數(shù)字化工廠建設(shè)及其關(guān)鍵技術(shù)的探索研究

彭 啟

（中國石油哈爾濱石化公司，哈爾濱 150056）

0 引 言

“工業(yè)4.0”這一全新的術(shù)語受到全球的矚目，它是繼機械化、電氣化和信息技術(shù)之后，以智能制造為核心的第四次工業(yè)革命?！肮I(yè)4.0”最顯著的特征是智能工廠的廣泛普及。而智能工廠是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，沒有數(shù)字化就沒有智能化。因此，為了在即將到來的“工業(yè)4.0”時代中占得先機，我們應(yīng)該從現(xiàn)在開始，著手進行工廠的數(shù)字化改造，為智能工廠的建設(shè)打好基礎(chǔ)。

在我國邁向工業(yè)化、現(xiàn)代化的過程中，信息化是必經(jīng)之路。當前，“互聯(lián)網(wǎng)+”為“兩化融合”指明了方向，尤其是云計算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、人工智能等相關(guān)技術(shù)日益精進，使得石化產(chǎn)品市場競爭態(tài)勢發(fā)生劇變，提前進入白熱化階段。除此之外，各個行業(yè)內(nèi)的競爭主體在信息化建設(shè)方面投入大量的精力和資源，有效地推動了生產(chǎn)模式的革新，石化產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)、管理和經(jīng)營都呈現(xiàn)出新的特征。眾所周知，石化行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈較長，各個流程之間有著緊密的關(guān)聯(lián)，生產(chǎn)活動涉及一系列的因素，非常復(fù)雜，原料本身具有豐富的物性，在生產(chǎn)過程中需要不斷地調(diào)整各方面的參數(shù)。更重要的是，化工企業(yè)的生產(chǎn)是一項高風(fēng)險的活動，容易發(fā)生嚴重的安全事故。所以，石化企業(yè)應(yīng)該積極地引入信息化技術(shù)，提高生產(chǎn)的數(shù)字化水平，確保整個生產(chǎn)活動安全可控。

1 數(shù)字化工廠概念及發(fā)展趨勢

數(shù)字化工廠是一種全新的模式，在這一模式下，產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)工藝、管理經(jīng)營、營銷銷售等方面的工作人員充分利用自己的知識、經(jīng)驗和技能，更好地完成產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、管理和銷售等活動。該模式需要以網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)作為支撐，利用傳感器和其他設(shè)備，采集各項生產(chǎn)和經(jīng)營活動的信息和數(shù)據(jù)，據(jù)此對生產(chǎn)活動予以優(yōu)化，促進生產(chǎn)、物流效率的提升，使資源得到更有效的利用，降低生產(chǎn)活動對環(huán)境造成的影響。

信息化是工業(yè)化和信息技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。以往企業(yè)的生產(chǎn)僅僅是物質(zhì)的生產(chǎn)，在信息化時代，這一生產(chǎn)過程中還會誕生新的信息和知識，同時計算機也參與進來，工業(yè)生產(chǎn)朝著知識化、信息化的方向前行，使得和信息存在關(guān)聯(lián)的產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品、技術(shù)能夠更好地融合在一起。當前，石化行業(yè)的數(shù)字化已經(jīng)體現(xiàn)在工程設(shè)計、項目建設(shè)、生產(chǎn)營銷等諸多方面，再加上各項活動中人才的知識、經(jīng)驗，就能夠搭建起具有一定數(shù)字化程度的現(xiàn)代工廠。

2 數(shù)字化工廠架構(gòu)

在進行數(shù)字化工廠規(guī)劃、建設(shè)、運營和完善的過程中，信息化和工業(yè)化彼此滲透并交織在一起。與此同時，數(shù)字世界和物理世界持續(xù)地前行，PDCA 循環(huán)日益走向成熟并發(fā)揮重要的作用。按照制造工廠的數(shù)據(jù)流向及業(yè)務(wù)管理流程，設(shè)計數(shù)字化工廠的架構(gòu)如下。

設(shè)備資源及控制層：這一層以硬件為主，包括傳感器、儀器儀表、條碼、機械以及其他的裝置和設(shè)備，另外還有對設(shè)備進行控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和信息傳遞的可編程邏輯控制器（PLC）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）等，這一層是企業(yè)正常進行生產(chǎn)所需的物質(zhì)保障。

數(shù)據(jù)庫層：該層的主要內(nèi)容是設(shè)計、工藝、制造等方面的標準體系庫。其中，每一類數(shù)據(jù)庫都是由單獨的基本數(shù)據(jù)庫與知識庫構(gòu)成的。它在整個框架中處于第二層位置，為數(shù)字化工廠的建立和運行提供數(shù)據(jù)方面的保障，主要負責(zé)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、處理和存儲等。

管理層：該層由面向設(shè)計部門的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）、面向工藝部門的工藝工裝管理系統(tǒng)、面向生產(chǎn)部門的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）等構(gòu)成，在整個框架中起到管理方面的作用。

協(xié)同層：它由產(chǎn)品生命周期管理（PLM）、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)（SCM）和客戶關(guān)系管理系統(tǒng)（CRM）等構(gòu)成，將這些系統(tǒng)充分地集成在一起，使其能夠進行數(shù)據(jù)的交互，將其當作一個整體，利用互聯(lián)網(wǎng)和外部進行溝通、交流，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部各個部門之間的協(xié)同以及產(chǎn)業(yè)鏈中不同企業(yè)之間的協(xié)同。

3 數(shù)字化工廠建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 建模技術(shù)

數(shù)字化工廠最令人矚目的功能之一，就是可以在虛擬空間中完成產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)活動。以往企業(yè)在推出新產(chǎn)品之前，需要在完成研發(fā)和設(shè)計工作后，首先制造出樣品，對其進行測試，以了解其是否具備預(yù)期的性能和功能，然后反饋給設(shè)計者，進行調(diào)整和優(yōu)化，整個周期比較長，且需要投入較高的成本。有了建模技術(shù)作為支持后，可以直接對該過程進行模擬，在虛擬空間中完成對新產(chǎn)品的檢驗、調(diào)整，從而有效地縮短研發(fā)周期，節(jié)省成本，使企業(yè)能夠更加快速地推出新產(chǎn)品，這對企業(yè)搶占市場是很有幫助的。當然，要實現(xiàn)這一系列的效果，前提是建立基于模型定義技術(shù)（MBD 技術(shù)）的各種要素的數(shù)字化模型。

3.2 仿真技術(shù)

仿真優(yōu)化是數(shù)字化工廠最顯著的特征之一，創(chuàng)建并應(yīng)用數(shù)字化模型、仿真系統(tǒng)，基于仿真結(jié)果和各方面的數(shù)據(jù)，對工廠運營過程中隱藏的風(fēng)險隱患進行分析并揭示出來，為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)活動的完善指明方向。數(shù)字化工廠涉及大量的仿真技術(shù)：在設(shè)計環(huán)節(jié)對產(chǎn)品各方面的性能進行仿真分析；在制造環(huán)節(jié)對產(chǎn)品的加工、生產(chǎn)、裝配等進行仿真；對車間生產(chǎn)線的布局進行仿真等。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)實踐活動中可能存在的問題，采取針對性的措施提前予以解決，確保各個方面的活動能夠有序、高效進行。

3.3 唯一數(shù)據(jù)源技術(shù)

在產(chǎn)品的整個周期中，相關(guān)部門的活動都會產(chǎn)生數(shù)據(jù)文件，由此構(gòu)成了專門的清單（BOM）。唯一數(shù)據(jù)源的核心，是對多種數(shù)據(jù)予以科學(xué)的組織，由此產(chǎn)生邏輯層面上有且僅有的數(shù)據(jù)源，從各個方面進行約束，極大地降低了組織的數(shù)據(jù)冗余度，同時也確保了數(shù)據(jù)的一致性。從產(chǎn)品的生命周期來看，企業(yè)在運行的過程中，會產(chǎn)生設(shè)計、工藝、制造、采購、銷售等各方面的數(shù)據(jù)。每種數(shù)據(jù)BOM 是由產(chǎn)品類型、應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)品的生命周期唯一確定的，其中最基礎(chǔ)性的即為設(shè)計BOM，我們能夠?qū)⑵洚斪鳟a(chǎn)品的單一數(shù)據(jù)源，它包含了設(shè)計者的智慧成果，其他環(huán)節(jié)的BOM 都是它和別的環(huán)節(jié)的信息融合在一起后產(chǎn)生的。

3.4 BPM技術(shù)

業(yè)務(wù)流程管理（BPM）應(yīng)該包括建?！獙嵤O(jiān)控—管理等過程，要具備其所需的所有服務(wù)與工具才能叫作BPM?，F(xiàn)在的信息系統(tǒng)開發(fā)方式的缺點在于對需求表達不清晰、效率不高。在這種思維方式下流程被固化在系統(tǒng)中，企業(yè)不能隨著商業(yè)環(huán)境的變化而方便迅速地改變業(yè)務(wù)流程，而企業(yè)外部環(huán)境的變化促使企業(yè)必須快速地調(diào)整業(yè)務(wù)來響應(yīng)。實時性企業(yè)將敏捷地使用最新信息，以積極地消除其關(guān)鍵性業(yè)務(wù)流程中的管理與執(zhí)行層面出現(xiàn)的低效率延遲。BPM 的出現(xiàn)正是為了解決企業(yè)流程實時改變所帶來的敏捷性、實時效果評估、資源整合與優(yōu)化等問題，而這些問題是傳統(tǒng)的OA 和工作流技術(shù)不能解決的。

4 數(shù)字化工廠建設(shè)內(nèi)容

4.1 研發(fā)設(shè)計數(shù)字化

設(shè)計者基于用戶的需求完成其工作，在這一過程中會產(chǎn)生相關(guān)的數(shù)據(jù)以及立體模型，經(jīng)過不斷地反饋和優(yōu)化，制訂最終的設(shè)計方案。整個過程由三個環(huán)節(jié)構(gòu)成。其一為產(chǎn)品設(shè)計，這一環(huán)節(jié)的主要工作是創(chuàng)建數(shù)字化產(chǎn)品模型，主要涉及計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助工程分析（CAE）、計算機輔助操作三個方面。其二為工藝規(guī)劃，該環(huán)節(jié)的主要工作是明確在計算機輔助條件下應(yīng)該采用怎樣的工藝，并對工藝進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)其不足之處并予以改進，主要涉及計算機輔助工藝規(guī)劃（CAPP）等。其三為虛擬驗證，在這一環(huán)節(jié)中，圍繞虛擬樣機搭建數(shù)字化環(huán)境，對客觀的物理實驗過程進行模擬分析，完成對產(chǎn)品的測試，對測試數(shù)據(jù)進行分析，從而判斷產(chǎn)品是否符合預(yù)期。

4.2 生產(chǎn)制造數(shù)字化

生產(chǎn)數(shù)字化離不開MES 系統(tǒng)的支持，它是一種自動化的智能科技手段，建立和運行這一系統(tǒng)，能夠有效提高工廠制造的智能化水平，提高生產(chǎn)活動的透明度，將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各方面的信息全部融合在一起，進一步增強裝備在數(shù)控技術(shù)方面的優(yōu)勢。

MES 采用了B/S 架構(gòu)，它由數(shù)據(jù)庫層、應(yīng)用邏輯層、服務(wù)傳遞層、展示層構(gòu)成。其中，處于底層的數(shù)據(jù)庫可以選擇SQLServer、Oracle 等產(chǎn)品；應(yīng)用邏輯層是通過.NET 設(shè)計的，它的主要內(nèi)容是業(yè)務(wù)邏輯和規(guī)則；服務(wù)傳遞層的開發(fā)利用了IIS（Internet Information Services）技術(shù)；展示層負責(zé)將系統(tǒng)的功能呈現(xiàn)在用戶眼前。在進行生產(chǎn)活動時，應(yīng)該全面地兼顧質(zhì)量管控數(shù)字化和企業(yè)管理數(shù)字化中質(zhì)量管控。在這一過程中應(yīng)該重點解決質(zhì)量檢測控制的問題，而應(yīng)用MES 系統(tǒng)就是良好的破解途徑。

4.3 企業(yè)管理數(shù)字化

把信息和管理技術(shù)引入企業(yè)經(jīng)營活動中，改善企業(yè)管理成效，幫助其獲取更為可觀的效益。企業(yè)管理數(shù)字化需要搭建圍繞產(chǎn)品這一核心的PLM 和圍繞物料這一核心的ERP，再加上辦公自動化（OA），質(zhì)量信息系統(tǒng)（QIS），試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（TDM），以及客戶關(guān)系管理、人力資源管理、財務(wù)管理等方面的系統(tǒng)，將這些系統(tǒng)全部集成在一起，從而為企業(yè)的管理活動提供更有力的支撐。

4.4 支撐保障數(shù)字化

4.4.1 基礎(chǔ)設(shè)施

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。其一為異地網(wǎng)，通過它將位于各個地區(qū)的企業(yè)分支機構(gòu)，甚至是各個企業(yè)關(guān)聯(lián)起來。其二為本地局域網(wǎng)，包括涉密網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等。

數(shù)據(jù)中心/災(zāi)備中心。搭建具有良好環(huán)境、功能完善的機房，為各個系統(tǒng)配置能夠高效、可靠運行的設(shè)備，比如服務(wù)器、存儲裝置等。一旦因各種因素（比如硬件受損）導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，也可以在最短的時間內(nèi)找回并恢復(fù)數(shù)字化系統(tǒng)的良好運行。

總控中心。它起著信息中心的作用，把所有能夠采集到的信息，都傳遞給這一中心，使工作人員能夠了解實時的狀態(tài)，進行統(tǒng)一的監(jiān)控、管理，促進企業(yè)管理水平的提升，提高決策的正確性。

4.4.2 數(shù)據(jù)庫及標準規(guī)范

企業(yè)的經(jīng)營活動包括了設(shè)計、工藝、制造、試驗等眾多的環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都會不斷地產(chǎn)生數(shù)據(jù)，因此需要為其搭建專門的數(shù)據(jù)庫，另外還有關(guān)系數(shù)據(jù)庫、文件數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫等。在數(shù)據(jù)庫方面可以選擇Oracle、SQLServer 等比較成熟的產(chǎn)品，確保數(shù)據(jù)庫能夠穩(wěn)定、可靠地運行。在建立標準規(guī)范方面，應(yīng)該充分遵循國家和行業(yè)現(xiàn)有的規(guī)范，結(jié)合企業(yè)的實際情況，設(shè)定自身的標準規(guī)范。

4.4.3 信息安全

要保障網(wǎng)絡(luò)和信息的安全，關(guān)鍵是搭建全方位信息安全防護體系。主要包括工業(yè)防火墻IFW、工業(yè)通信網(wǎng)關(guān)、安全監(jiān)測平臺，工控網(wǎng)絡(luò)安全防御平臺，工業(yè)信息安全在線監(jiān)測預(yù)警平臺等。

4.4.4 能源保障

以建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)為信息運行載體，對能量管理模型進行仿真分析，搭建并運營能源管理系統(tǒng)EMS（Energy Management System），在計算機、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的支持下，對數(shù)字化工廠的能源（供電、供水、供氣、供暖等）應(yīng)用狀況進行全面的監(jiān)控，了解當前的能耗水平，一旦發(fā)現(xiàn)異常狀況，馬上分析原因并介入，達到“實時測量”“數(shù)據(jù)處理”和“遠程控制”的效果。

4.4.5 服務(wù)保障

后方技術(shù)人員和現(xiàn)場的維修人員進行遠程的交流，為后者提供指導(dǎo)，使其能夠更快完成維修任務(wù)，消除故障，使設(shè)備能夠重新正常運行。具體來說，應(yīng)該包括遠程診斷和維修、可視化維修、維修咨詢等方面的服務(wù)。

4.4.6 系統(tǒng)集成

搭建覆蓋研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造等方面的數(shù)字化工廠集成支撐平臺，提高平臺的集成性，讓現(xiàn)有的系統(tǒng)能夠更好地共享數(shù)據(jù)、協(xié)同運作。就當前的趨勢來看，筆者認為重視研發(fā)的企業(yè)應(yīng)該圍繞PDM 搭建統(tǒng)一的平臺，而制造企業(yè)則應(yīng)該圍繞ERP+MES 搭建統(tǒng)一的平臺，研發(fā)制造混合型企業(yè)應(yīng)該圍繞PLM 搭建統(tǒng)一的平臺，從而對產(chǎn)品整個生命周期進行有效的監(jiān)控和管理。

5 結(jié) 語

數(shù)字化工廠建設(shè)是一項龐大的工程，它和企業(yè)及其供應(yīng)鏈都有緊密的關(guān)聯(lián)。數(shù)字化工廠具有互聯(lián)互通、系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)信息融合等特征，需要把人、設(shè)備、產(chǎn)品、環(huán)境等要素全部集成在一起，數(shù)字、數(shù)據(jù)、信息全面融合，為企業(yè)的決策和執(zhí)行提供有力的數(shù)據(jù)支持。所以這一工程的建設(shè)，不但要解決技術(shù)方面的難題，同時還面臨著組織、文化、流程等方面的壓力，最關(guān)鍵的是培養(yǎng)更多綜合性信息化人才。