流程工业数字化转型愿景与顶层设计

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2019-06-05 来源: IT常青树

 导读:流程工业主要包括石油、化工、钢铁、有色、建材等基础原材料行业,是国民经济的支柱和基础产业,也是世界制造大国经济持续增长的重要支撑力量。经过数十年的发展,中国流程工业的生产工艺、装备及自动化水平都得到了大幅度提升,目前中国已成为世界上门类最齐全、规模最庞大的制造大国,且部分工业装置的装备水平与发达国家的装备相当,甚至更先进。

 

当今时代,信息化与工业化呈现加速融合趋势,一些发达国家和发展中国家目前在加快智能制造战略规划和布局。在这一大背景下,为实现“新工业革命”时代下制造业模式创新与企业变革,中国提出了《中国制造2025》战略,并提出了“创新、协调、绿色、开放和共享发展”理念。去年年底召开的中央经济工作会议,和今年3月份克强总理做的《政府工作报告》相继提出完善新型数据基础设施,深化大数据、人工智能等研发应用,加快各行业、各领域推进“互联网+”,以及打造工业互联网平台,拓展“智能+”,为制造业转型升级赋能。

 

 

数字技术将全面渗透到各个行业,并实现跨界融合和倍增创新。近十年来消费互联网的发展相对更快,但伴随着用户红利的瓶颈,现在正面临着转折。未来的主要增长点将向产业互联网转化,我国制造、交通、政务、医疗、金融等很多传统领域急需借助新一代数字技术的深度应用,打通消费端与供给端的有效连接,推动供应链更新迭代。

 

近几十年来中国流程工业虽然有了长足发展和进步,但总体生产制造效能与国际先进水平相比还有一定差距,资源、能源和环境约束下的创新水平亟待提升,主要表现在:①产品结构性过剩依然严重;②管理和营销等决策缺乏知识型工作自动化;③资源与能源利用率不高;④高端制造(装备、工艺、产品)水平亟待提高;⑤安全环保压力大。从总体来看,当前中国流程工业体量庞大,资源、能源消耗巨大,是制造业供给侧结构性改革的先行领域和绿色发展的主战场。

 

本文围绕流程工业数字化转型升级的重大需求,剖析了当前流程工业在经营决策层面、生产运行层面、能效安环层面和信息集成层面存在的核心工程问题,从生产、管理以及营销全过程优化出发,推进以高效化、绿色化和智能化制造为目标的流程工业数字化转型愿景目标。并且,结合顶层设计原则,本文最后探讨了企业进行数字化转型为何要从顶层设计开始。

 

 

 ▌流程工业数字化转型的愿景

围绕制造过程从装备智能化到制造流程、操作模式、供应链管理等自适应智能优化,以需求驱动、应用导向为主,企业数字化转型的核心工程问题包括:

①生产与经营全过程信息智能感知与集成;

②知识驱动的生产过程计划调度与管理决策;

③人机物自然交互的生产过程全流程协同控制与优化;

④全生命周期安全环境足迹监控与风险溯源分析及控制。

 

流程工业是由多个重大装备组成的生产过程, 其运行过程的动态机理复杂, 难以建模, 难以数字化。由于原料来源多样、成分复杂、生产条件多变, 因此工况波动频繁, 难以实现生产工艺的优化和生产全流程的优化控制。因此, 我国流程工业不能采用以“工业4.0”为代表的离散工业智能制造模式, 必须自主创新适合我国流程工业的实现高效化和绿色化的智能制造模式, 流程工业智能制造模式是智能优化制造, 即流程工业智能优化制造。智能优化制造的涵义是以企业全局及生产经营全过程的高效化与绿色化为目标, 以生产工艺智能优化和生产全流程整体智能优化为特征的制造模式。

 

 

流程工业中的以高效化、绿色化和智能化为主题的智能优化制造,就是要在工程技术层面实现“四化”,即:

• 数字化,结合过程机理,采用大数据技术建立流程工业企业的数字化工厂,实现虚拟制造;

• 智能化,充分利用机制和专家知识,采用基于知识型工作自动化技术来实现企业的智能生产和智慧决策;

• 网络化,依托物联网和(移动)互联网技术,发展基于CPS的智能装备,实现分布式网络化制造;

• 自动化,采用现代控制技术,实现自动感知信息,主动响应需求变化,进行自主控制。

 

同时,在企业生产制造运行层面,数字化转型也要实现“四化”,即:

• 敏捷化,对市场变化做出快速反应,实现资源动态配置和企业的柔性生产;

• 高效化,实现企业生产、管理和营销的全过程优化运行,实时动态优化生产模式;

• 绿色化,对工业生产的环境足迹和危险化学品(简称危化品)能实现全生命周期的监控,实现能源的综合利用和污染物的近零排放;

• 安全化,保证生产流程的本质安全和企业信息安全,并通过故障诊断和自愈控制技术实现生产制造过程的安全运行。

 

近年来,中国流程工业在工艺装备、运行技术与管理决策方面都取得了长足的进步,但在全流程和全生命周期的数据感知、多系统协同优化控制、供应链敏捷管理、安全环保监控与溯源诊断等方面还存在很多亟待解决的难题。鉴于此,在互联网+时代,针对流程工业智能优化制造的数字化转型愿景目标如下图所示:

 

在已有的物理制造系统基础上,充分融合人的知识,应用大数据、云计算、(移动)网络通信和人机交互的知识型工作自动化以及虚拟制造等现代信息技术,从生产、管理以及营销全过程优化出发,推进以高效化、绿色化和智能化为目标的流程工业智能优化制造,不仅要实现制造过程的装备智能化,而且也要实现制造流程、操作方式、管理模式的自适应智能优化,使得企业经济效益和社会效益最大化。

 

通过信息化和工业化深度融合实现流程工业智能优化制造仍存在着一些亟需解决的重大基础理论与工程科技问题,如经营决策、资源与能源的结构配置、生产计划调度与优化控制系统指令仍然依赖人工经验,远远没有实现生产全过程整体运行行为的优化,生产工艺研究和新产品的开发还停留于生产试验和实验小试,远远没有实现虚拟制造。流程工业智能优化制造需要进一步深度融合物理装置、信息和社会,旨在进一步提升员工素质、保障安全环保和形成良好的社会效益。

 

 

▌企业推进数字化转型要从顶层设计开始

从众多项目之间经验中我们看到,经验之一是一定要注重顶层设计。从顶层设计开始,到底层实施为止。智能制造既要有顶层设计,有战略性的指导,也要有战术性的安排,最终形成一条线,才能保证未来不会走偏,也才能真正落地。必须在顶层设计的基础上,结合到具体的工具、方法,用一定素质的人,把这些执行层面的东西串起来。

 

顶层设计要短期与长期经济性相结合。既然要从顶层设计开始,就必然涉及到近期性和长期性,这就是智能制造的经济性问题,对于企业非常现实。企业是算短期的经济性,还是5 年或10 年后的?顶层设计要考虑清楚。比如生产设备,如果今天用的不是数字化的设备,没有数字化的接口,短期来看,可能经济性会好一点,但长期来看,经济性并不会好。因为没有数字化的设备,未来的智能化就跟你的企业没关系了,这就是长期经济性不够。顶层设计不仅对于新建智能工厂非常重要,对于老厂的智能化改造,虽然面临的主要问题不是顶层设计,而是底层改善,但依然需要以顶层设计作指导,只有这样,才能达到局部最优。如果企业高层没有充分的认知,智能制造很难持续,因为企业要讲利润,讲投入产出比。在这个问题上只讲情怀是不够的,必须考虑近期经济性及长远经济性。

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