中智达流程工业新一代智能工厂解决方案--控制网



中智达流程工业新一代智能工厂解决方案
企业: 日期:2020-02-07
领域:工厂信息化 点击数:327

1 目标和概述

遵循“中国制造2025”和“互联网+”战略规划与行动部署,积极践行供给侧改革,中智达以提质增效、节能降耗、转型升级为总目标,以智能制造、互联网+为技术驱动,成功研发了“绿色、安全、高效、循环”且技术安全可控的流程行业新一代智能工厂整体解决方案(如图1所示),进一步提升价值创造能力,助推流程企业从传统化工基地向智能化领域转型升级,同时,形成智能工厂应用示范,为我国传统化工基地以及化工园区向智能制造转型升级、创新发展提供一种新模式。

2 详细介绍

中智达新一代智能工厂整体解决方案Cyber Plant的整体架构如图1所示,其特点如下:

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图1 Cyber Plant整体架构

人工智能支撑业务价值最大化:Cyber Plant大量使用人工智能技术,结合专业知识和模型,实现过程控制、生产操作、生产计划与调度、能源平衡与调度、质量分析与提升、设备预警与预防性维修、安全预警与应急指挥、仓储物流一体化等具体业务场景的智能化和优化,确保工厂的安全、绿色、节能和高效运作。

  • 大数据平台支撑数据价值最大化:Cyber Plant基于分布式工业实时数据库、多维度指标管理系统、人工智能算法库、各种工业应用APP和先进的数据治理体系(主数据管理、数据仓库、ESB现场服务总线、云计算设施、4G/5G网络等),构建边缘端和云端融合的大数据服务平台,实现企业生产和经营多维度数据的高效利用和深度分析,实现数据价值的最大化。

  • 先进设计理念支撑系统价值最大化:Cyber Plant在产品设计上不仅追求业务价值和数据价值最大化,还追求可组态化、灵活性、方便友好性和可维护性。Cyber Plant融合了先进的工业互联网平台架构理念,它不是一旦验收就固化了的交付物,而是可以一直轻松使用的工具,用户可以利用它持续创造价值。中智达新一代智能工厂整体解决方案的主要内容包括:

(1)PID性能评估与整定系统Cyb-iPID

在PID回路智能整定方面,采用具有专业控制技术和机器学习的新一代智能PID性能评估与整定算法的PID性能评估与整定系统,实现对PID控制回路的自动监测与性能评估,实现控制回路的精细化管理,提高性能,稳定生产,增加效益。

  • Cyb-iPID内置融合专业控制技术和机器学习的新一代智能PID性能评估与整定算法,自动采集数据,实时进行评估和整定,可以在30分钟内对1000个PID控制回路快速给出评估和整定结果。

  • Cyb-iPID可以集中或分类展示评估结果,给出优/良/中/差分级,实现自动排序,针对多种性能指标进行展示分析(包括PID参数、振荡、扰动、噪声、非线性等维度,如图2所示),给出适合各岗位的专业评估报告等。

  • Cyb-iPID可以实现PID参数的在线自整定,并给出新整定PID参数的置信度,置信度高的可以自动下载;针对置信度低的,可以重新获得激励更加充分的开/闭环测试数据,再次进行整定,直到置信度达到可以自动下载的要求。

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图2 Cyb-iPID多性能指标分析结果

(2)先进控制系统Cyb-iMPC

基于新一代智能模型预测控制与优化算法、机理与大数据融合的智能软测量算法,运用多变量预测控制系统。提高复杂工业过程的控制品质,增强系统的抗干扰能力和鲁棒性,保证产品质量的均匀性,减轻劳动强度,通过运行优化提高装置的处理能力和目标产品收率,降低运行成本,减少环境污染,进而提高企业综合竞争力。

  • Cyb-iMPC内置新一代智能模型预测控制与优化算法、机理与大数据融合的智能软测量算法,可以实现大型、复杂、关键生产装置(单元)的多目标、多层次、多变量约束优化控制,以提高重要工艺参数的控制品质,并支撑生产装置节能优化运行。

  • Cyb-iMPC严格遵循先进控制与优化国际标准ISO 15746(该国际标准由中智达公司牵头负责制定)的要求,包含预测控制、优化、软测量和性能评估四项功能,是国内唯一具备全部四项功能的APC软件,如图3所示。

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图3 Cyb-iMPC系统功能图

  • Cyb-iMPC采用了最新的云、端相融合的统一架构,边缘端实现对装置的实时控制与优化,而将对APC和PID回路的性能评估结果发布到云端。整个系统可以实现各项功能的模块化灵活部署。

  • Cyb-iMPC支持闭环测试,可以在不做阶跃测试的情况下获得满意的辨识模型,减少对装置的干扰。

  • Cyb-iMPC支持稳态优化与动态控制模块的自定义组合,实施人员可以快速、分步骤完成控制和优化工作,提高工作质量和效率。

  • Cyb-iMPC支持在线自动完成模型辨识,并分析确定模型的置信度,从而支撑在线维护,降低维护成本,提高系统的使用寿命和效果。

(3)生产执行系统Cyb-iMES

生产执行系统(MES)以标准化各生产单位生产信息化管理为导向,以采集所有生产装置的实时生产数据为基础手段,同时配合人力;机械;设备;原料等工厂资源的信息化管理以及生产调度管理;生产过程控制;底层数据集成分析;上层数据集成分解来实现企业掌控生产现场状况工艺参数监测、实录、受控;物料损耗;配给跟踪;库存管理。实现从计划、调度、操作、统计、分析、考核的一体化协同、精细化和闭环管理,实现生产过程的透明、精细、可追溯,管理的标准化、制度化、精细化,实现提质、降本、增效。提高工艺、设备、质量、采购、统计各专业部门专业化治理能力。实现员工生产跟踪、考核依据客观、成本快速核算、细化成本等管理目标,达到综合管控工厂活动的目的,如图4所示。

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图4 Cyb-iMES架构图

  • Cyb-iMES首先是一个服务于工厂和车间的生产管控平台,将相关部门和岗位高效协同在一起,在平台上可以实现从计划、调度、操作到统计、分析、考核的一体化协同、精细化和闭环管理,显著提高生产管控效率。

  • Cyb-iMES基于统一的企业信息集成平台CybiEIP,实现了各业务功能的模块化,用户可按需选择、组装自己的解决方案。

  • Cyb-iMES严格遵循国际标准和国家标准的要求,包含但不限于过程监控、计划管理、调度管理、操作管理、工艺管理、计量管理、罐区管理、库存管理、物料平衡、统计分析、报表管理等模块,也可为用户定制个性化功能模块。

  • Cyb-iMES基于工业级大型实时数据库CybiTDB和灵活的指标管理系统,在专家指导下,用户可快速掌握实时监控图、实时报表和各种统计报表的组态技术,用户可以持续按需组态新的监控图和报表。

  • Cyb-iMES基于人工智能算法库和业务知识,构建了全新的大数据分析平台,用户可以使用它对工业数据进行深入分析,最大化挖掘数据价值。

  • Cyb-iMES提供全新的数字化调度会功能,会前准备好数据和问题汇报机制,会中实现数据的可检查和分析,会后进行决议的落实和督办,形成调度会的闭环管理。

  • Cyb-iMES提供强大的移动工作台APP,实现移动端的监控、查询、报警、审批、督办等功能,显著提高工作效率。

(4)智慧能源管理系统Cyb-iEMS

通过智慧能源管理系统的建设,将能源消耗数据统一到一个管理平台,对各个生产设备、装置等能源核算单元进行消耗分析、计量分析,最终做出耗能统计。实现了能源预测、管网模拟和优化调度,形成了完整的能源综合监控-管理-平衡与优化调度-优化利用的管理体系,可实现对企业生产过程中的能源介质和能源管网进行有效的监控和分析,为企业的节能减排提供基础的数据支持和手段。

  • Cyb-iEMS面向炼油、石化、化工、钢铁有色等高耗能工业企业,提供能源系统的集中监控、一体化管理与智能优化整体解决方案。

  • Cyb-iEMS提供主要能源介质的专用智能优化解决方案(包括蒸汽平衡与优化、瓦斯平衡与优化、氢气平衡与优化等),显著提高能源介质的综合利用效率。

  • Cyb-iEMS通过强大的能源指标系统智能构建工具,结合业务知识,实现能源管理的一体化、精细化和在线闭环。

(5)安全环保管理与应急系统Cyb-iSMS

安全是企业生产的保障,没有安全就没有生产。为了保证企业实现企业转型升级、建设智能化示范园区的总体目标,就必须在安全上有所保障,本系统正是为实现企业长周期的安全平稳运行和实现企业战略发展目标奠定坚实的基础。总体框架设计按照规范化、系统化的HSE管理思想设计,从事前预防与监督管理业务入手,以风险管理为核心,强化企业事前预防与监督等业务的管理,其业务按照专业分为安全、环境和日常应急等方面。同时,为了确保事故发生时的应急处置与指挥,突出事中应急的资源调度、事故模拟、应急决策与指挥等功能,支撑消防大队、总调、HSE等部门的多发联动指挥救援,为事故的应急处置与指挥提供科学的决策依据,减少事故损失,突显企业事故应急处置与指挥能力,所以必须为企业建设事中应急所需的功能;对于事故发生后,需要对事故进行调查、分析与处理,总结事故教训,分享事故经验,进一步强化企业HSE管理的薄弱环节,提升企业的HSE管理,从而推动企业创造卓越的HSE业绩。

  • Cyb-iSMS以安全监管、环境保护和应急救援为核心,充分利用云计算、物联网、5G、人工智能等先进技术,实现安全环保业务有效监督和高效管理。

  • Cyb-iSMS符合国家标准,覆盖工业企业安全态、临界态、应急态全方位安全环保业务。

  • Cyb-iSMS的安全态管理以风险管控为核心,包括风险分级、隐患管理、作业管理等核心模块,实现风险识别、评审、在线监督、治理和验收的闭环管理。

  • Cyb-iSMS的临界态管理结合人工智能技术和物联设备,在事故发生之前提前预警:如通过普通摄像头和机器学习算法的结合,可实现火灾和烟雾识别、特殊人群和目标识别、瑕疵检测等,在事故和风险在萌芽状态时及时预警。

  • Cyb-iSMS的应急态管理以主动推送完整准确信息(与事故相关的人、物料法环所有相关信息,可以拍摄到事故的视频或距离最近的几个视频等)和结构化预案为核心,为快速、准确、高效处理事故,降低事故损失提供强力支撑。

(6)设备管理与预警系统Cyb-iEAM

设备管理与预警系统主要是用于自动化程度相对较高,而人际关系又相对简单的资产密集型企业,对那些高价值的设备的运行、维护、保养等信息的跟踪管理。设备管理信息系统以提高企业设备的可利用率、降低企业的运行维护成本为目标,力求通过先进的管理理念和系统设计思想,采用信息化手段优化企业的维护资源、合理安排检维修计划,从而提高企业的经济效益和市场竞争力。

总体思想是以管理体系为目标,以设备故障管理为主线,达到降低设备故障、保证设备正常运行的目的。通过设备状态的监测与诊断,掌握设备有无劣化情况,以期发现故障的征兆和隐患,及时进行预防维修,以控制故障的发生;在故障发生后,及时分析原因,研究对策,采取措施排除故障或改善设备,以防止故障的再发生。

(7)实验室系统Cyb-iLIMS

实验室系统实现从化验室分析、样品登记、报告生成和发送的全流程自动化和业务管理,提高化验室的工作效率,实现分析数据的共享,提高数据的利用程度,最大化地减少人为因素的干扰,确保分析数据的真实可靠。

(8)智能物流系统Cyb-iLS

通过智能物流系统的建设,能够形成统一的物流管理平台,极大地提升物流工作和信息传递效率与透明度,强化物流服务商、物流管理者及货主的业务协同,将信息不对称和信息传递错误率降到最低。系统能够对物流执行过程自动作完整、详细的记录,排除人为因素的干扰,有效降低物流工作的风险。并能够通过系统的流程优化和统计分析,合理安排物流业务,实现“降本增效”。

  • Cyb-iLS为企业搭建物流供应链上各业务主体之间和各业务环节之间流程共享、信息共享、资源共享的智能物流系统,为企业提供专属的物流供应链管理与业务协作平台。

  • Cyb-iLS为工业园区提供包含智能门禁管理系统、无人值守地磅系统、车辆状态跟踪系统和智能仓库管理系统的智能园区物流一体化管理平台,实现园区物流全自动化作业和全程跟踪,提高周转率,降低成本。

(9)智能仓储系统Cyb-iSTS

智能仓储系统利用信息技术(条形码、二维码、无线射频识别(RFID)互联网、物联网、移动互联网等识别技术实现自动出入库管理)和物流管理技术相结合,集成仓储自动化控制作业设备,建立产成品智慧云仓储管理系统、设备备品备件系统,实现仓库中产成品、备品备件明细的出入库、库存管理,并与ERP等系统实现业务联动,从仓储源头开始实施跟踪与管理,提高仓库运行的透明度,实现仓库使用空间情况分析及仓库运行和业务流程的可视化,实现根据客户和产品需求调整目标库存水平,实现采购、生产、储存、营销、物流、商贸等各信息系统互联互通,搭建一个集信息化、智慧化、系统化为一体的智能仓储系统,推动公司特色物流服务业的发展,为向公司及社会提供规范高效仓储物流服务奠定基础,为公司经营决策提供支撑。

  • Cyb-iSTS采集各制造工厂固液态原料、产成品的库存数据,构建园区企业统一虚拟仓库,形成企业完整的仓储库存信息,实现园区统一云仓管理。

  • Cyb-iSTS可以实现产品入库、出库、移库、升降级和盘点等功能,可通过3D方式实时、准确地反应产品进出库情况,为生产和管理决策提供即时数据。

  • Cyb-iSTS与智能化物联设备无缝集成,实现收发货一律扫码确认、搬运车自动操作,明显提升盘库和收发货效率。

(10)工业大数据分析与共享平台Cyb-iDB

基于分布式工业实时数据库、多维度指标管理系统、人工智能算法库、各种工业应用APP和先进的数据治理体系(主数据管理、数据仓库、ESB现场服务总线、云计算设施、4G/5G网络等),构建边缘端和云端融合的大数据服务平台,实现企业生产和经营多维度数据的高效利用和深度分析,实现数据价值的最大化。不仅追求业务价值和数据价值最大化,还追求可组态化、灵活性、方便友好性和可维护性。

通过对企业的主数据管理体系进行整体设计和实施,建立集团级大数据分析与共享平台,以企业组织架构为主线,从不同的主题、维度,进行数据分析与挖掘,统一展现企业运营管理的实况和问题,辅助提升企业管理水平、风险预判和管控能力,最终实现“数据规范、数据共享、数据挖掘、数据应用”的目标。

3 代表性及推广价值

在当今化工行业产能严重过剩的情况下,智能制造是企业生产模式变革和挖潜增效的根本路径,只有通过先进控制技术的改造才能实现高端化、差异化,突破生产要素成本上升、安全环保压力增大的瓶颈,有效变革传统的化工生产组织模式,提升产品附加值,为客户提供更加优质的服务,提高企业管理和控制水平。

通过智能工厂解决方案成功实施将创新传统化工企业或化工产业园区“绿色、循环、低碳、高效”发展的新模式,对具备条件的化工生产企业或化工产业园区具有引领示范作用,对其他传统制造业行业构建绿色制造体系也具有借鉴意义,可加速我国传统制造业转型升级、创新发展,抢占新一轮全球竞争制高点。

化工产业是国民经济的支柱产业和基础产业,经过几十年的快速发展,化工产业得到了长足的进步,但与发达国家相比,我国化工产业发展水平还处于产业价值链中低端,且与人民群众对生态环境的诉求日益形成尖锐的矛盾,特别是8-12天津爆炸案发生以及化工企业违规倾倒危废屡禁不止,国家重拳出击治理环保问题,加大推动危化品企业搬迁和化工园区提升改造,这给传统化工园区智能改造转型升级业务带来巨大的市场空间。智能制造技术能够提高资源利用率、降低能源消耗、控制污染排放、提升设备本质安全,对提高我国化工行业核心竞争力,实现可持续发展有着极大的促进作用。

通过智能工厂建设,开通智能化提升化工产业路径,可在化工行业形成标杆,快速进行推广应用,为企业创造显著的经济效益,并确保化工园区规范发展,实现化工产业转型升级,同时也必然会带动信息化产业空间的爆炸式发展。通过智能工厂的建设,可以给企业带来各类效益,具体如下:

(1)提升装置控制精度,减少生产操作波动;实现卡边操作,降低能耗物耗,提高产品质量

基于智能多变量模型预测控制、人工智能等技术,实施APC先进控制项目后,有效降低试点装置主要控制指标的波动方差降低,以实现卡边操作,达到节能的目的;同时,在提高装置的操作与控制水平的基础上,提高关键被控参数控制性能,降低能耗,提高产品收率和质量,实现黑屏操作和机器换人,降低操作人员的劳动强度,提高了安全性,减少了环境污染,得到较好的社会效益。

(2)大幅提升企业生产调度效能和安全环保应急指挥水平

通过生产管控平台,可以大幅提升生产调度指挥的快速响应能力,提高调度工作的准确性和执行效率,实现从计划、调度、操作、统计、分析、考核的一体化协同、精细化和闭环管理,提高生产管控效率,实现生产安排有据可依;实现提质、降本、增效,提高工艺、设备、质量、采购、统计各专业部门专业化治理能力。通过安全应急指挥平台建设,为企业面对事故时的应急指挥提供辅助决策,实时监控并预警重大安全风险、施工作业过程、环保排放风险监控实现污染排放风险,对污染排放设施故障、污染排放异常或超标自动给出原因分析结果,为异常处置提供对策措施,减少安全事故隐患和重大环境事故风险。在安全环保的基础上,实现生产全过程的分析与管控,对能源消耗情况进行实时监测与控制,提高能源利用率,缩短新产品研制周期 。

(3)通过软仪表建模,有效降低仪表采购量,从而节约采用成本和维修费用

装置能源、物料计量仪表对于智能工厂建设至关重要,是基础中的基础。通过软仪表建模计算,要进一步结合实际,评估分析,确定主次,可以不用考虑将所有计量仪表全部更换,部分可以使用软仪表进行计算计量的,从软仪表计算获得,从而大幅降低仪表
采购费用,也可为MES、物料平衡、能源优化、业财融合等系统提供可信的基础数据支持。

(4)形成企业级数据中心,为企业/工厂未来的大数据分析奠定基础

未来将打破传统的建一套信息化系统,配套一部分硬件资源的旧模式,而形成虚拟化的云服务模式,新建系统只需要申请存储、计算、通讯资源即可,不仅大大节约了硬件成本,而且更便于集中管理;同时数据中心的建立,将为未来进行大据分析奠定基础。

(5)实现集团企业协同一体化

智能工厂建设充分利用GIS、云计算、移动终端、物联网、人工智能、大数据分析等技术,集成厂区之间的计算机网络、通讯、视频监控、火灾报警等,实现生产调度、安全监控、应急指挥、安全环保的区域一体化联动,解决集团企业各个工厂信息互联,各厂之间的生产上下游信息不通畅,区域协同联动能力不足,很难实现整体优化的问题。同时,对有条件进行整合各业务系统,进行一体化部署、一体化管理、一体化运维,打通生产链上下游业务流、信息流、资金流,逐步将企业打造成为上下游一体化优化、一体化协同、一体化管控的新型智慧园区。

摘自《自动化博览》2020年1月刊


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