案例分析丨資訊物理系統在石化智慧工廠建設中的應用
【編者按】我國石油化工工業經過多年迅速發展，已經完成高速增長的歷史階段，進人高速增長的“新常態”階段，但在隨著麟遊成本持續增加、發展增速下降、資源環境約束逐漸強化、需求長期變動等影響的新形勢下，以CPS為基礎的智慧工廠製造新模式成為石油化工工業創新發展的關鍵。
本文來源於精智工廠，作者為中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院李雪，中國石油天然氣股份有限公司管道長慶輸油氣分公司汪旭，由億歐編輯，供業內人士參考。
CPS作為石化智慧工廠建設的核心內容，全面體現了集中整合、物聯網接入、IT管控、優化、共享服務、資料處理與分析、人工智慧等核心能力。
我國石油化工工業經過多年迅速發展，已經完成高速增長的歷史階段，進人高速增長的“新常態”階段， 隨著麟遊成本持續增加、發展增速下降、資源環境約束逐漸強化、需求長期變動等影響的新形勢下 ，貫徹落實國務院下發的《中國製造2025》提出的戰略目標和要求是石油化工行業轉型升級，實現可持續發展的重要動力。
《中國製造2025》是我國面臨在新的國際經濟環境，為立足於國際產業變革大勢，為了改變中國製造業“大而不強”的局面而作出的全面提升中國製造業發展質量和水平的重大戰略部署。《中國製造2025》中明確提出要加快推進最新制造技術與資訊科技相互融合，實現智慧製造做為量化深度融合的主攻方向，建立資訊保安保障系統和智慧製造標準體系，全面升級提高企業智慧化水平，形成以CPS為基礎的智慧工廠製造新模式，以促進行業持續發展和產業深度變革。
石化資訊物理融合系統
CPS發展歷程
2006年美國國家基金委員會首先提出資訊物理系統(Cyber-physical Systems，簡稱CPS)的概念。2008年韓國高等教育機構和科研院開展了CPS研究，關注計算裝置、通訊網路與嵌人式物件的整合跨平臺研究。同年，歐盟啟動了ARTEMIS專案，將CPS作為智慧系統的重要發展方向。隨後日本學術界開展了CPS技術在醫療智慧器械研發等方面的應用研究。2012年我國啟動了“面向CPS的系統平臺”主題專案，並列人863計劃。
2013年德國《工業4.0實施建議》將CPS作為工業4.0的核心技術，並在標準制定、技術研發、驗證測試平臺建設等方提出，基於CPS智慧製造正在引領生產製造模式革新，我國製造業轉型升級、創新發展迎來重大機遇。2017年我國工業與資訊化部發布《資訊物理系統白皮書((2017 )))，給出了CPS的特徵、實現路徑及應用場景。
石化CPS含義
CPS作為計算程序和物理程序的融合統一體，是集計算過程、通訊過程及控制過程於一體的新一代智慧系統 。CPS通過人機互動介面實現計算進城與物理程序的互動，使“實體”和“虛擬”之間可以有效溝通和協調，充分運用資訊及通訊技術，將虛擬世界和實體環境兩者之間的距離縮短，然後利用資訊系統來快速反應及設定實體環境所需;最終實現以實時、可靠、遠端、協作且安全的方式來反映並操控一個物理實體。
石化CPS作為石化智慧工廠的核心， 將感測器、智慧硬體、控制系統、計算設施及資訊終端連線成一個智慧網路，實現企業、員工、裝置、服務之間的互聯互通 ，最大限度的開發、整合和利用各類資訊資源、知識及智慧。
石化CPS建立以人為本的安全管理理念，構建多專業領域人才融合的團隊，突破企業邊界和規模，企業組織形態向扁平化、流程化、柔性化、網路化和分權化的方向發展。
石化CPS依靠資料與模式驅動。在不同元件、系統之間進行準確、實時的資料流動，並通過決策演算法、機器學習等方法發現數據信息價值，形成石化CPS智慧決策;而石化CPS模型庫包括模型庫包括工藝模型、業務模型、機理模型、優化模型及裝置三維模型等，模型結合成熟的經驗、技術固化在製造管理系統中，支撐石化產品生產管理。
石化CPS可以做到 全面態勢感知、虛實共變、自組織與自適應、知識自動化 ，從而實現智慧工廠實時監控功能，資訊整合、共享和協同功能，綜合模擬和全域性優化功能。
石化CPS實現資訊空間與物理空間的深度融合和實施互動，建立石化生產各環節融合工作機制，實現跨工序的資訊共享整合處理與融合分析。根據企業架構方法論及石化行業特點，視覺化CPS構架劃分為五個層次，如下圖。
基於CPS的石化智慧工廠建設
石化智慧工廠含義
石化智慧工廠以卓越運營為目標，貫穿運營管理全過程，具備高度數字化、視覺化、整合化、模型化和自動化的石油化工工廠。通過技術和業務的革新，使得企業具備更為優異的感知、預測、協同和分析優化能力。
石化智慧工廠建設是一項系統工程，從時間維度而言，包括研發、製造、供應鏈等維度;從空間維度而言，包括裝置裝置、自動化、生產工藝、原料及產品的物流倉儲等技術。目的在於使得石化企業包含生產工藝、裝置監控、倉儲物流管理等在內的所有系統能夠有機融合為協同工作統一系統，進而提高生產管理控制整體績效。
傳統石化企業資訊化三層平臺包括過程控制層、生產執行層和經營管理層，而石化智慧工廠在此基礎上，進一步建設集中整合、三維數字化、應急指揮等公共服務平臺。搭建裝置數字化、感知實時化、資料標準化、網路高速化、應用整合化的智慧工廠模型框架。
石化智慧工廠是面向石化生產的全產業鏈環節，在傳統的石化生產過程工藝及裝置中高度融合新一代資訊通訊技術，實現石化工廠縱向、橫向及端到端的深度整合。升級煉廠實時全面感知、準確預測預警、深度協同優化、快速科學決策四項關鍵能力，以更加靈活精細的方式提升深層運營管理水平，並推動形成新的製造和商業模式。
石化智慧工廠特徵
石化智慧工廠可歸納總結為整合化、智慧化、自動化、主動化及綠色安全化五大特徵。 整合化，實現資訊的整合並有效採集企業內部所有流程資料，存人建成的資料庫資料庫，實現石化工廠從物理向數字化的轉變。
智慧化，實現人機互動模式的變革。在傳統的人機互動中，人作為決策主體來控制“機器”的行為，機器僅處於執行階段。然而智慧製造中的“機器”擁有甚至可以擴充套件學習“人腦”的能力，因此“機器”可以與人相互協作、各取所長組成共同決策主體，從而使人機互動與融合達到前所未有的深度。
自動化，全面實現自動感知、主動響應、主動控制的自動化管控。
主動化，對市場波動迅速反應，主動動態調配資源，實現柔性製造。
綠色安全化，實現環境足跡監控及能源管理優化，並實現本質安全、生產安全、資訊保安的安全防設。
基於石化CPS的智慧工廠建設例項
Valero智慧工廠建設
Valero是北美最大的煉化公司，通過智慧工廠解決方案，有效提高管控能力，並最大限度發揮業務整合力，其總資產在10年間從50億美元快速增加至1200億美元。Valero基於SAP MII整合平臺及SOA構架，採用服務匯流排的設計模式，整合資料採集與監視控制系統(SCADA )、集散控制系統(DCS ),生產資訊化管理系統(MES )、統計過程控制( SPC)/統計質量控制(SQC)、實驗室資訊管理系統(LIMS及其維修管理系統等的資料來源;並基於ISA 95/88的標準，建立工廠模型，標準化管理並處理工廠實時資料。
Valero通過優化資訊系統進行節能減排。對鍋爐進行了建模，採用面向方程式的模擬和優化軟體工具，以過程單元能源需求、由裝置或環境法規所造成的能源要求和制度的約束為依據，優化燃料採購，蒸汽與電力的應用，產生年效益約270萬美元。導人建設智慧工廠的問題解決方案後，Valero工廠每年可以節約1.2-2億美元的成本。
BP煉油銷售部門智慧工廠建設
BP的煉油銷售部門從管理、技術兩方面人手進行能源管理，通過iPlant戰略實施，對能源管理體系評估和對能源消耗指標的實時監控，進行業務與資訊化的轉型，實現了IT建設的標準化和整合化。
在管理方面，開展領域能源管理診斷，包括組織結構、人員配備、能源管理認知度、財務管理、操作與維護、工藝裝置及最終成效等關鍵領域，然後根據診斷的結果，自動評級基準對比企業能源管理水平，提出企業能源管理最為薄弱的三個方面，自動生成診斷報告並提出改進方向和措施。
在技術方面，在下屬的部分煉油企業應用軟體，實時採集、傳輸、儲存來自DCS系統、SCADA系統、PI系統及資料倉庫的能源資料，然後線性迴歸分析不同類別、層面的歷史能耗資料，根據分析結果來重新設定目標值。實時監控設定目標值與實測得消耗數值之間的差距變化，在差異較大時發出報警資訊，並提出改進的方向。
中國石化智慧工廠建設
中國石化自2012年啟動智慧工廠建設，並將燕山石化、茂名石化、鎮海煉化、九江石化四家作為試點單位，開展規劃編制和方案設計等前期工作;2013年完成智慧工廠規劃，確立智慧工廠建設目標;2014年完成智慧工廠系統設計，包括業務架構、系統架構、整合架構、基礎設施架構設計，制定了包含技術、資料和應用的智慧工廠標準化體系，完成專案可行性分析和實施策略，在4家試點企業進行智慧工廠建設;2016年11月完成四家試點企業的驗收測試工作，初步形成中國石化智慧工廠(1.0 )基本框架，2017年開始進行進行石化智慧工廠2.0 )建設。
在中國石化智慧工廠建設過程中，雲端計算、大資料及物聯網等眾多先進技術得到有效運用。綜合運用資訊科技、工業技術、管理技術等手段，建成了企業統一的集中整合平臺，使企業生產運營具備實時全面感知、深度優化協同、準確預測預警、快速科學決策的能力，實現了生產全業務流程閉環優化管理，實現動態平衡、最優生產、效益最佳的卓越運營目標，提升了工廠運營管理水平，推動石化企業管控模式和生產方式的深度改革。
四家試點企業的先進控制投用率提高約10% ;外排汙染源自動監控率達到100%;生產優化由傳統的區域性離線優化逐步提升為全域性線上優化;生產資料自動數採率提升10%-20%，實現資料自動採率全部達到90%以上。
結束語
面對世界經濟體制改革的今天，《中國製造2025》中關於智慧工廠建設的戰略手段是推動石化行業生產改革前行的重要動力。而CPS作為石化智慧工廠建設的核心內容，全面體現了集中整合、物聯網接入、IT管控、優化、共享服務、資料處理與分析、人工智慧等核心能力。石化智慧工廠的建設對我國石化行業打破“大而不強”的局面具有重要戰略意義。