引言

眾所周知，制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基。智能制造與生俱來，就是以制造業(yè)為主體依托的。然而，與世界先進(jìn)水平相比，中國制造業(yè)仍然大而不強(qiáng)，細(xì)分在流程行業(yè)，石化化工等工廠在自主創(chuàng)新能力、資源利用效率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平、信息化程度、質(zhì)量效益等方面差距明顯，轉(zhuǎn)型升級和跨越發(fā)展的任務(wù)緊迫而艱巨。進(jìn)一步轉(zhuǎn)型升級，對于流程行業(yè)來說，智能化工廠是實(shí)現(xiàn)“智能制造”的必由之路。

01

智能制造的概念和意義

按照《關(guān)于印發(fā)智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）的通知》文件（工信部聯(lián)規(guī)〔2016〕349號）中的說明定義：智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。

智能制造系統(tǒng)架構(gòu)

加快發(fā)展智能制造，是培育我國經(jīng)濟(jì)增長新動能的必由之路，是搶占未來經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展制高點(diǎn)的戰(zhàn)略選擇，對于推動我國制造業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，打造我國制造業(yè)競爭新優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國具有重要戰(zhàn)略意義。

02

智能制造提出的國家背景及政策

2014年10月10日，國務(wù)院******在訪問德國期間和德國***默克爾，聯(lián)合發(fā)表了《中德合作行動綱領(lǐng)》，重點(diǎn)突出了雙方在制造業(yè)就“工業(yè)4.0”計(jì)劃的攜手合作，推進(jìn)兩國在移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的合作。

國務(wù)院******和德國***默克爾

聯(lián)合發(fā)表了《中德合作行動綱領(lǐng)》

借鑒了德國的工業(yè)4.0計(jì)劃，我國在2015年迅速制定了《中國制造2025》計(jì)劃。伴隨著老齡化社會帶來勞動力減少、資源匱乏，能效仍需提升、消費(fèi)者需求，實(shí)現(xiàn)差異化、個(gè)性化的生產(chǎn)等客觀市場存在問題，我國的制造業(yè)也亟需轉(zhuǎn)型，計(jì)劃在2025年對制造業(yè)完成升級轉(zhuǎn)型。

全面提高企業(yè)應(yīng)用信息化水平，推動信息化和工業(yè)化深度融合，促進(jìn)工業(yè)由大變強(qiáng)，大幅提升制造業(yè)整體素質(zhì)，全員勞動生產(chǎn)率明顯提高，單位工業(yè)增加值能耗、物耗及污染物排放明顯下降。這是企業(yè)效益提升，環(huán)境生態(tài)友好的戰(zhàn)略之路。

03

國際強(qiáng)國間相關(guān)行業(yè)政策

與我國國家戰(zhàn)略及政策激烈競爭的國際間大國們，也同樣在制造業(yè)制訂并實(shí)施了一系列國家政策。其中，德國工業(yè)4.0和美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是表現(xiàn)最為突出的先進(jìn)技術(shù)理念。

在德國。德國政府發(fā)起并在世界范圍內(nèi)推廣的工業(yè)4.0，希望重塑自己在工業(yè)領(lǐng)域的全球龍頭地位，支持工業(yè)領(lǐng)域新一代革命性技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新，并解決老齡化等問題的積極應(yīng)對戰(zhàn)略，旨在保持德國的國際競爭力。在這一高度下，德國本身的工業(yè)4.0規(guī)劃，非常側(cè)重借助信息產(chǎn)業(yè)將其原有的先進(jìn)工業(yè)模式智能化和虛擬化，重視智能工廠和智慧生產(chǎn)，運(yùn)用互聯(lián)技術(shù)與高度集成化，使工廠的各個(gè)生產(chǎn)模塊智能化，從而將工廠變?yōu)榫邆渥月煞稚⑾到y(tǒng)的智能工廠。涌現(xiàn)了一批如SAP、SIEMENS、Schneider、BOSCH、KUKA為代表的工業(yè)4.0企業(yè)。

德國工業(yè)4.0

在美國。美國政府推出了《美國競爭力計(jì)劃》，其中“先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計(jì)劃”更是其重點(diǎn)，“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的概念最早是由美國通用電氣公司（GE）提出，隨后聯(lián)合另外四家IT巨頭（Intel、Cisco、AT&T、IBM）組建了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC），將這一概念大力推廣開來。“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”主要含義是，在現(xiàn)實(shí)世界中，機(jī)器、設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)能在更深層次與信息世界的大數(shù)據(jù)和分析連接在一起，帶動工業(yè)革命和網(wǎng)絡(luò)革命兩大革命性轉(zhuǎn)變。通過建立協(xié)同的生態(tài)系統(tǒng)，基于統(tǒng)一架構(gòu)、互操作和開放標(biāo)準(zhǔn)，利用工業(yè)和公共的基礎(chǔ)設(shè)施，支撐業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型和社會協(xié)作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與人、流程和數(shù)據(jù)之間的安全連接、控制和集成，從而加速工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的增長。

其他如韓國《制造業(yè)創(chuàng)新3.0戰(zhàn)略》、日本《社會5.0》、英國《英國工業(yè)2050戰(zhàn)略》等發(fā)達(dá)國家，都在考慮自身制造業(yè)的升級改造，與我國的《中國制造2025》有異曲同工之妙。

04

兩化融合是必由之路

兩化融合是信息化和工業(yè)化的高層次深度結(jié)合，是指以信息化帶動工業(yè)化、以工業(yè)化促進(jìn)信息化，走新型工業(yè)化道路；兩化融合的核心就是信息化支撐，追求可持續(xù)發(fā)展模式。

兩化融合是指電子信息技術(shù)廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，信息化成為工業(yè)企業(yè)經(jīng)營管理的常規(guī)手段。信息化進(jìn)程和工業(yè)化進(jìn)程不再相互獨(dú)立進(jìn)行，不再是單方的帶動和促進(jìn)關(guān)系，而是兩者在技術(shù)、產(chǎn)品、管理等各個(gè)層面相互交融，彼此不可分割，并催生工業(yè)電子、工業(yè)軟件、工業(yè)信息服務(wù)業(yè)等新產(chǎn)業(yè)。兩化融合是工業(yè)化和信息化發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物。

從兩化融合開始

實(shí)現(xiàn)“中國版”工業(yè)4.0（中國制造2025）

目前流程行業(yè)的智能化工廠建設(shè)，可以從技術(shù)融合、產(chǎn)品融合、業(yè)務(wù)融合、產(chǎn)業(yè)衍生四個(gè)方面開展：

①技術(shù)融合：將工業(yè)技術(shù)與信息技術(shù)的融合，產(chǎn)生新的技術(shù)，推動技術(shù)創(chuàng)新，如MES上馬和ERP系統(tǒng)接口功能擴(kuò)充、工控網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)產(chǎn)品等。

②產(chǎn)品融合：電子信息技術(shù)或產(chǎn)品滲透到產(chǎn)品中，增加產(chǎn)品的技術(shù)含量，如將傳感器加入到泵、電機(jī)、大型設(shè)備等，均可以提高產(chǎn)品自診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)等功能。

③業(yè)務(wù)融合：信息技術(shù)應(yīng)用到企業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、經(jīng)營管理、市場營銷等各個(gè)環(huán)節(jié)，推動企業(yè)業(yè)務(wù)創(chuàng)新和管理升級。如企業(yè)柔性化生產(chǎn)、企業(yè)經(jīng)營管理信息化改造。

④產(chǎn)業(yè)衍生：兩化融合催生出的新產(chǎn)業(yè)，形成一些新興業(yè)態(tài)，如工業(yè)電子、工業(yè)軟件、工業(yè)信息服務(wù)業(yè)。圍繞了用戶新的市場需求，工程公司和工業(yè)相關(guān)軟件商的服務(wù)范圍將擴(kuò)大，同時(shí)工作內(nèi)容也進(jìn)一步深入與細(xì)化滿足業(yè)主要求。

05

流程行業(yè)的落地思考

對于廣大流程制造業(yè)企業(yè)，如何開展“智能工廠”的應(yīng)用點(diǎn)或者切入角度，個(gè)人認(rèn)為應(yīng)著眼于三個(gè)國家政策文件：《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》、《智能制造工程實(shí)施指南（2016-2020年）》和《智能制造試點(diǎn)示范項(xiàng)目要素條件》。根據(jù)其中要求，圍繞智能制造模式，應(yīng)用新技術(shù)創(chuàng)新，開展智能制造工作。主要分為以下7個(gè)方面：

1）工廠總體設(shè)計(jì)、工藝流程及布局均已建立數(shù)字化模型，并進(jìn)行模擬仿真，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)可視化和生產(chǎn)工藝優(yōu)化。

2）實(shí)現(xiàn)對物流、能流、物性、資產(chǎn)的全流程監(jiān)控，建立數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)，生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)自動數(shù)采率達(dá)到90%以上。

3）采用先進(jìn)控制系統(tǒng)，工廠自控投用率達(dá)到90%以上，關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)基于模型的先進(jìn)控制和在線優(yōu)化。

4）建立生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES），生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度均建立模型，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)模型化分析決策、過程量化管理、成本和質(zhì)量動態(tài)跟蹤以及從原材料到產(chǎn)成品的一體化協(xié)同優(yōu)化。建立企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP），實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營、管理和決策的智能優(yōu)化。

5）對于存在較高安全與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)有毒有害物質(zhì)排放和危險(xiǎn)源的自動檢測與監(jiān)控、安全生產(chǎn)的全方位監(jiān)控，建立在線應(yīng)急指揮聯(lián)動系統(tǒng)。

6）建立工廠通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工藝、生產(chǎn)、檢驗(yàn)、物流等制造過程各環(huán)節(jié)之間，以及制造過程與數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）之間的信息互聯(lián)互通。

7）建有工業(yè)信息安全管理制度和技術(shù)防護(hù)體系，具備網(wǎng)絡(luò)防護(hù)、應(yīng)急響應(yīng)等信息安全保障能力。建有功能安全保護(hù)系統(tǒng)，采用全生命周期方法有效避免系統(tǒng)失效。

只有在流程工廠中，我們通過持續(xù)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程動態(tài)優(yōu)化，制造和管理信息的全程可視化，企業(yè)在資源配置、工藝優(yōu)化、過程控制、產(chǎn)業(yè)鏈管理、節(jié)能減排及安全生產(chǎn)等方面的智能化水平才能逐步漸進(jìn)地得到顯著提升。

06

流程行業(yè)的實(shí)施措施

對比了美國“先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃”、德國“工業(yè)4.0”，我國的“中國制造2025”在流程行業(yè)的實(shí)施措施（如何進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)流程行業(yè)的智能化工廠）。

6.1 實(shí)現(xiàn)虛擬建造、數(shù)字化交付形成數(shù)字化工廠

數(shù)字化交付的概念：基于數(shù)字化工廠設(shè)計(jì)系統(tǒng)開展工程項(xiàng)目實(shí)施，設(shè)計(jì)過程中二維和三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)已實(shí)現(xiàn)基于位號的結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)集成及多專業(yè)協(xié)同，同時(shí)采用與數(shù)字化工廠設(shè)計(jì)系統(tǒng)配套的文檔系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于位號的非結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)文檔、供應(yīng)商文檔關(guān)聯(lián)，在交付時(shí)向業(yè)主整體移交設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫。最終按照業(yè)主要求，將數(shù)據(jù)庫與平臺一起移交。典型的國外解決方案廠商有AVEVA、INTERGRAPH、BENTLEY，國產(chǎn)廠商有中科輔龍、北京博超等軟件廠商。

AVEVA數(shù)字化工程信息管理

一方面，提交給業(yè)主的全部文檔和數(shù)據(jù)資料在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫平臺，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，可以有效快速檢索信息；另一方面，三維虛擬工廠的建成移交給業(yè)主，有利于后續(xù)運(yùn)維階段的深化應(yīng)用（如技改方案分析、設(shè)備檢修管理、逃生方案模擬、巡檢人員監(jiān)控、視頻火災(zāi)監(jiān)控平臺等）

工程公司和業(yè)主應(yīng)對措施

對于業(yè)主來說，不管是新建工廠直接上馬數(shù)字化交付，還是既有工廠實(shí)現(xiàn)逆向建模數(shù)據(jù)整理，都是很好的二三維數(shù)據(jù)圖檔一體化整體解決方案，有利于用戶高效快速得到全生命周期的數(shù)據(jù)，保持良好的延續(xù)性，用于后期工廠的運(yùn)維管理。

6.2 流程工廠信息系統(tǒng)的強(qiáng)化和完善

在目前大多數(shù)流程工廠架構(gòu)中，BPCS和SIS等主要控制系統(tǒng)上馬較多，但是需要后期技改中設(shè)計(jì)、增加及補(bǔ)齊需要的其他類信息管理系統(tǒng)，以利于獲取更多工廠運(yùn)維過程中數(shù)據(jù)，以支撐更多工廠各孤立數(shù)據(jù)或功能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合和打通。

來自EMERSON智能工廠架構(gòu)

對于工廠信息系統(tǒng)應(yīng)從兩個(gè)方面開展集成：①橫向數(shù)據(jù)集成。擴(kuò)展所有業(yè)務(wù)單元信息化，形成企業(yè)各項(xiàng)業(yè)務(wù)在線化，提高業(yè)務(wù)運(yùn)作效率。②縱向數(shù)據(jù)集成。將底層各數(shù)據(jù)單元最大化快速地發(fā)布到各管理系統(tǒng)，便于商業(yè)決策及生產(chǎn)運(yùn)營。

尤其是在現(xiàn)有DCS、PLC、FCS等生產(chǎn)控制系統(tǒng)之外，進(jìn)一步完善擴(kuò)充管理信息系統(tǒng)MIS、先進(jìn)過程控制APC、企業(yè)資源計(jì)劃ERP、供應(yīng)鏈管理SCM、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES、操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)OTS等各種功能管理信息系統(tǒng)，為商業(yè)智能、決策自動化執(zhí)行做出良好基礎(chǔ)。

6.3 OT與IT技術(shù)融合，全面轉(zhuǎn)向工業(yè)IIot和CPS

流程制造行業(yè)目前主體運(yùn)用了運(yùn)營技術(shù)OT（Operational Technology），包括了企業(yè)的各類終端、流程和事件進(jìn)行監(jiān)控或控制的軟硬件技術(shù)，主要包括數(shù)據(jù)采集和自動控制技術(shù)。對于工控行業(yè)來說，更多的是控制系統(tǒng)（DCS、PLC、SCADA、SIS、OPC、FCS等）及測控儀表（溫度壓力流量液位分析等傳感器及控制閥）等。

基于云計(jì)算的虛擬工廠技術(shù)體系

現(xiàn)在信息技術(shù)與自動化技術(shù)融合，支撐智能制造。通過實(shí)現(xiàn)IT網(wǎng)絡(luò)與工控網(wǎng)絡(luò)集成，可以對工業(yè)機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行反饋和控制，展示了實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)可視化、柔性生產(chǎn)、確保生產(chǎn)線接近于零宕機(jī)和能源高效利用等智能制造的應(yīng)用場景。企業(yè)可以經(jīng)濟(jì)、柔性地組織生產(chǎn)，增強(qiáng)決策與控制水平，達(dá)到生產(chǎn)質(zhì)量的最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最大化。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的出推動了IT與OT的融合。由于越來越多的物連接在一起，信息物理系統(tǒng)（CPS）將成為現(xiàn)實(shí)，制造型企業(yè)與為其提供服務(wù)的供應(yīng)商，將不得不進(jìn)行創(chuàng)新，并以前所未有的速度部署這些新的融合技術(shù)。

對于業(yè)主和工程公司，更多地就是需要對老廠進(jìn)行存量改造，增加大量傳感器，提高自動化水平，而在新廠中增加自動化控制，增加數(shù)據(jù)采集傳感器。工廠自動化與信息技術(shù)的整合，諸如分散型控制系統(tǒng)（Shop Floor Control；DCS）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System；MES）、監(jiān)視與整合控制（SCADA）等工廠信息系統(tǒng)，即需要與上位IT系統(tǒng)進(jìn)行整合SCADA，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在工廠層級能夠互聯(lián)互通，便于管理。

6.4 工廠IT架構(gòu)全面“云化”

在流程工廠中，大量資源存在于分散的孤立系統(tǒng)，如儀控部門的DCS系統(tǒng)、電氣部門的后臺綜保系統(tǒng)、電信部門的數(shù)據(jù)中心以及工廠管理及辦公系統(tǒng)等，而在云計(jì)算平臺中，所有資源被虛擬化、服務(wù)化，這些資源被聚集到一個(gè)虛擬資源池中，再根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的需要進(jìn)行資源分配和組合，以實(shí)現(xiàn)資源的扁平化管理。特別是單機(jī)需要調(diào)用大量資源進(jìn)行運(yùn)算處理時(shí)，可以迅速提升運(yùn)算能力和效率，同時(shí)具有更好的擴(kuò)展性和開放性。

作為一種新的服務(wù)化計(jì)算模式，云計(jì)算通過搭建的存儲和計(jì)算服務(wù)中心，把資源統(tǒng)一管理并“云化”，集中存儲，統(tǒng)一調(diào)度，可以為用戶高效地提供服務(wù)。對于流程工廠的業(yè)主建立私有云，不僅可以做到統(tǒng)一IT資源調(diào)度，避免投資浪費(fèi)，而且為提升企業(yè)運(yùn)營效率都可以起到非常重要的作用。

6.5 加強(qiáng)工控網(wǎng)絡(luò)信息安全防護(hù)

伴隨著智能化工廠相關(guān)技術(shù)對制造業(yè)企業(yè)的融合和推進(jìn)，信息安全將深入各個(gè)領(lǐng)域。影響程度不是根據(jù)企業(yè)的信息化相關(guān)度，而是與核心數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)度。由于工業(yè)安全在工業(yè)生產(chǎn)中自然是最基本的前提條件，但信息安全卻是由于生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)化、信息化、高集成自動化后形成的新問題。隨著信息化的深入，企業(yè)或多或少會遇到信息安全的問題，而隨著數(shù)據(jù)價(jià)值的不斷提升，這種影響對于企業(yè)來說也會越來越明顯。

來自互聯(lián)網(wǎng)的攻擊

因此，保護(hù)企業(yè)的核心數(shù)據(jù)安全是未來所有企業(yè)的大方向，而面對不同企業(yè)不同的防護(hù)需求，也有不同的考慮：①采用靈活企業(yè)具有針對性的加密軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)本源的防護(hù)；②增加專門的網(wǎng)絡(luò)防火墻用于數(shù)據(jù)監(jiān)控和審計(jì)；③建立有效的工控信息安全管理制度，增加企業(yè)數(shù)據(jù)安全管理意識和能力等多個(gè)方面。

加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)信息安全防護(hù)

07

結(jié)語

中國制造2025的路還很漫長，到建國一百周年的時(shí)候，國家按照“三步走”才能實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)。而作為制造業(yè)中的流程行業(yè)，也是重要的工業(yè)基礎(chǔ)。各方面為流程行業(yè)制造企業(yè)服務(wù)的過程中，有不同的思考和探索途徑。只要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、互聯(lián)互通，在大數(shù)據(jù)平臺的基礎(chǔ)上，就可以完善走出企業(yè)自身發(fā)展特色的“智能化工廠”之路。