引领过程工业4.0

• 关键词：SIMATIC,PCS,7,DCS,工业4.0
• 摘要：“工业4.0”概念中所描述的智能制造场景着实令人激动。消费者根据个性化需求下单订购不同配置的产品，同一条流水线可自动装配不同元件，从而生产出各具特性的产品。制造业的未来显著特征之一便是产品的定制化和生产的柔性化。

　　“工业4.0”概念中所描述的智能制造场景着实令人激动。消费者根据个性化需求下单订购不同配置的产品，同一条流水线可自动装配不同元件，从而生产出各具特性的产品。制造业的未来显著特征之一便是产品的定制化和生产的柔性化。

　　然而这些美妙的场景似乎只能出现在汽车、机械、家电等离散制造业中。医药、钢铁、化工等过程工业，因为工艺和产品的高度耦合，导致生产线的柔性很低。

　　如何在过程工业中构建面向“工业4.0”的解决方案？这是赛鼎工程有限公司一直在思考的问题。赛鼎是以工程设计与工程总承包为主的大型综合性工程公司，也是中国煤化工行业最大的技术服务商。

　　站在中国工业转型升级的关口，为了积极支持客户去应对愈发激烈的市场竞争，赛鼎主要面临两大挑战：一是如何提升工程设计能力，帮助客户高效运营工厂，降低运营成本并提高产品质量；二是如何顺应“绿色、环保”的大趋势，帮助煤化工企业降低污染排放。

　　只有对工厂进行全面的改造升级，才能从源头上解决这两大问题。因此，赛鼎携手西门子，共同打造煤化工领域的数字化企业。

　　引领过程工业数字化

　　赛鼎的目标很明确，但探索实施之路却困难重重。可以毫不夸张地说，过程工业的数字化进程比离散行业复杂得多，为什么？

　　在离散制造中，原料物质基本不会发生改变，只是物料形状和组合的变化，工艺对产品质量影响相对较小，即工艺和产品之间的耦合度很低，因此生产线可以做到高度柔性化，实现看似不可思议的定制化生产。

　　而过程工业则不然。它的生产连续性强，流程规范，产品唯一，原料稳定，生产过程伴随着物理和化学变化，这就导致工艺对产品质量的影响非常大。

　　以赛鼎为河南义马煤业集团设计打造的碎煤加压气化炉为例，同样是用煤和水蒸气做原料，工艺参数控制的不同就会导致产品组成波动，可能合成预期产品：一氧化碳和氢气，也可能产生大量的副产物二氧化碳。工艺和产品的高度耦合导致技术人员无法遍历生产线上的所有要点，所以通过在关键要点采集数据来打造柔性产线的方式根本行不通。

　　离散制造的数字化经验无法套用，过程工业正面临着前所未有的压力。如何整合工厂生命周期内高度碎片化的数据库？如何利用数据来保证高效工程，以及节能、安全的工厂运行？

　　面对这样的难题，西门子凭借创新技术和对行业的深刻理解，着眼于工厂的整个生命周期，提出了全新的一体化工程到一体化运维的解决方案，从工艺和工厂设计到工程建设和调试，再到后期的运维服务，实现了高度集成和数字化。

　　通过COMOS工厂工程设计和工厂管理软件实现一体化工程设计，使用SIMATIC PCS 7集散控制系统实现生产的高度自动化，通过SIMIT自动化及过程仿真系统实现虚拟工厂的仿真调试，借由COMOS Walkinside三维虚拟现实平台实现3D沉浸式人员培训，以及通过XHQ工厂智能营运及优化软件帮助管理人员做出明智的决策。

　　这样的全集成解决方案确保工厂全生命周期各个阶段的数据一致性。这也是目前全球过程工业最为完整和先进的数字化企业解决方案。

　　一体化工程

　　在“碎煤加压气化炉技术及改进”的项目中，赛鼎作为EPC首先要考虑如何提升自身的工程设计能力，提高工程效率和质量，西门子的一体化工程方案正是为了解决这个问题。

　　首先在设计阶段，赛鼎运用西门子COMOS软件实现工厂的端对端工程设计，包括初步设计，乃至整个工厂的详细设计，设计效率提升20%以上。

　　有了详细设计文件，接下来就是工程实施。传统做法是，工程师先从设计院拿到详细设计文件，再进行读取、录入和分析，效率低下。而现在，DCS控制系统SIMATIC PCS 7和COMOS高度集成，西门子通过一体化工程实现“数字化交付”，设计数据直接应用于DCS工程阶段。

　　COMOS作为设计平台，里面含有设计的工艺信息、自动化信息、引表信息和控制信息，由信息生成的项目文件可直接适用于包括控制回路组态、基本回路组态和工厂程序在内的PCS 7组态程序，使得系统组态时间缩短近1/4。双向数据交换，同步变更信息，确保设计数据与自动化系统始终保持一致，形象地说，就是“数据一次性输入，多次使用”。

　　工程竣工后，调试是确保工厂正常运转的关键一步。过去，工程师需要在硬件设备完善之后，前往现场完成软件测试，保证编程逻辑没有问题。现在，有了自动化及过程仿真系统SIMIT，无需等待真实工厂建立，赛鼎的工程师只需坐在办公室里就可以进行虚拟调试。SIMIT一方面可以虚拟测试和验证COMOS系统的设计结果，另一方面可以仿真SIMATIC PCS 7全部的自动化对象。有了真实和虚拟世界的“数字化双胞胎“，塞鼎得以大大节省调试时间，节约成本，也降低风险，并减少污染排放。

　　在煤化工行业，工厂开车、运行、停止和对特殊情况进行操作时一旦出现失误，使得压力剧增、设备泄露、设备故障等，都有可能导致有害气体或有毒物质泄露，从而造成严重的环境污染。而虚拟调试时，即便出现误操作，软件系统模型会出现异常，但不会产生任何实际危险。

　　另外，在实际工厂中，如果排放标准已依据环保局的标准进行设置，后续一旦要修改控制阀门等设备的参数，将可能导致实际对外排放的波动。而在虚拟工厂中，调节与排放相关的设备参数，将只会影响虚拟系统中的数据模型。操作过程做到真正的零污染、零排放。

　　在操作员培训方面，SIMIT也派上了大用场。在以往，只能由老师傅传授经验，或是通过书本将操作流程展示给操作员。而现在，操作员能在虚拟工厂中练手，完全掌握了知识技能以后，才真正上岗作业。

　　有时因为安全因素的考虑，操作员要避免进入危险区域查看设备，通过三维虚拟现实平台Walkinside系统，可以在工厂建成之前预先设计巡检路线，避开不便行走的路线，还可以进行紧急情况预案演练。Walkinside不但能展示设备，还能展示设备的运行状态，可通过标签将气化炉的温度、压力、或是某根管道的流量标注出来。

　　一体化运维

　　工程只是“一次性买卖”，高效运营才能为客户带来高附加、可持续的价值。

　　在工厂建造初期，COMOS就能够记录设备、管道、仪表等采购信息，以及厂家信息和设备更换信息。而工厂正式运营时，PCS 7可生成反映生产状况的实时数据。西门子将这两个数据库结合，使得任何一个设备的相关数据都能够被及时查找，大大提升了客户的运维效率。一旦某个设备出现问题，PCS 7立即发出报警信号，触发COMOS，其运维界面上就会显示问题，然后操作员按照预设流程即可进行维护，保证工厂可靠稳定运行。

　　得益于一体化运维，赛鼎可以实时获取设备运行数据，通过与历史数据和设计数据对比分析，不断改进优化工艺，提升产品质量。

　　在管理层面，赛鼎面临的主要问题是如何追踪已经在客户工厂运行的气化炉的状态，进而对设备进行持续监测和优化。每台气化炉分布在不同的省市，表现不一，如何分辨到底是设备本身的设计问题还是业主的操作问题呢？

　　西门子的XHQ智能运营平台提供了强大的数据接口，可以同常用的数据库和传统文件系统进行交互，比如DCS数据库中的工厂运行数据， MES中的制造执行数据，再加上人力资源数据和财务信息。XHQ整合和分析所有运行和业务数据，从更深层次挖掘工厂运营状态，辅助管理层进行决策。

　　赛鼎总经理张庆庚对与西门子的合作给予了高度评价：“我们的目标就是打造面向过程工业未来的解决方案，来帮助我们的客户进一步提升工程效率、运营效率、降低运营成本、提高质量。与西门子建立战略合作关系是我们实现这一目标的第一步。不论从当前还是长远来看，这对赛鼎、西门子，更重要的是对我们的客户来说都是真正的双赢。”