信息物理系統(tǒng)在石化智能工廠建設(shè)中的應(yīng)用

李 雪，汪 旭

信息物理系統(tǒng)在石化智能工廠建設(shè)中的應(yīng)用

李 雪1，汪 旭2

（1. 中國石油化工股份有限公司 撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油天然氣股份有限公司 管道長慶輸油氣分公司，寧夏 銀川 750000）

隨著世界經(jīng)濟(jì)體制改革，我國《中國制造2025》提出智能工廠建設(shè)的戰(zhàn)略部署是推動(dòng)石化行業(yè)生產(chǎn)改革前行的重要?jiǎng)恿?。認(rèn)為智能工廠建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，基于信息物理系統(tǒng)（CPS），綜合運(yùn)用信息技術(shù)、工業(yè)技術(shù)、管理技術(shù)等手段，建成企業(yè)統(tǒng)一的集中集成平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全業(yè)務(wù)流程閉環(huán)優(yōu)化管理，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡、最優(yōu)生產(chǎn)、效益最佳的卓越運(yùn)營目標(biāo)。本文淺談了石化CPS含義及智能工廠建設(shè)情況，并舉例給出當(dāng)前全球石化行業(yè)智能工廠建設(shè)實(shí)例。

信息物理融合系統(tǒng)；智能工廠；石油化工

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(jìn)入高速增長的“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(qiáng)化、需求長期變動(dòng)等影響的新形勢(shì)下，貫徹落實(shí)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(jí)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α！吨袊圃?025》是我國面臨在新的國際經(jīng)濟(jì)環(huán)境，為立足于國際產(chǎn)業(yè)變革大勢(shì)，為了改變中國制造業(yè)“大而不強(qiáng)”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?！吨袊圃?025》中明確提出要加快推進(jìn)最新制造技術(shù)與信息技術(shù)相互融合，實(shí)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(jí)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(jìn)行業(yè)持續(xù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)深度變革［1-3］。

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(huì)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(jī)構(gòu)和科研院開展了CPS研究，關(guān)注計(jì)算設(shè)備、通訊網(wǎng)絡(luò)與嵌入式對(duì)象的集成跨平臺(tái)研究。同年，歐盟啟動(dòng)了ARTEMIS項(xiàng)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(dòng)了“面向CPS的系統(tǒng)平臺(tái)”主題項(xiàng)目，并列入863計(jì)劃。2013年德國《工業(yè)4.0實(shí)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(yàn)證測(cè)試平臺(tái)建設(shè)等方面做出了一系列戰(zhàn)略［2］。2015年《中國制造2025》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(jí)、創(chuàng)新發(fā)展迎來重大機(jī)遇[ 3 ]。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(shí)現(xiàn)路徑及應(yīng)用場景。

1.2 石化CPS含義

CPS作為計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程的融合統(tǒng)一體，是集計(jì)算過程、通信過程及控制過程于一體的新一代智能系統(tǒng)[ 4 ]。CPS通過人機(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)計(jì)算進(jìn)城與物理進(jìn)程的交互，使“實(shí)體”和“虛擬”之間可以有效溝通和協(xié)調(diào)，充分運(yùn)用資訊及通訊技術(shù)，將虛擬世界和實(shí)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(shí)體環(huán)境所需；最終實(shí)現(xiàn)以實(shí)時(shí)、可靠、遠(yuǎn)程、協(xié)作且安全的方式來反映并操控一個(gè)物理實(shí)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(jì)算設(shè)施及信息終端連接成一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)，實(shí)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(shí)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(tuán)隊(duì)，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(dòng)。在不同組件、系統(tǒng)之間進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)流動(dòng)，并通過決策算法、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息價(jià)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(jī)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(yàn)、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(shì)感知、虛實(shí)共變、自組織與自適應(yīng)、知識(shí)自動(dòng)化，從而實(shí)現(xiàn)智能工廠實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)信息空間與物理空間的深度融合和實(shí)施交互，建立石化生產(chǎn)各環(huán)節(jié)融合工作機(jī)制，實(shí)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(diǎn)，可石化CPS構(gòu)架劃分為五個(gè)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(yùn)營為目標(biāo)，貫穿運(yùn)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(dòng)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(cè)、協(xié)同和分析優(yōu)化能力[ 5 ]。

圖1 石化CPS構(gòu)架層次劃分

石化智能工廠建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，從時(shí)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(dòng)化、生產(chǎn)工藝、原料及產(chǎn)品的物流倉儲(chǔ)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(chǔ)物流管理等在內(nèi)的所有系統(tǒng)能夠有機(jī)融合為協(xié)同工作統(tǒng)一系統(tǒng)，進(jìn)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(tái)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(jìn)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(tái)。搭建裝置數(shù)字化、感知實(shí)時(shí)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［4-6］。

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(shí)現(xiàn)石化工廠縱向、橫向及端到端的深度集成。升級(jí)煉廠實(shí)時(shí)全面感知、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)警、深度協(xié)同優(yōu)化、快速科學(xué)決策四項(xiàng)關(guān)鍵能力，以更加靈活精細(xì)的方式提升深層運(yùn)營管理水平，并推動(dòng)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(dòng)化、主動(dòng)化及綠色安全化五大特征［7］。

集成化，實(shí)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)，存入建成的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)石化工廠從物理向數(shù)字化的轉(zhuǎn)變。

智能化，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互模式的變革。在傳統(tǒng)的人機(jī)交互中，人作為決策主體來控制“機(jī)器”的行為，機(jī)器僅處于執(zhí)行階段。然而智能制造中的“機(jī)器”擁有甚至可以擴(kuò)展學(xué)習(xí)“人腦”的能力，因此“機(jī)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(jī)交互與融合達(dá)到前所未有的深度［8］。

自動(dòng)化，全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)感知、主動(dòng)響應(yīng)、主動(dòng)控制的自動(dòng)化管控。

主動(dòng)化，對(duì)市場波動(dòng)迅速反應(yīng)，主動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)配資源，實(shí)現(xiàn)柔性制造。

綠色安全化，實(shí)現(xiàn)環(huán)境足跡監(jiān)控及能源管理優(yōu)化，并實(shí)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(shí)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1 200億美元。Valero基于SAP MII集成平臺(tái)及SOA構(gòu)架，采用服務(wù)總線的設(shè)計(jì)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(jì)過程控制（SPC）/統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制（SQC）、實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)［8,9］。

Valero通過優(yōu)化信息系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能減排。對(duì)鍋爐進(jìn)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)入建設(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)兩方面入手進(jìn)行能源管理，通過iPlant戰(zhàn)略實(shí)施，對(duì)能源管理體系評(píng)估和對(duì)能源消耗指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)行業(yè)務(wù)與信息化的轉(zhuǎn)型，實(shí)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(rèn)知度、財(cái)務(wù)管理、操作與維護(hù)、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(dòng)評(píng)級(jí)基準(zhǔn)對(duì)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(gè)方面，自動(dòng)生成診斷報(bào)告并提出改進(jìn)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(shí)時(shí)采集、傳輸、存儲(chǔ)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(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)定的目標(biāo)值與實(shí)測(cè)得消耗數(shù)值之間的差距變化，在差異較大時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，并提出改進(jìn)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(dòng)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(diǎn)單位，開展規(guī)劃編制和方案設(shè)計(jì)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(jì)，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(jì)，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(xiàng)目可行性分析和實(shí)施策略，在4家試點(diǎn)企業(yè)進(jìn)行智能工廠建設(shè)；2016年11月完成四家試點(diǎn)企業(yè)的驗(yàn)收測(cè)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(jìn)行進(jìn)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(jì)算、大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)等眾多先進(jìn)技術(shù)得到有效運(yùn)用。綜合運(yùn)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(tái)，使企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營具備實(shí)時(shí)全面感知、深度優(yōu)化協(xié)同、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)警、快速科學(xué)決策的能力，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)全業(yè)務(wù)流程閉環(huán)優(yōu)化管理，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡、最優(yōu)生產(chǎn)、效益最佳的卓越運(yùn)營目標(biāo)，提升了工廠運(yùn)營管理水平，推動(dòng)石化企業(yè)管控模式和生產(chǎn)方式的深度改革［10］。

四家試點(diǎn)企業(yè)的先進(jìn)控制投用率提高約10%；外排污染源自動(dòng)監(jiān)控率達(dá)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(dòng)數(shù)采率提升10%-20%，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采率全部達(dá)到90%以上。

4 結(jié)束語

面對(duì)世界經(jīng)濟(jì)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(dòng)石化行業(yè)生產(chǎn)改革前行的重要?jiǎng)恿?。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(duì)我國石化行業(yè)打破“大而不強(qiáng)”的局面具有重要戰(zhàn)略意義。

［1］IBM公司．智能工廠最佳實(shí)踐案例[R].2013-02.

［2］ IBM公司．燕山分公司智能工廠項(xiàng)目總體規(guī)劃報(bào)告[R].2013-03.

［3］ 中國石油和化工工業(yè)聯(lián)合會(huì)智能工廠應(yīng)用體系研究課題組. 石化行業(yè)智能工廠應(yīng)用體系研究[J].中國石油和化工經(jīng)濟(jì)分析，2014(11):21-24.

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Application of Cyber-physical System in the Construction of Petrochemical Intelligent Plant

1,2

（1. Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001, China； 2. PetroChina Pipeline Changqing Oil & Gas Transportation Company, Ningxia Yinchuan 750000, China）

With the world economic system reform, the strategic deployment of intelligent plant construction, proposed by “Made in China 2025”, is an important driving force to promote the reform of petrochemical industry. The establishment of intelligent plant is a system engineering based on cyber-physical system,using the information technology, industrial technology, management technology and so on to build a unified centralized enterprise integration platform, which can achieve full-service business closed-loop optimization management, and achieve the excellent operational objectives of dynamic balance, optimal production and the best efficiency. In this paper, the meaning of CPS and the construction of intelligent plant were discussed, and examples of intelligent plants in global petrochemical industry were given.

CPS;Intelligent plant;Petroleum and petrochemical

TP 273

A

1671-0460（2017）10-2128-03

2017-08-07

李雪（1988-），女，遼寧省營口市人，助理工程師，碩士，2014年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：工藝優(yōu)化。E-mail：lixue.fshy@sinopec.com。