC內置新一代智能模型預測控制與優化算法、機理與大數據融合的智能軟測量算法，可以實現大型、複雜、關鍵生產裝置（單元）的多目標、多層次、多變量約束優化控制，以提高重要工藝參數的控制品質，並支撐生產裝置節能優化運行。
- Cyb-iMPC嚴格遵循先進控制與優化國際標準ISO 15746（該國際標準由中智達公司牽頭負責制定）的要求，包含預測控制、優化、軟測量和性能評估四項功能，是國內唯一具備全部四項功能的APC軟件，如圖3所示。
圖3 Cyb-iMPC系統功能圖
- Cyb-iMPC採用了最新的雲、端相融合的統一架構，邊緣端實現對裝置的實時控制與優化，而將對APC和PID迴路的性能評估結果發佈到雲端。整個系統可以實現各項功能的模塊化靈活部署。
- Cyb-iMPC支持閉環測試，可以在不做階躍測試的情況下獲得滿意的辨識模型，減少對裝置的干擾。
- Cyb-iMPC支持穩態優化與動態控制模塊的自定義組合，實施人員可以快速、分步驟完成控制和優化工作，提高工作質量和效率。
- Cyb-iMPC支持在線自動完成模型辨識，並分析確定模型的置信度，從而支撐在線維護，降低維護成本，提高系統的使用壽命和效果。
（3）生產執行系統Cyb-iMES
生產執行系統（MES）以標準化各生產單位生產信息化管理為導向，以採集所有生產裝置的實時生產數據為基礎手段，同時配合人力；機械；設備；原料等工廠資源的信息化管理以及生產調度管理；生產過程控制；底層數據集成分析；上層數據集成分解來實現企業掌控生產現場狀況工藝參數監測、實錄、受控；物料損耗；配給跟蹤；庫存管理。實現從計劃、調度、操作、統計、分析、考核的一體化協同、精細化和閉環管理，實現生產過程的透明、精細、可追溯，管理的標準化、制度化、精細化，實現提質、降本、增效。提高工藝、設備、質量、採購、統計各專業部門專業化治理能力。實現員工生產跟蹤、考核依據客觀、成本快速核算、細化成本等管理目標，達到綜合管控工廠活動的目的，如圖4所示。
圖4 Cyb-iMES架構圖
- Cyb-iMES首先是一個服務於工廠和車間的生產管控平臺，將相關部門和崗位高效協同在一起，在平臺上可以實現從計劃、調度、操作到統計、分析、考核的一體化協同、精細化和閉環管理，顯著提高生產管控效率。
- Cyb-iMES基於統一的企業信息集成平臺CybiEIP，實現了各業務功能的模塊化，用戶可按需選擇、組裝自己的解決方案。
- Cyb-iMES嚴格遵循國際標準和國家標準的要求，包含但不限於過程監控、計劃管理、調度管理、操作管理、工藝管理、計量管理、罐區管理、庫存管理、物料平衡、統計分析、報表管理等模塊，也可為用戶定製個性化功能模塊。
- Cyb-iMES基於工業級大型實時數據庫CybiTDB和靈活的指標管理系統，在專家指導下，用戶可快速掌握實時監控圖、實時報表和各種統計報表的組態技術，用戶可以持續按需組態新的監控圖和報表。
- Cyb-iMES基於人工智能算法庫和業務知識，構建了全新的大數據分析平臺，用戶可以使用它對工業數據進行深入分析，最大化挖掘數據價值。
- Cyb-iMES提供全新的數字化調度會功能，會前準備好數據和問題彙報機制，會中實現數據的可檢查和分析，會後進行決議的落實和督辦，形成調度會的閉環管理。
- Cyb-iMES提供強大的移動工作臺APP，實現移動端的監控、查詢、報警、審批、督辦等功能，顯著提高工作效率。
（4）智慧能源管理系統Cyb-iEMS
通過智慧能源管理系統的建設，將能源消耗數據統一到一個管理平臺，對各個生產設備、裝置等能源核算單元進行消耗分析、計量分析，最終做出耗能統計。實現了能源預測、管網模擬和優化調度，形成了完整的能源綜合監控-管理-平衡與優化調度-優化利用的管理體系，可實現對企業生產過程中的能源介質和能源管網進行有效的監控和分析，為企業的節能減排提供基礎的數據支持和手段。
- Cyb-iEMS面向煉油、石化、化工、鋼鐵有色等高耗能工業企業，提供能源系統的集中監控、一體化管理與智能優化整體解決方案。
- Cyb-iEMS提供主要能源介質的專用智能優化解決方案（包括蒸汽平衡與優化、瓦斯平衡與優化、氫氣平衡與優化等），顯著提高能源介質的綜合利用效率。
- Cyb-iEMS通過強大的能源指標系統智能構建工具，結合業務知識，實現能源管理的一體化、精細化和在線閉環。
（5）安全環保管理與應急系統Cyb-iSMS
安全是企業生產的保障，沒有安全就沒有生產。為了保證企業實現企業轉型升級、建設智能化示範園區的總體目標，就必須在安全上有所保障，本系統正是為實現企業長週期的安全平穩運行和實現企業戰略發展目標奠定堅實的基礎。總體框架設計按照規範化、系統化的HSE管理思想設計，從事前預防與監督管理業務入手，以風險管理為核心，強化企業事前預防與監督等業務的管理，其業務按照專業分為安全、環境和日常應急等方面。同時，為了確保事故發生時的應急處置與指揮，突出事中應急的資源調度、事故模擬、應急決策與指揮等功能，支撐消防大隊、總調、HSE等部門的多發聯動指揮救援，為事故的應急處置與指揮提供科學的決策依據，減少事故損失，突顯企業事故應急處置與指揮能力，所以必須為企業建設事中應急所需的功能；對於事故發生後，需要對事故進行調查、分析與處理，總結事故教訓，分享事故經驗，進一步強化企業HSE管理的薄弱環節，提升企業的HSE管理，從而推動企業創造卓越的HSE業績。
- Cyb-iSMS以安全監管、環境保護和應急救援為核心，充分利用雲計算、物聯網、5G、人工智能等先進技術，實現安全環保業務有效監督和高效管理。
- Cyb-iSMS符合國家標準，覆蓋工業企業安全態、臨界態、應急態全方位安全環保業務。
- Cyb-iSMS的安全態管理以風險管控為核心，包括風險分級、隱患管理、作業管理等核心模塊，實現風險識別、評審、在線監督、治理和驗收的閉環管理。
- Cyb-iSMS的臨界態管理結合人工智能技術和物聯設備，在事故發生之前提前預警：如通過普通攝像頭和機器學習算法的結合，可實現火災和煙霧識別、特殊人群和目標識別、瑕疵檢測等，在事故和風險在萌芽狀態時及時預警。
- Cyb-iSMS的應急態管理以主動推送完整準確信息（與事故相關的人、物料法環所有相關信息，可以拍攝到事故的視頻或距離最近的幾個視頻等）和結構化預案為核心，為快速、準確、高效處理事故，降低事故損失提供強力支撐。
（6）設備管理與預警系統Cyb-iEAM
設備管理與預警系統主要是用於自動化程度相對較高，而人際關係又相對簡單的資產密集型企業，對那些高價值的設備的運行、維護、保養等信息的跟蹤管理。設備管理信息系統以提高企業設備的可利用率、降低企業的運行維護成本為目標，力求通過先進的管理理念和系統設計思想，採用信息化手段優化企業的維護資源、合理安排檢維修計劃，從而提高企業的經濟效益和市場競爭力。
總體思想是以管理體系為目標，以設備故障管理為主線，達到降低設備故障、保證設備正常運行的目的。通過設備狀態的監測與診斷，掌握設備有無劣化情況，以期發現故障的徵兆和隱患，及時進行預防維修，以控制故障的發生；在故障發生後，及時分析原因，研究對策，採取措施排除故障或改善設備，以防止故障的再發生。
（7）實驗室系統Cyb-iLIMS
實驗室系統實現從化驗室分析、樣品登記、報告生成和發送的全流程自動化和業務管理，提高化驗室的工作效率，實現分析數據的共享，提高數據的利用程度，最大化地減少人為因素的干擾，確保分析數據的真實可靠。
（8）智能物流系統Cyb-iLS
通過智能物流系統的建設，能夠形成統一的物流管理平臺，極大地提升物流工作和信息傳遞效率與透明度，強化物流服務商、物流管理者及貨主的業務協同，將信息不對稱和信息傳遞錯誤率降到最低。系統能夠對物流執行過程自動作完整、詳細的記錄，排除人為因素的干擾，有效降低物流工作的風險。並能夠通過系統的流程優化和統計分析，合理安排物流業務，實現“降本增效”。
- Cyb-iLS為企業搭建物流供應鏈上各業務主體之間和各業務環節之間流程共享、信息共享、資源共享的智能物流系統，為企業提供專屬的物流供應鏈管理與業務協作平臺。
- Cyb-iLS為工業園區提供包含智能門禁管理系統、無人值守地磅系統、車輛狀態跟蹤系統和智能倉庫管理系統的智能園區物流一體化管理平臺，實現園區物流全自動化作業和全程跟蹤，提高週轉率，降低成本。
（9）智能倉儲系統Cyb-iSTS
智能倉儲系統利用信息技術（條形碼、二維碼、無線射頻識別（RFID）互聯網、物聯網、移動互聯網等識別技術實現自動出入庫管理）和物流管理技術相結合，集成倉儲自動化控制作業設備，建立產成品智慧雲倉儲管理系統、設備備品備件系統，實現倉庫中產成品、備品備件明細的出入庫、庫存管理，並與ERP等系統實現業務聯動，從倉儲源頭開始實施跟蹤與管理，提高倉庫運行的透明度，實現倉庫使用空間情況分析及倉庫運行和業務流程的可視化，實現根據客戶和產品需求調整目標庫存水平，實現採購、生產、儲存、營銷、物流、商貿等各信息系統互聯互通，搭建一個集信息化、智慧化、系統化為一體的智能倉儲系統，推動公司特色物流服務業的發展，為向公司及社會提供規範高效倉儲物流服務奠定基礎，為公司經營決策提供支撐。
- Cyb-iSTS採集各製造工廠固液態原料、產成品的庫存數據，構建園區企業統一虛擬倉庫，形成企業完整的倉儲庫存信息，實現園區統一雲倉管理。
- Cyb-iSTS可以實現產品入庫、出庫、移庫、升降級和盤點等功能，可通過3D方式實時、準確地反應產品進出庫情況，為生產和管理決策提供即時數據。
- Cyb-iSTS與智能化物聯設備無縫集成，實現收發貨一律掃碼確認、搬運車自動操作，明顯提升盤庫和收發貨效率。
（10）工業大數據分析與共享平臺Cyb-iDB
基於分佈式工業實時數據庫、多維度指標管理系統、人工智能算法庫、各種工業應用APP和先進的數據治理體系（主數據管理、數據倉庫、ESB現場服務總線、雲計算設施、4G/5G網絡等），構建邊緣端和雲端融合的大數據服務平臺，實現企業生產和經營多維度數據的高效利用和深度分析，實現數據價值的最大化。不僅追求業務價值和數據價值最大化，還追求可組態化、靈活性、方便友好性和可維護性。
通過對企業的主數據管理體系進行整體設計和實施，建立集團級大數據分析與共享平臺，以企業組織架構為主線，從不同的主題、維度，進行數據分析與挖掘，統一展現企業運營管理的實況和問題，輔助提升企業管理水平、風險預判和管控能力，最終實現“數據規範、數據共享、數據挖掘、數據應用”的目標。
3 代表性及推廣價值
在當今化工行業產能嚴重過剩的情況下，智能製造是企業生產模式變革和挖潛增效的根本路徑，只有通過先進控制技術的改造才能實現高端化、差異化，突破生產要素成本上升、安全環保壓力增大的瓶頸，有效變革傳統的化工生產組織模式，提升產品附加值，為客戶提供更加優質的服務，提高企業管理和控制水平。
通過智能工廠解決方案成功實施將創新傳統化工企業或化工產業園區“綠色、循環、低碳、高效”發展的新模式，對具備條件的化工生產企業或化工產業園區具有引領示範作用，對其他傳統制造業行業構建綠色製造體系也具有借鑑意義，可加速我國傳統制造業轉型升級、創新發展，搶佔新一輪全球競爭制高點。
化工產業是國民經濟的支柱產業和基礎產業，經過幾十年的快速發展，化工產業得到了長足的進步，但與發達國家相比，我國化工產業發展水平還處於產業價值鏈中低端，且與人民群眾對生態環境的訴求日益形成尖銳的矛盾，特別是8-12天津爆炸案發生以及化工企業違規傾倒危廢屢禁不止，國家重拳出擊治理環保問題，加大推動危化品企業搬遷和化工園區提升改造，這給傳統化工園區智能改造轉型升級業務帶來巨大的市場空間。智能製造技術能夠提高資源利用率、降低能源消耗、控制汙染排放、提升設備本質安全，對提高我國化工行業核心競爭力，實現可持續發展有著極大的促進作用。
通過智能工廠建設，開通智能化提升化工產業路徑，可在化工行業形成標杆，快速進行推廣應用，為企業創造顯著的經濟效益，並確保化工園區規範發展，實現化工產業轉型升級，同時也必然會帶動信息化產業空間的爆炸式發展。通過智能工廠的建設，可以給企業帶來各類效益，具體如下：
（1）提升裝置控制精度，減少生產操作波動；實現卡邊操作，降低能耗物耗，提高產品質量
基於智能多變量模型預測控制、人工智能等技術，實施APC先進控制項目後，有效降低試點裝置主要控制指標的波動方差降低，以實現卡邊操作，達到節能的目的；同時，在提高裝置的操作與控制水平的基礎上，提高關鍵被控參數控制性能，降低能耗，提高產品收率和質量，實現黑屏操作和機器換人，降低操作人員的勞動強度，提高了安全性，減少了環境汙染，得到較好的社會效益。
（2）大幅提升企業生產調度效能和安全環保應急指揮水平
通過生產管控平臺，可以大幅提升生產調度指揮的快速響應能力，提高調度工作的準確性和執行效率，實現從計劃、調度、操作、統計、分析、考核的一體化協同、精細化和閉環管理，提高生產管控效率，實現生產安排有據可依；實現提質、降本、增效，提高工藝、設備、質量、採購、統計各專業部門專業化治理能力。通過安全應急指揮平臺建設，為企業面對事故時的應急指揮提供輔助決策，實時監控並預警重大安全風險、施工作業過程、環保排放風險監控實現汙染排放風險，對汙染排放設施故障、汙染排放異常或超標自動給出原因分析結果，為異常處置提供對策措施，減少安全事故隱患和重大環境事故風險。在安全環保的基礎上，實現生產全過程的分析與管控，對能源消耗情況進行實時監測與控制，提高能源利用率，縮短新產品研製週期 。
（3）通過軟儀表建模，有效降低儀表採購量，從而節約採用成本和維修費用
裝置能源、物料計量儀表對於智能工廠建設至關重要，是基礎中的基礎。通過軟儀表建模計算，要進一步結合實際，評估分析，確定主次，可以不用考慮將所有計量儀表全部更換，部分可以使用軟儀表進行計算計量的，從軟儀表計算獲得，從而大幅降低儀表採購費用，也可為MES、物料平衡、能源優化、業財融合等系統提供可信的基礎數據支持。
（4）形成企業級數據中心，為企業/工廠未來的大數據分析奠定基礎
未來將打破傳統的建一套信息化系統，配套一部分硬件資源的舊模式，而形成虛擬化的雲服務模式，新建系統只需要申請存儲、計算、通訊資源即可，不僅大大節約了硬件成本，而且更便於集中管理；同時數據中心的建立，將為未來進行大據分析奠定基礎。
（5）實現集團企業協同一體化
智能工廠建設充分利用GIS、雲計算、移動終端、物聯網、人工智能、大數據分析等技術，集成廠區之間的計算機網絡、通訊、視頻監控、火災報警等，實現生產調度、安全監控、應急指揮、安全環保的區域一體化聯動，解決集團企業各個工廠信息互聯，各廠之間的生產上下游信息不通暢，區域協同聯動能力不足，很難實現整體優化的問題。同時，對有條件進行整合各業務系統，進行一體化部署、一體化管理、一體化運維，打通生產鏈上下游業務流、信息流、資金流，逐步將企業打造成為上下游一體化優化、一體化協同、一體化管控的新型智慧園區。
摘自《自動化博覽》2020年1月刊
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