石化智能工厂工业互联网平台建设探索

尚军海

摘 要：当前我国制造企业面临着巨大的转型压力，智能工厂建设是中国石化产业转型升级的必由之路。本文主要阐述了当前石化智能工厂的总体框架和建设重点，深入探究石化智能工厂工业互联网平台的体系架构，剖析时下工业互联网平台发展存在的主要问题，并从政府与企业不同的角度提出石化智能工厂工业互联网平台建设的思路。

关键词：石化企业;智能工厂;工业互联网平台;CPS系统

中图分类号：TP278 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）34-0020-06

Exploration on Construction of Industrial Internet

Platform for Petrochemical Intelligent Factory

SHANG Junhai

（Fujian Gulei Petrochemical Co.， Ltd.，Zhangzhou Fujian 363216）

Abstract： China's manufacturing enterprises are facing tremendous pressure for transformation. More and more large and medium-sized enterprises in various industries have begun the journey of intelligent factory construction. This paper mainly described the current overall framework and construction focus of the petrochemical intelligent factory， delved into the system architecture of the petrochemical industry's internet platform， analyzed the main issues of the development of the current industrial internet platform， and proposed ideas from different perspectives of the government and enterprises.

Keywords： petrochemical enterprise;intelligent factory;industrial internet platform;CPS system

随着新一代信息通信技术的持续创新和渗透扩散，新一轮工业革命正在全球范围孕育兴起，制造业正迈向体系重构、动力变革、范式迁移的新阶段，加速向数字化、网络化、智能化方向延伸拓展，万物互联、数据驱动、软件定义、平台支撑、组织重构、智能主导正在构建制造业的新体系。特别是随着美国通用电气公司（GE）和德国西门子公司相继推出自己的工业互联网（或工业4.0）平台，全球工业制造业由此迎来了平台竞争时代。这个转变具有划时代的意义，将深刻改变未来国际产业分工与国际贸易竞争格局。工业物联网平台建设将日益成为全球工业制造业的首要基础设施，成为集聚全球工厂、工业产品、市场用户的第一入口，将加速全球制造业的“两化融合”进程。国家将工业互联网平台建设作为深化制造业与互联网融合发展的主攻方向，是大势所趋。

中国的石化产业在瞄准世界一流企业做强、做大自己的同时，深刻体会到必须要有世界一流的信息技术做支撑，正在大力提升企业信息化、自动化、智能化水平，并实现高效化和绿色低碳化。石化智能工厂是国际上智能制造在石化行业的首次尝试，在部分试点企业取得了较好的应用成效。与此同时，中国的石化产业信息化能力与埃克森美孚、壳牌、BP等世界一流能源公司在系统集成度、系统应用与运维、IT资源管理等方面的差距，以及在工業互联网平台建设上的探索，必将进一步推动石化智能工厂的升级发展。

1 石化智能工厂的总体框架和建设重点

1.1 石化智能工厂的总体框架

当前，国内石化智能工厂以卓越运营为目标，正在建设贯穿运营管理全过程、具备高度“自动化、数字化、可视化、模型化和集成化”的炼化工厂，通过技术变革和业务变革，让企业具有优异的感知、预测、协同和分析优化能力。其总体架构由生产管控、供应链管理、设备管理、能源管理、安全管控和环保管控等6个业务域智能化及标准体系、技术支持体系等2个技术体系组成，并通过“一个平台”和“三条主线”支撑。其中，“一个平台”是指为以信息物理系统（CPS）为核心的工业互联网平台，“三条主线”是指全过程一体化生产管理、全流程一体化优化、全生命周期一体化资产管理。石化智能工厂总体框架具体如图1所示。

1.2 石化智能工厂建设重点

通过石化智能工厂的试点建设和业务的最佳实践，国内石化产业围绕“三条主线”实现智能应用的成果较为显著。随着今后智能化理念的进一步发展，当前大多数石化企业中的工业互联网应用水平将是智能工厂提升的关键。

工业互联网平台是物联网、云计算、大数据、智能传感、工业软件、工业技术等跨界融合、集成创新的结果，是面向制造业数字化、网络化、智能化需求，构建基于云边协同的海量数据采集、汇聚、分析服务体系，支撑泛在连接、弹性供给、高效配置的载体，是工业全要素链接的枢纽与工业资源配置的核心，是石化智能工厂建设的重点。

2 工业互联网平台的体系架构和层级维度

工业互联网平台利用新兴技术构建更精准、实时、高效的数据采集体系，建设包括存储、集成、访问、分析、管理功能的使能平台，实现工业技术、经验、知识模型化、软件化、复用化，以工业APP的形式为制造企业提供各类创新应用，最终形成资源富集、多方参与、合作共赢、协同演进的制造业生态。

根据工业互联网产业联盟发布的《工业互联网平台白皮书》[1]，工业互联网平台体系架构有四个层次，也是工业互联网平台建设的四个主要方面。工业互联网平台体系架构如图2所示。

2.1 数据采集是基础

数据采集即利用泛在感知技术对多源设备、异构系统、运营环境、人等要素信息进行实时高效采集和云端汇聚。其核心是构建一个精准、实时、高效的数据采集体系，以实现有效采集数据，通过协议转换和边缘计算，将一部分数据在边缘侧进行处理，这适用于对实时性、短周期数据的快速处理，处理结果将直接返回到机器设备;将另一部分数据传到云端，通过云计算更强大的数据运算能力和更快的处理速度，对非实时、长周期数据进行综合利用分析，从而进一步优化形成决策。

例如，九江石化智能工厂收集了5台产汽炉、1台汽轮机、6台除氧机、6台加热器、15台机泵和6台减温减压器的运行数据，收集了25套产耗氢气瓦斯装置的数据，为实现能源实时化、在线优化奠定了基础。

2.2 IaaS是支撑

IaaS是通过虚拟化技术将计算、存储、网络等资源池化，向用户提供可计量、弹性化的资源服务，即将服务器、存储等基础设施资源进行“云”化，是智能工厂时代工业互联网平台运行的载体和基础。这些基础设施所涵盖的整个工业系统的安全管理体系，构成了工业互联网平台的基础支撑和重要保障。

在石化工厂内，IaaS层有时又被叫作数据库层，分为生产计划数据库、作业计划数据库、基础信息数据库、模型数据库等。这些数据库支撑了石化工厂内各种业务的有效开展。

2.3 工业PaaS是核心

作为平台层的PaaS本质上是在现有成熟的IaaS平台上构建一个可扩展的工业云操作系统，能够实现对软硬件资源和开发工具的接入、控制和管理，为应用开发提供必要的接口及存储计算、工具资源等支持。当工业PaaS平台上拥有大量蕴含着工业技术、知识、经验和方法的微服务架构的数字化模型时，应用层的工业APP可以快速、灵活地调用多种碎片化的微服务，实现工业APP快速开发部署和应用。

石化智能工厂建设实践认为，信息物理系统（CPS）是工业PaaS平台的核心技术，通过CPS系统建设可以实现工业互联网平台的主要效能。

2.3.1 全面态势感知。通过智能传感器、智能石化设备、工业级传感网等，实现物料、产品、设备、环境、人员信息的广泛采集和共享，改变现场作业方式，并实现重点环节无人值守;突破传统专业之间的数据壁垒，使跨越时间、空间、物理环境的协同成为可能，实现对石化生产状态的深度认知，对数据资源的高效利用。比如，Shell企业就应用了先进的在线技术，即RTO。这种技术可以通过识别来及时检测生产流程的工况，并且通过在线智能进一步优化生产流程。

2.3.2 虚实共变。CPS根据来自物理系统的实时信息不断修正仿真模型参数以提高仿真精度，仿真结果又将通过CPS对物理系统的控制影响物理系统的行为，实现实时可靠的系统监视、隐患预测、智能调节、优化运行的能力。例如，华北石化以300万t/a常压装置DCS仿真培训系统项目为依托，运用机理分析方法，建立了常压装置各个子系统的动态数学模型，应用一种基于马氏距离分类方法的多神经网络结构，结合仿真系统的过程变量数据建立软测量模型，为把质量模型嵌入仿真培训系统提供了很好的思路。随着技术的发展，新建的石化企业将在虚实共变上走出更加积极的步伐。

2.3.3 自组织和自适应。根据实际需求调度适用的模型来适应各种生产管理活动，实现对物理设备的控制和控制中心对参数的在线调整，具有自动排除各种系统故障、保证系统正常运行的能力。

石化行业在DCS、SIS等工控层面已经具备了一定的自组织和自适应能力，但仅限于工控层面。这是由于其特殊的行业性质决定的，在工控层和办公层融合贯通、实现更大范围的自组织和自适应方面仍有很大的发展空间。

2.3.4 实时并行计算。将综合生产中的工艺模型、业务模型、机理模型、优化模型、设备三维模型、专家知识等，突破传统集中式计算平台的约束，通过物理设备中嵌入的计算部件与中央监控系统的信息融合及计算进程与物理进程的交互，使智能工具具备大规模分布式实时计算的能力。

2.4 工业APP是关键

工业APP由通用云化软件和专用APP构成，根据特定工业应用场景，激发全社会资源推动工业技术、经验、知识和最佳实践的模型化、软件化、再封装。企业用户通过对工业APP的调用实现对制造资源的优化配置，形成工业互联网平台的最终价值。

石化智能工厂通过建立全局数据模型和工厂模型，以企业服务总线（ESB）和企业运营数据仓库（ODS）为基础，实现数据集成、应用集成和界面集成，初步达到实时计算、智能分析的智能化雏形。生产计划数据、作业计划数据首先分别借助PIMS模型、ORION模型优化排产得到，然后通过各自报表系统生成计划表，再通过系统接口导入数据库;基础信息数据是来自制造执行系统（MES）、企业资源计划（ERP）系统、实驗室信息管理系统（LIMS）、商务信息仓库（BW）、全面预算管理系统（TBM）等系统的投入产出、物料性质、公用工程消耗、辅料消耗、价格等方面的数据，系统统一与企业运营数据仓库（ODS）建立接口来获取这些数据;模型数据先将模型上传到系统，再由系统专用工具解析到数据库。根据业务需要，系统可以抽取并按照一定规则对这些数据进行处理，最终在展示层进行多维度展示。

3 工业互联网平台建设面临的机遇与挑战

工业互联网平台是支撑智能工厂建设的迫切需求，国内离散制造业在这一块已经取得了良好的实践效果。例如，三一重工通过建设智能加工中心与生产线、智能化立体仓库和物流运输系统、智能化生产执行过程控制中心、智能化生产控制中心等打造智能化制造车间，进而打造出相对理想的智能工厂。但是，以石油化工为代表的流程工业在工业互联网平台建设上才刚刚起步，面临着诸多问题[2]，难以满足石化行业智能化转型的需要，主要表现在以下七方面。

3.1 设备连接能力不足

面对多种协议并存的异构设备，面对国内制造业数字化、网络化水平本身较低的现实，如何把异构设备连接起来、把数据汇聚集起来，实现在边缘或云端计算，是当前各企业需要思考的主要问题。无论是平台企业还是一些细分领域的小企业，这方面的能力均不足，缺乏完整、高效、低成本的设备连接和数据采集方案。

3.2 工业机理模型不足

平台功能丰富性取决于积累沉积的各类工业知识完整性，实现工业技术、经验、知识的模型化、标准化、软件化、复用化，以优化研发设计、生产制造、运营管理等资源配置效率。工业机理、工艺流程、模型方法经验和知识积累不足，是我国当前制约平台功能完善的主要矛盾。

3.3 数据分析能力不足

构建基于海量工业大数据的工业分析体系是工业互联网区别于传统数字化、网络化、智能化解决方案的最重要的特征。当前，工业研发、生产、采购、配送、设备管理等都需要高水平的数据模型和大数据分析能力。但目前，国内许多平台类企业面临的共同挑战是工业大数据分析技术、人才严重不足，供给能力远远无法满足市场需求。

3.4 云化工业软件不足

工业互联网的功能是通过构建面对特定工业场景的工业APP，推动工业技术、经验、知识和最佳实践的模型化、软件化与再封装。采用最先进的云端技术和最高工业配置云端服务器、集成工业多领域全范围工业软件，从软件层面上“让重工业变轻，让轻工业变快”。为工业产品提供最强市场冲击力是工业互联网平台的价值所在。

传统各类工业软件通过体系重构、代码重写的方式部署到了云端，成为“云化”软件。由于传统工业软件基本缺失，“云化”软件也将成为“无米之炊”，缺乏工业软件、体系架构，也无所谓的体系重构、代码重写。

3.5 解决方案能力不足

国内平台企业战略规划、业务咨询、平台建设、工业APP开发、工具软件的集成等这些能力远远不足，整合控制系统、通信协议、生产装备、管理工具、专业软件等各类资源的能力也不足，集业务流程咨询、软件部署实施、平台二次开发、系统运行维护等于一体的综合能力欠缺。

3.6 生态构建能力不足

生态竞争是工业互联网平台竞争的制高点。生态建设能力的关键一方面在于如何吸引海量开发者在平台上开发各种微服务组件和工业APP;另一方面在于如何吸引更多企业使用平台上的各种应用和服务，最终形成一种双向迭代的机制。但目前，许多平台企业打造生态意识薄弱、缺乏经验、投入不够，可能会错失发展良机。

3.7 安全保障能力不足

在习近平总书记“没有网络安全就没有国家安全”的精神引领下，国家陆续出台相关网络安全法、等级保护测评机制等，《国家关键信息基础设施保护条例》也有望在近期出台。国家各级网络安全部门在关注公共网络安全的同时，也在向工控网络安全方向迈进。智能领域的学者在几年前就开始关注以工业控制网络为核心支撑架构的智能工厂工控安全风险评估。但随着工业互联网平台建设步伐不断加快，对安全的需求更加迫切，从原有的工控安全演进到设备、网络、数据的安全，在这个过程中，工业互联网平台安全领域的技术、管理、标准、政策法规体系方面的供给能力都不足。

在这种背景下，设备研发生产厂商、软件平台开发商、解决方案研究与提供单位遇到了前所未有的挑战，也同样面临着一个爆发式发展的机遇。产业联盟将大量兴起，并成为主导产业竞争格局演变的新趋势。

4 工业互联网平台建设的形势与策略

工业互联网平台的建设和应用推广，应坚持以企业为主体、政府为引导、市场为引领。要靠政府政策来引领航向、保驾护航，让技术创新带动市场发展，让市场引领工业互联网平台厂商和设备厂商的变革，而石化企业要根据自身特点主动谋求实用、发展提升，形成“倒逼市场”之势。通过政府引导、供需两端发力，促进石化企业在龙头企业竞争的新赛道上，抢占全球新工业革命的制高点。

4.1 政府引领，完善工业互联网平台发展体系

从政府的角度出发，工业互联网平台建设和应用推廣，重点是打造能够参与全球竞争的跨行业、跨领域的工业互联网平台和量大面广的行业级工业互联网平台，培育基础共性、行业通用和企业专用的工业APP，推动工业设备上云，开展跨行业跨领域的工业互联网平台、特定行业的工业互联网平台、特定区域的工业互联网平台和工业互联网平台测试床建设，促进技术的快速迭代，进一步加快完善标准、监测、安全等公共服务体系，提升工业互联网平台供给能力，尽快培育一批有影响力的工业互联网平台。

对于工业互联网平台建设，国务院《深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》明确，到2020年，要支持建设一批跨行业、跨领域的国家级平台，构建一批企业级平台，培育30万个以上的工业APP（工业应用程序），推动30万家企业应用工业互联网平台;到2025年，形成3家至5家具有国际竞争力的工业互联网平台，实现百万工业APP培育及百万企业上云[3]。

工业和信息化部与科学技术部、中国科学院、中国工程院、中国科协等单位多次共同主办国际智能产业博览会，其目的在于充分借鉴国内外智能化领域的新技术、新业态和新模式，深度参与数字经济国际合作。这里面蕴含了工业互联网平台发展的机遇和国家政府对工业互联网平台、智能工厂的殷切寄托。为加快企业转型升级，国内多省市已经出台《关于支持工业互联网平台建设和应用的若干政策》，鼓励工业企业试点示范，并给予配套补助。这将大力推动工业互联网平台的建设实践与发展。

4.2 石化企业主体推进，积极探索工业互联网平台建设新模式

从石化企业的角度出发，积极探索“两化融合”的切入点，切合实际地建设智能工厂工业互联网平台，以实体经济发展的利益刺激推动工业互联网平台整个产业链的转型升级。第一，需要做好建设智能工厂的顶层设计、规划好企业信息化的未来，从打通消费者信息、数据化边界、供应链协同，财务精细化颗粒度等系统层之间的连接，以及从决策层、管理层、运营层等多个维度出发，做好信息化的业务蓝图设计，建立石化智能工厂的总体框架，对工业互联网平台建设提出具体要求。第二，企业管理决策层需要充分认识到智能化工厂工业互联网平台建设的战略意义，保证资本投入。第三，在石化智能工厂工业互联网平台设计和执行的过程中，需要各专业协同，统一思路，统一标准，在总体设计、基础设计时，都要协同各专业明确统一技术规定和技术规格要求，签订各种框架协议，从当前设备种类繁多、系统架构多样、通信协议不统一的实际情况中谋出一条生路，提升企业所用设备的连接能力，进而在相关系统选型时充分考虑大数据分析能力，在工业互联网平台解决方案、智能工厂建设方案上方可有的放矢。最后，在技术驱动、创新驱动的背景下，企业信息化负责人，要怀着勇于“走出去”的心态，主动为公司的高层、中层及信息系统使用者分享业内第一手最新的信息，特别是智能工厂工业互联网平台的新发展动向、新技术应用成效等，结合工业互联网平台新技术应用和自身智能工厂建设情况，寻求智能化工厂的提升和突破。

当前工业互联网平台建设的七大挑战中，云化工业软件、平台解决方案的开发与供给、生态构建主要依托政府引导和市场引领来解决。石化企业在建设智能工厂工业互联网平台时需要根据自身实际选择工业软件、解决方案，还需要注意以下几方面。

4.2.1 做好设备选型和设备管理，夯实数据采集基础。智能传感器、智能石化设备、工业级传感网是工业互联网平台的底层支撑，是石化智能工厂现场数据采集的基础。石化智能工厂设备有其特殊性，但从工业互联网平台建设的角度出发，需要特别关注数据采集需求。在进行设备（特别是关键设备）选型时，需要选择具有传感、信号调理、数据上传下载等功能的设备，且尽量把设备通信协议的一致性作为重要选型参数。对于已建石化企业不具备数据采集功能设备的，在进行数字化、网络化工业互联网平台建设时，可以选择通过非侵入式智能系统，如SMT贴片机实现数据采集和监控。生产车间的仪器仪表由于设备没有数据端口或不支持数据读取功能的，需要更换新的具备数字通信、数据读取功能的仪表，然后再进行数据采集。

在石化企业中，DCS系统（如爱默生的DeltaV、罗克韦尔的AB、国内浙大中控、南京科远等DCS系统）控制的设备和仪表已经具备数据采集功能和部分控制功能，大型机组机泵通过在线监测系统的建设，实现数据采集和实时感知，将为工业互联网平台的建设和应用打下良好的基础，使石化企业在工业领域处于较高水平。

设备部署、设备连接、设备定义、监视、边缘监视、边缘管理、固件/软件管理、远程配置/操作、故障排除和診断等物联网设备管理的关键功能对智能工厂中的工业互联网平台建设是极其重要的，对工厂的设备资产建设、维护中减少维护成本、提高资产运营效率、减少停机时间具有非凡的意义，对实现以资产模型、设备台账为基础，强化成本核算，预防性维修的设备全生命周期管控起到保障性作用。

4.2.2 建立和完善机理模型，打造先进控制及过程优化体系。石化行业经过多年的积累沉淀，形成了自己的工业机理、工艺流程、模型方法。目前，石化行业正处于更新换代、产业升级的阶段，在技术发展、降低能耗物耗、原油涨价导致的对原料适应能力提升的需求、环保导致的产品质量升级等种种因素的作用下，石化行业对新机理模型的需求是十分迫切的。从质量守恒、能量守恒和动量守恒的原则出发，对每个单元的操作进行分析，研究其稳态性和动态特性，从而实现化工生产过程的机理分析，不断完善和改进机理模型，实现快速迭代更新，达到优化生产经营的效果。

经营管理优化主要是供应链优化系统，涉及企业物资流、资金流的管理，优化类型是周期性的，以月、周为单位。生产管理优化主要是生产计划与生产调度的优化，涉及企业的原料、产品加工过程，具体以月、周为单位，高精确度计划调度模型的建设对其是一种有力的支撑。动态仿真系统建立的动态模型是操作管理优化的关键，涉及生产装置加工的全过程，具体以日、班次为单位。在线控制优化主要是通过先进控制与实时优化系统实现装置的先进控制与在线优化，是实时进行的。工艺装置的优化主要是装置优化改造，是解决装置的瓶颈，是一次性的。而以机理模型为核心的先进控制及过程优化体系利用统一的基础模型实现对石化生产物流、能流和信息流的高度集成，即可实现面向全流程的全局优化，也可利用关键装置的稳态模型、能耗模型进行深入分析，更好地平衡产率和能耗这对矛盾关系。

洛阳石化通过KBC公司的流程模拟软件Petro-SIM建立反应机理模型、连续重整全流程模拟以及连续重整能耗模型，解决了预处理装置预分馏塔再沸炉负荷不足的瓶颈，重整装置进料量提高了5t/h，每年为企业增效1 000万元以上。同时，应用该模型还提出节能优化措施，增设预处理装置进料换热器，更换重整进料高效换热器等，节能效果显著。

4.2.3 构建大数据分析体系和能力，为工业互联网平台赋能。石化企业的长期运行必将产生大量的数据，特别是生产层面产生的数据可谓海量。工业互联网平台通过数据收集和分析实现预测、数据挖掘、场景分析，包括对非结构化和半结构化数据的分析需求已经非常迫切。传统石化企业采用OPC加实时数据库的方式将DCS采集的原始数据采集到专门的工厂管理平台上展示。为避免数据量过大、数据存储成本高、检索效率低等问题，通常设置数据采集周期为5min，这实际上无法真实同步反映工厂各个装置的实际情况。大数据不应采用这样的捷径，而应对所有数据进行分析处理，大数据需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力和流程优化能力。

构建大数据分析体系的途径可以因企而异，结合机理模型和数学模型的大数据云平台是发展趋势。青岛炼化通过西门子PCS平台将石化企业每天产生的海量数据进行归类化、定制化的统计分析，并以邮件形式将报表发送给工厂相关管理人员。这为企业生产运行管理节省了时间和人力，降低了设备故障风险，每天工艺过程预警、报警值总量与使用前相比减少近80%，仪表设备维修完好率大幅提高。

4.2.4 提升安全防护能力，建立工业互联网平台数据安全保护体系。随着工业互联网平台的建设和应用，企业从大数据云平台获取有价值信息的同时，也在不断积累风险。企业私有云上大数据的上传、云下载和交换等行为，使云平台容易成为黑客和病毒攻击的目标，一旦云平台被入侵，造成企业数据泄露，必定会给企业带来严重的损失。这就要求我们不断完善网络安全方面的技术和措施，在工控网及边界部署攻击防护、漏洞挖掘、入侵发现、态势感知、安全审计、可信芯片等安全产品，通过DNS数据筛选、设立诱饵主机系统的防御与控制、安全网关、对数据分类和加密、管控访问权限、对重要数据进行定位等手段，加强数据基础设施安全，保证工业互联网平台的数据安全。

5 结语

加快发展工业互联网平台，不仅是抢占产业未来制高点的必然选择，也是我国加快网络强国和制造强国建设，实现制造业高质量发展的客观要求。近年来，地方和企业不断探索工业互联网平台建设和应用推广模式，并取得了实际成果。石化行业应以建设智能工厂为目的和契机，创新管理思想，重构产业生态，依托工业互联网平台，力促信息化和工业化融合跨越式发展，提升石化企业综合竞争能力和在全球产业链分工中的地位，重塑石化产业的新未来。

参考文献：

[1]工业互联网产业联盟.工业互联网平台白皮书（2017）[EB/OL].（2018-01-04）[2019-10-20].http：//www.miit.gov.cn/n973401/n5993937/n5993968/c6002326/content.html.

[2]安筱鹏.工业互联网平台建设的出发点、切入点和着力点[EB/OL].（2018-05-12）[2019-10-20].https：//www.sohu.com/a/231355628_160923.

[3]中华人民共和国国务院.关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见[R].北京：中华人民共和国国务院，2017.