工業(yè)軟件驅(qū)動(dòng)過程優(yōu)化

艾默生系統(tǒng)及方案工業(yè)軟件及數(shù)字化——黃雪鋒

1 工業(yè)過程優(yōu)化的背景

現(xiàn)代的工廠，無論工藝技術(shù)如何先進(jìn)，但畢竟是預(yù)先設(shè)計(jì)好的方案，在工廠生產(chǎn)運(yùn)行過程中，針對不斷變化的原料供給、產(chǎn)品需求、裝置檢維修、狀態(tài)異常等，很難使得生產(chǎn)裝置處于最優(yōu)地經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)；復(fù)雜的化工生產(chǎn)工藝特性也決定了其生產(chǎn)過程的非線性化，例如原料消耗、產(chǎn)品產(chǎn)量和能源消耗等。 如何優(yōu)化生產(chǎn)過程、提高生產(chǎn)效率、降低原料消耗、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量以及減少能源消耗成為目前企業(yè)迫切要去解決的問題。

生產(chǎn)優(yōu)化作為工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型4個(gè)方向維度之一，一直是智能工廠永恒追求的重要目標(biāo)之一，在工廠全生命周期服務(wù)規(guī)劃中，更是把生產(chǎn)運(yùn)營優(yōu)化方案放在了最重要的位置。

2 工業(yè)過程優(yōu)化的層級概念和特點(diǎn)

工業(yè)過程行業(yè)的優(yōu)化體系包括計(jì)劃、調(diào)度、操作和控制4個(gè)層級，在不同的層級需要不同的優(yōu)化技術(shù)，層級不同所設(shè)計(jì)的優(yōu)化的目標(biāo)數(shù)量、優(yōu)化變量的復(fù)雜程度也不一樣，不同層級采用的優(yōu)化技術(shù)也不一樣。在計(jì)劃調(diào)度層，涉及的管理流程多，變量數(shù)據(jù)龐大，因此其優(yōu)化利用機(jī)理模型結(jié)合線性規(guī)劃法進(jìn)行優(yōu)化，例如生產(chǎn)執(zhí)行流程的優(yōu)化、原料入廠入庫流程的優(yōu)化等。操作層的優(yōu)化可以采取流程機(jī)理模型結(jié)合大數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化，例如操作規(guī)程自動(dòng)化、高級操作畫面、報(bào)警優(yōu)化等；控制層的優(yōu)化，由于要求速度快，多采用簡單機(jī)理模型或數(shù)據(jù)模型或建立預(yù)測模型進(jìn)行優(yōu)化，例如回路自學(xué)習(xí)整定優(yōu)化、多變預(yù)估控制、軟測量等。

3. 工業(yè)軟件是過程優(yōu)化的基礎(chǔ)

 優(yōu)化雖然有不同的層級，不同的層級所采用的技術(shù)也不一樣，但是優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)都需要一個(gè)共同的基礎(chǔ)即集成工業(yè)行業(yè)知識(shí)的工業(yè)軟件。工業(yè)軟件是數(shù)字化的靈魂，工業(yè)4.0俗稱“軟化的工業(yè)革命”，相對于工業(yè)3.0 最大的區(qū)別就在于各種專業(yè)先進(jìn)的工業(yè)軟件的廣泛應(yīng)用。工業(yè)軟件跟普通的商業(yè)軟件不一樣。專業(yè)的工業(yè)軟件需要集成運(yùn)營技術(shù)（OT）、信息技術(shù)（IT）、自動(dòng)化技術(shù)(AT) 和 設(shè)備技術(shù)(ET) 于一體，與工業(yè)過程緊密融合才能為生產(chǎn)優(yōu)化發(fā)揮最大的價(jià)值。 所以工業(yè)過程優(yōu)化的過程在很大程度上就是各種工業(yè)軟件在各層級應(yīng)用發(fā)揮價(jià)值的過程。

4 工業(yè)過程優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路徑

 一個(gè)工廠要實(shí)現(xiàn)整體生產(chǎn)過程優(yōu)化，不是簡單地堆砌各種工業(yè)軟件就可以達(dá)到，需要根據(jù)不同工廠的技術(shù)基礎(chǔ)，做整體規(guī)劃。 筆者建議生產(chǎn)優(yōu)化方案的整體設(shè)計(jì)思路應(yīng)該是“從上至下整體規(guī)劃，從下至上逐層實(shí)現(xiàn)” 。 下圖為化工行業(yè)的生產(chǎn)過程優(yōu)化典型技術(shù)路徑，主要分為如下幾個(gè)步驟逐步實(shí)現(xiàn)：

第一步建立工廠過程優(yōu)化的軟件技術(shù)基礎(chǔ)：首先要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)算機(jī)信息化，讓很多現(xiàn)場的手工操作進(jìn)入自動(dòng)化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)外操到內(nèi)操的轉(zhuǎn)變，也叫“操作軟化”； 接下來盡量讓與控制系統(tǒng)連接的儀表，閥門設(shè)備智能化，通過工業(yè)設(shè)備管理軟件(AMS)實(shí)現(xiàn)對這些設(shè)備健康信息的監(jiān)測和管理，又稱“設(shè)備維護(hù)軟化”；然后建立工廠數(shù)字化虛擬平臺(tái)，例如數(shù)字雙胞胎，為后續(xù)的控制操作優(yōu)化提供軟件化驗(yàn)證平臺(tái)，俗稱“平臺(tái)軟化”。

第二步實(shí)現(xiàn)控制優(yōu)化：在這一步首先要實(shí)現(xiàn)異常工況管理，確定聯(lián)鎖、報(bào)警和正常操作范圍的邊界，遵循報(bào)警管理標(biāo)準(zhǔn)借助報(bào)警主數(shù)據(jù)庫軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警合理優(yōu)化、聯(lián)鎖管理優(yōu)化，盡量減少工廠生產(chǎn)異常狀態(tài)比例，減少操作人員處理異常工況的實(shí)踐，從而降低操作負(fù)荷；其次盡量實(shí)現(xiàn)內(nèi)操的自動(dòng)化，采用數(shù)字化回路優(yōu)化工具軟件，利用自學(xué)習(xí)等先進(jìn)快速提升整個(gè)生產(chǎn)線控制回路的自動(dòng)化率，降低內(nèi)操的手工操作比例，從而進(jìn)一步操作負(fù)荷，自動(dòng)化率提升后，在對一些復(fù)雜的回路采用串級、分程、前饋、超馳、自適應(yīng)控制等智能控制策略進(jìn)一步優(yōu)化回路性能，而對相互耦合現(xiàn)象嚴(yán)重的回路考慮使用APC進(jìn)行建模優(yōu)化，降低生產(chǎn)波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)卡邊優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率。

第三步全系統(tǒng)層次實(shí)現(xiàn)操作規(guī)程自動(dòng)化：其主要的方案有基于狀態(tài)的控制（SBC）和基于狀態(tài)的報(bào)警（SBA）即報(bào)警動(dòng)態(tài)合理化、高性能操作畫面方案等，通過這些軟件方案可以簡化操作流程、降低操作負(fù)荷、減少操作失誤幾率、提高產(chǎn)量和質(zhì)量從而提高的生產(chǎn)效率。目前數(shù)字化領(lǐng)域經(jīng)常提到的“一鍵開車“、”黑屏操作“ 的愿景就是基于操作規(guī)程自動(dòng)化技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的，但需記住，要是操作規(guī)程自動(dòng)化必須基于”操作軟化”、”控制自動(dòng)化”良好基礎(chǔ)之上才能實(shí)現(xiàn)的。

第四步全廠范圍實(shí)現(xiàn)工藝整體流程的優(yōu)化：這一層級的主要方案有自動(dòng)化排產(chǎn)、生產(chǎn)執(zhí)行業(yè)務(wù)流自動(dòng)化、資產(chǎn)管理數(shù)字化等，優(yōu)化軟件平臺(tái)有MES用于打通業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)孤島、實(shí)現(xiàn)排產(chǎn)、計(jì)劃調(diào)度、原料出入庫等業(yè)務(wù)流的線上優(yōu)化。另外還有OT數(shù)據(jù)倉庫（DW）、數(shù)據(jù)集市（DM）或數(shù)據(jù)湖等大數(shù)據(jù)平臺(tái)，以此為基礎(chǔ)為整個(gè)工廠建立數(shù)據(jù)中臺(tái)；數(shù)據(jù)中臺(tái)通過數(shù)據(jù)技術(shù)，對海量、多源、多樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)、計(jì)算，同時(shí)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和口徑，把數(shù)據(jù)統(tǒng)一之后，以標(biāo)準(zhǔn)形式存儲(chǔ)，形成大數(shù)據(jù)資產(chǎn)層，以滿足前臺(tái)數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用的需求。然后大數(shù)據(jù)挖掘?qū)I(yè)工具軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘優(yōu)化，按需實(shí)現(xiàn)各種分析和應(yīng)用。例如多變量在線統(tǒng)計(jì)、批次優(yōu)化分析、根源分析、業(yè)務(wù)流管理等，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)流程，數(shù)據(jù)決策的生產(chǎn)管理機(jī)制，最終實(shí)現(xiàn)全廠業(yè)務(wù)流優(yōu)化，獲得最佳生產(chǎn)效益。

5. 結(jié)束語

以專業(yè)的工業(yè)數(shù)字化軟件為基礎(chǔ)，整體規(guī)劃，采用不同技術(shù)逐層優(yōu)化是目前實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程優(yōu)化可靠技術(shù)路徑。