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導讀：2023年10月28日，由中國自動化學會主辦的2023國家工業(yè)軟件大會在浙江湖州盛大開幕。大會以“工業(yè)軟件·智造未來”為主題，匯聚了25位國內(nèi)外院士，1500余位代表，共同探討工業(yè)軟件領域前沿理論和技術(shù)創(chuàng)新應用問題，共同謀劃我國工業(yè)軟件未來發(fā)展之道。
和利時科技集團有限公司中央研究院副院長黃勁松受邀在2023國家工業(yè)軟件大會中作題為“和利時HiaPlant智能化平臺賦能流程行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型”的專題報告。報告介紹了和利時作為全球智能化系統(tǒng)解決方案主力供應商，30年來不斷突破壁壘，創(chuàng)新發(fā)展，完成了國內(nèi)多個首臺套。最新OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)，通過兩大核心技術(shù)，軟件定義I/O技術(shù)和工業(yè)光總線技術(shù)，打造新一代過程控制系統(tǒng)，并且在石油天然氣、石油化工、煤化工、精細化工、制藥、多晶硅等行業(yè)擁有數(shù)百個應用案例。和利時數(shù)智化轉(zhuǎn)型解決方案覆蓋現(xiàn)場傳感及執(zhí)行層、過程操作及控制層、生產(chǎn)管理及運營層，基于HiaPlant平臺的一體化解決方案，以數(shù)字化轉(zhuǎn)型為核心，持續(xù)更新迭代，推出一批先進易用的工業(yè)軟件產(chǎn)品及方案，廣泛應用于電力、化工、煉化、石油天然氣、冶金、建材、造紙、食藥、新能源等行業(yè)，賦能企業(yè)信息化轉(zhuǎn)型，幫助企業(yè)降本增效，提升企業(yè)核心競爭力。
和利時HiaPlant智能化平臺賦能流程行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型
和利時集團創(chuàng)建于1993年，目前，集團專注于多個核心領域，包括工業(yè)智能化（流程制造業(yè)及離散制造業(yè)）、交通智能化（高鐵、城鐵及地鐵）以及食藥智能化三大板塊。在流程制造業(yè)領域，集團積極參與多個超大型煉化項目的建設，為中國石化天津南港120萬噸/年乙烯及下游高端新材料產(chǎn)業(yè)集群項目提供先進的控制系統(tǒng)及工業(yè)軟件。此外，在離散制造業(yè)方面，提供高效的可編程邏輯控制（PLC）系統(tǒng)。在交通智能化領域，和利時集團致力于高鐵和城鐵的發(fā)展。在食藥智能化領域，和利時的食藥數(shù)字化工廠解決方案幫助食藥客戶實現(xiàn)了從生產(chǎn)、檢驗、到包裝等全過程的智能控制，并使傳統(tǒng)中藥房的抓藥過程更加智能化。在國家高端制造業(yè)中，核電和高鐵被視為兩個重要代表領域，而和利時集團的控制系統(tǒng)在核電領域市場和高鐵的車載控制系統(tǒng)市場占有率均超過50％。
一、智能管控一體化整體框架
和利時集團在控制系統(tǒng)領域擁有先驅(qū)地位，自1993年成立以來，率先在國內(nèi)推出了多個關鍵控制系統(tǒng)，包括國內(nèi)首套DCS系統(tǒng)、符合SIL3安全完整性等級的SIS系統(tǒng)、大型PLC系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)以及OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)，打破了國外壟斷，實現(xiàn)了國內(nèi)控制系統(tǒng)的自主可控和安全可信。
為適應整個行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求，和利時集團提供了全面的解決方案，涵蓋從現(xiàn)場儀表的傳感及執(zhí)行、操作、控制以及生產(chǎn)管理的各個層面，提供的產(chǎn)品包括DCS、SIS、PLC、SCADA、OCS等多種控制系統(tǒng)。在工業(yè)軟件方面，特別是MES生產(chǎn)管理軟件和操作及控制優(yōu)化軟件，我們能夠提供全套解決方案。豐富的產(chǎn)品譜系構(gòu)建了和利時HiaPlant智能化平臺。HiaPlant平臺包含軟件框架和一套標準，我們通過“平臺+應用”的方式為每個用戶快速構(gòu)建個性化的產(chǎn)品和解決方案。我們的解決方案覆蓋從現(xiàn)場儀表到控制系統(tǒng)再到工業(yè)軟件三個層面，主要聚焦于生產(chǎn)控制、操作和管理相關的各類解決方案。
和利時集團在行業(yè)用戶數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中，針對用戶面臨的主要挑戰(zhàn)，推出了OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)，如圖1所示。該產(chǎn)品有兩大特點：首先，采用軟件定義I/O技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字布線，避免了傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)中因I/O卡件專用化而帶來的施工成本和低效率問題；其次，利用工業(yè)光總線技術(shù)實現(xiàn)一光通達，即從現(xiàn)場到機柜間全程光纖傳輸，在成本優(yōu)勢下提供了高帶寬、傳輸效率更優(yōu)且抗干擾性強的解決方案。OCS的推出旨在幫助用戶降低獲取和傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)的成本，同時降低工程設計的復雜性。
圖1 OCS工業(yè)光總線控制系統(tǒng)
引入OCS后，DCS系統(tǒng)發(fā)生了一些變革，如圖2所示。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，傳統(tǒng)DCS在機柜間的大量機柜已經(jīng)不復存在，傳統(tǒng)的信號傳輸過程中采用的電通訊方式完全轉(zhuǎn)變成了光通訊方式。生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)在現(xiàn)場直接經(jīng)過iDTU轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過工業(yè)光總線傳輸給控制系統(tǒng)或上層軟件。這種結(jié)構(gòu)變化為用戶帶來了工程設計復雜度的大幅降低和儀控系統(tǒng)成本的下降。OCS產(chǎn)品的控制器底板下直接連接著光口，來自于現(xiàn)場iDTU的光纖可以直接插入，這即所謂的“一光通達”。相較于過去從現(xiàn)場儀表到控制器之間存在現(xiàn)場接線箱和中間機柜等多個環(huán)節(jié)，這種簡化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)傳輸。
圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
在OCS中，將iDTU智能數(shù)據(jù)傳輸單元安裝于現(xiàn)場，因此面臨著對于工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的適應性挑戰(zhàn)。首要考慮的是工作溫度的范圍，我們的設計范圍涵蓋從零下40度到正70度，同時還需要考慮在腐蝕性氣體和可燃氣體環(huán)境下如何正常工作，并確保通過防爆認證。此外，濕度、結(jié)露以及抗震等因素也需要特殊關注，以確保OCS在惡劣環(huán)境下能夠穩(wěn)定可靠地運行。
實際項目實踐中，用戶也在進行成本分析。通常情況下，采用OCS與光纖相比于傳統(tǒng)的DCS與電纜，儀控系統(tǒng)投資成本至少能節(jié)省30％，機柜間面積則減少了90％。原先需要大量機柜的項目現(xiàn)在只需要很少數(shù)量的機柜（控制器柜和電源柜）。而項目周期至少縮短了50％。截止目前，我們已經(jīng)成功實施了超過500個項目，涵蓋了中石油、中石化和中海油等“三大油”企業(yè)，以及地方性大型流程行業(yè)企業(yè)。
在獲取數(shù)據(jù)后，重要的是如何有效地利用數(shù)據(jù)，包括提升控制系統(tǒng)的平穩(wěn)性和操作的有效性。雖然涉及到多種技術(shù)手段如PID自整定、控制器性能診斷、報警管理和MPA等，但以往每種手段都是獨立的軟件系統(tǒng)。為此，我們推出了HiaPlant智能化平臺，提供統(tǒng)一的軟件架構(gòu)、圖形組態(tài)工具以及算法和邏輯組態(tài)工具，如圖3所示。這樣一來，用戶在集成多種應用時，系統(tǒng)呈現(xiàn)給用戶的將是一個完整的系統(tǒng)，具備統(tǒng)一的界面風格和操作維護模式。在此平臺上，我們提供基于分布式的基礎服務，包括數(shù)據(jù)和通信服務。此外，該平臺支持不僅符合IC6131-3標準的算法，也支持一些高級語言如C語言的算法，用戶可以將其工業(yè)知識和算法輕松融入到系統(tǒng)中。
圖3 智能控制平臺核心特點
在項目實踐中，我們專注于為操作人員提供一種與傳統(tǒng)界面不同的操作界面。除了顯示當前和歷史數(shù)據(jù)外，新型操作界面還提供診斷性數(shù)據(jù)。因此，現(xiàn)代操作界面被視為一種操作態(tài)勢的感知界面，不僅展示當前和過去的狀態(tài)，還具備預見未來可能發(fā)生情況的能力，如圖4所示。在提高操作效率方面，報警管理被認為是一項極為有效的方法。通過合理設置報警條件，確保只有在現(xiàn)場出現(xiàn)問題時才會觸發(fā)報警，而在正常情況下不會產(chǎn)生虛假報警。這種方法有助于評估整個系統(tǒng)操作人員的工作水平。
圖4 生產(chǎn)駕駛艙
企業(yè)中大多數(shù)回路采用PID控制。盡管企業(yè)聲稱自身具備良好的自控率，但并非所有的自控系統(tǒng)都能達到最優(yōu)的控制品質(zhì)。觀察PID的響應曲線可發(fā)現(xiàn)，有些表現(xiàn)出色，但也存在波動大、滯后嚴重的情況。因此，我們提供PID回路診斷服務，在線評估PID回路的品質(zhì)。若回路正常，則無需干預；若存在問題，我們將提供PID自整定軟件，協(xié)助調(diào)整最佳的PID參數(shù)。對于那些強滯后、多耦合的系統(tǒng)無法采用PID方式控制的情況，推薦多變量預估控制方案。該方案能有效實現(xiàn)過程控制的穩(wěn)定性，提升操作的高效性，有助于進一步提高企業(yè)的效率。
為提升操作人員的操作效率，另一個極佳方法是采用OTS（Operator Training System），即操作員在線仿真系統(tǒng)，如圖5所示。其核心在于利用一個動態(tài)的工廠仿真模型，因為很多事故情況無法在真實工廠進行實操。OTS系統(tǒng)允許訓練操作人員應對各種工況及事故環(huán)境下的操作方式。此外，由于該系統(tǒng)具備實時仿真模型，因此可以用于驗證控制算法和裝置改造策略。
圖5 和利時智慧管理平臺
HiaPlant 平臺旨在提供基礎的數(shù)據(jù)服務以及算法編排工具，同時希望將行業(yè)專業(yè)知識與軟件平臺區(qū)分開來。對于專家來說，專注于工藝流程和行業(yè)知識，借助平臺，能夠優(yōu)秀地將行業(yè)專業(yè)知識與控制及自動化系統(tǒng)完美融合。
在這種架構(gòu)下，計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡資源會被分配給各自的用途。這意味著工程師和專家只需專注于工藝過程和算法。數(shù)據(jù)通訊過程采用數(shù)據(jù)模型化方法，而不是傳統(tǒng)的單一數(shù)據(jù)傳輸。例如，一個現(xiàn)場變速器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)模型包含其過程變量和診斷信息。此外，我們提供低代碼或零代碼的開發(fā)方式，使算法工程師能夠?qū)⒐I(yè)知識融入到平臺中。
對于企業(yè)的領導者和管理者來說，首要任務可能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。在可視化的背后，數(shù)據(jù)不僅來自一些原始數(shù)據(jù)，還可能涉及到軟測量，即一些數(shù)據(jù)源自算法。有些數(shù)據(jù)是無法直接通過常規(guī)手段測量獲得的，但對于管理者而言，這些數(shù)據(jù)可能是關鍵的KPI指標之一。通過這種方式，管理者可以更好地了解企業(yè)的運行情況，無論身處工廠的何處，都能隨時獲取相關信息，如圖6所示。
圖6 智慧大屏
從生產(chǎn)計劃、調(diào)度、操作及控制，貫穿整個生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)記錄、成本核算，以及績效評估和回溯，構(gòu)成了生產(chǎn)管理的自動化和智能化。在生產(chǎn)工藝管理中，操作必須符合規(guī)范要求。此外，日常操作人員的巡檢、交接班、事故處理等操作管理也至關重要。為提高生產(chǎn)過程中的平穩(wěn)性和開停工的效率，過去可能采用紙質(zhì)或人工操作方式，而現(xiàn)在則更傾向于通過系統(tǒng)化的方式管理這些過程。
供應鏈管理涵蓋了從原料到生產(chǎn)再到最終產(chǎn)品的全過程，還包括質(zhì)量控制，需要在線獲取化驗室數(shù)據(jù)，因為很多操作的調(diào)整是基于質(zhì)量指標進行的，如圖7所示。
圖7 生產(chǎn)協(xié)同管理-物料管理
在能源管理方面，許多用戶可能面臨一些挑戰(zhàn)，尤其是工業(yè)領域。很多情況下，現(xiàn)場的儀表設備可能相對陳舊落后。在進行能源管理時，發(fā)現(xiàn)需要大量投資來改造現(xiàn)有的儀表系統(tǒng)。最初階段，能夠?qū)崿F(xiàn)能源可視化，即通過查看現(xiàn)場的能耗數(shù)據(jù)，進行橫向和縱向的比較。通過比較分析，找出存在的缺點和需要改善的地方。然而，真正的能源優(yōu)化需要建立在能源可視化基礎之上。所謂的能源優(yōu)化是在保證整個生產(chǎn)運行的同時，盡可能降低能耗，比如水和蒸汽的消耗。特別是蒸汽的使用具有一定特殊性，因為蒸汽一旦產(chǎn)生就無法儲存，只能排放出去。許多生產(chǎn)裝置不僅使用蒸汽，同時也是蒸汽的生產(chǎn)者。通過優(yōu)化能源網(wǎng)絡，調(diào)度整個能源的使用，實現(xiàn)在保持生產(chǎn)進行的同時，達到最低能耗的目標。
在設備管理方面，許多生產(chǎn)事故通常源于設備問題。傳統(tǒng)的設備維護方式通常是被動的和周期性的。相比較于操作工在中控室進行的主要操作，現(xiàn)場巡檢的輔助操作也可以實現(xiàn)智能化和自動化。通過巡檢設備，收集的數(shù)據(jù)可以匯總到系統(tǒng)中，這使得包括紙質(zhì)數(shù)據(jù)和碎片化數(shù)據(jù)在內(nèi)的信息都能夠被系統(tǒng)分析和利用。
當涉及到可視化方面，人們對于信息展示的要求可能不僅僅局限于二維的形式，也期望能夠得到更直觀的三維展示。在數(shù)字化交付方面，我們提供工廠裝置模型，這些模型與實時數(shù)據(jù)動態(tài)連接，為用戶提供了一個出色的現(xiàn)場界面，如圖8所示。這種結(jié)合將實際視頻信號和繪制的流程圖有機地融合在一起，主要目的是為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的界面體驗。
圖8 三維可視化
對于數(shù)據(jù)訪問，不僅可以在中控室獲取，而且在整個工廠范圍內(nèi)、甚至是任何地方只要有互聯(lián)網(wǎng)連接，只要與外界有聯(lián)系，就可以獲取數(shù)據(jù)。這滿足了用戶的需求，即使在任何時間和地點，都能獲取相關的數(shù)據(jù)。
當著手建設智能化工廠時，安全問題成為了我們極為關注的一個方面。在過去，工廠安全主要關注本質(zhì)安全，確保現(xiàn)場儀表防爆，采用SIS系統(tǒng)滿足功能安全的要求，還要關注人員安全。然而，如今信息安全和供應鏈安全也開始受到重視，這是我們以前可能沒有如此關注的領域。隨著系統(tǒng)的日益開放，人們對信息安全的關注逐漸提高。為了確保供應鏈安全，我們在DCS系統(tǒng)方面已經(jīng)實現(xiàn)了100%的國產(chǎn)化，現(xiàn)在電力行業(yè)、石油天然氣行業(yè)，以及其他一些特殊行業(yè)，如船用蒸汽輪機控制系統(tǒng)、船用燃機控制系統(tǒng)，都采用了完全自主可控的系統(tǒng)，以確保企業(yè)運營的供應鏈安全。此外，在安全可信方面，我們還提供基于內(nèi)生安全的解決方案，包括DCS和PLC。傳統(tǒng)的信息安全是一種外掛式、被動式的防御，而現(xiàn)在具備了主動防御的能力。
二、智能工廠案例介紹
利時集團的典型客戶群涵蓋了煉化行業(yè)的中石油、中石化，化工行業(yè)的中化集團、東岳集團，電力行業(yè)的國家能源集團、國家電投等，以及食品醫(yī)藥行業(yè)和冶金建材行業(yè)，如圖9所示。和利時將持續(xù)致力于為客戶提供智能工廠的整體解決方案，為行業(yè)用戶的數(shù)字化轉(zhuǎn)型貢獻自己的力量。
圖9 和利時智能工廠典型用戶
*本文根據(jù)作者在2023國家工業(yè)軟件大會上所作報告速記整理而成
