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引領(lǐng)過程工業(yè)4.0

西門子一體化工程到一體化運(yùn)維解決方案助力賽鼎打造過程工業(yè)的數(shù)字化工廠

“工業(yè)4.0”概念中所描述的智能制造場(chǎng)景著實(shí)令人激動(dòng)。消費(fèi)者根據(jù)個(gè)性化需求下單訂購(gòu)不同配置的產(chǎn)品，同一條流水線可自動(dòng)裝配不同元件，從而生產(chǎn)出各具特性的產(chǎn)品。制造業(yè)的未來顯著特征之一便是產(chǎn)品的定制化和生產(chǎn)的柔性化。

然而這些美妙的場(chǎng)景似乎只能出現(xiàn)在汽車、機(jī)械、家電等離散制造業(yè)中。醫(yī)藥、鋼鐵、化工等過程工業(yè)，因?yàn)楣に嚭彤a(chǎn)品的高度耦合，導(dǎo)致生產(chǎn)線的柔性很低。

如何在過程工業(yè)中構(gòu)建面向“工業(yè)4.0”的解決方案？這是賽鼎工程有限公司一直在思考的問題。賽鼎是以工程設(shè)計(jì)與工程總承包為主的大型綜合性工程公司，也是中國(guó)煤化工行業(yè)最大的技術(shù)服務(wù)商。

站在中國(guó)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)口，為了積極支持客戶去應(yīng)對(duì)愈發(fā)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，賽鼎主要面臨兩大挑戰(zhàn)：一是如何提升工程設(shè)計(jì)能力，幫助客戶高效運(yùn)營(yíng)工廠，降低運(yùn)營(yíng)成本并提高產(chǎn)品質(zhì)量；二是如何順應(yīng)“綠色、環(huán)保”的大趨勢(shì)，幫助煤化工企業(yè)降低污染排放。

只有對(duì)工廠進(jìn)行全面的改造升級(jí)，才能從源頭上解決這兩大問題。因此，賽鼎攜手西門子，共同打造煤化工領(lǐng)域的數(shù)字化企業(yè)。

引領(lǐng)過程工業(yè)數(shù)字化

賽鼎的目標(biāo)很明確，但探索實(shí)施之路卻困難重重?？梢院敛豢鋸埖卣f，過程工業(yè)的數(shù)字化進(jìn)程比離散行業(yè)復(fù)雜得多，為什么？

在離散制造中，原料物質(zhì)基本不會(huì)發(fā)生改變，只是物料形狀和組合的變化，工藝對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響相對(duì)較小，即工藝和產(chǎn)品之間的耦合度很低，因此生產(chǎn)線可以做到高度柔性化，實(shí)現(xiàn)看似不可思議的定制化生產(chǎn)。

而過程工業(yè)則不然。它的生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，流程規(guī)范，產(chǎn)品，原料穩(wěn)定，生產(chǎn)過程伴隨著物理和化學(xué)變化，這就導(dǎo)致工藝對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響非常大。

以賽鼎為河南義馬煤業(yè)集團(tuán)設(shè)計(jì)打造的碎煤加壓氣化爐為例，同樣是用煤和水蒸氣做原料，工藝參數(shù)控制的不同就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品組成波動(dòng)，可能合成預(yù)期產(chǎn)品：一氧化碳和氫氣，也可能產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物二氧化碳。工藝和產(chǎn)品的高度耦合導(dǎo)致技術(shù)人員無法遍歷生產(chǎn)線上的所有要點(diǎn)，所以通過在關(guān)鍵要點(diǎn)采集數(shù)據(jù)來打造柔性產(chǎn)線的方式根本行不通。

離散制造的數(shù)字化經(jīng)驗(yàn)無法套用，過程工業(yè)正面臨著*的壓力。如何整合工廠生命周期內(nèi)高度碎片化的數(shù)據(jù)庫(kù)？如何利用數(shù)據(jù)來保證高效工程，以及節(jié)能、安全的工廠運(yùn)行？

面對(duì)這樣的難題，西門子憑借創(chuàng)新技術(shù)和對(duì)行業(yè)的深刻理解，著眼于工廠的整個(gè)生命周期，提出了全新的一體化工程到一體化運(yùn)維的解決方案，從工藝和工廠設(shè)計(jì)到工程建設(shè)和調(diào)試，再到后期的運(yùn)維服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了高度集成和數(shù)字化。

通過COMOS工廠工程設(shè)計(jì)和工廠管理軟件實(shí)現(xiàn)一體化工程設(shè)計(jì)，使用SIMATIC PCS 7集散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的高度自動(dòng)化，通過SIMIT自動(dòng)化及過程仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)虛擬工廠的仿真調(diào)試，借由COMOS Walkinside三維虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)3D沉浸式人員培訓(xùn)，以及通過XHQ工廠智能營(yíng)運(yùn)及優(yōu)化軟件幫助管理人員做出明智的決策。

這樣的全集成解決方案確保工廠全生命周期各個(gè)階段的數(shù)據(jù)*性。這也是目前全球過程工業(yè)較為完整和*的數(shù)字化企業(yè)解決方案。

一體化工程

在“碎煤加壓氣化爐技術(shù)及改進(jìn)”的項(xiàng)目中，賽鼎作為EPC首先要考慮如何提升自身的工程設(shè)計(jì)能力，提高工程效率和質(zhì)量，西門子的一體化工程方案正是為了解決這個(gè)問題。

首先在設(shè)計(jì)階段，賽鼎運(yùn)用西門子COMOS軟件實(shí)現(xiàn)工廠的端對(duì)端工程設(shè)計(jì)，包括初步設(shè)計(jì)，乃至整個(gè)工廠的詳細(xì)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)效率提升20%以上。

有了詳細(xì)設(shè)計(jì)文件，接下來就是工程實(shí)施。傳統(tǒng)做法是，工程師先從設(shè)計(jì)院拿到詳細(xì)設(shè)計(jì)文件，再進(jìn)行讀取、錄入和分析，效率低下。而現(xiàn)在，DCS控制系統(tǒng)SIMATIC PCS 7和COMOS高度集成，西門子通過一體化工程實(shí)現(xiàn)“數(shù)字化交付”，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)直接應(yīng)用于DCS工程階段。

COMOS作為設(shè)計(jì)平臺(tái)，里面含有設(shè)計(jì)的工藝信息、自動(dòng)化信息、引表信息和控制信息，由信息生成的項(xiàng)目文件可直接適用于包括控制回路組態(tài)、基本回路組態(tài)和工廠程序在內(nèi)的PCS 7組態(tài)程序，使得系統(tǒng)組態(tài)時(shí)間縮短近1/4。雙向數(shù)據(jù)交換，同步變更信息，確保設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與自動(dòng)化系統(tǒng)始終保持*，形象地說，就是“數(shù)據(jù)一次性輸入，多次使用”。

工程竣工后，調(diào)試是確保工廠正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵一步。過去，工程師需要在硬件設(shè)備完善之后，前往現(xiàn)場(chǎng)完成軟件測(cè)試，保證編程邏輯沒有問題?，F(xiàn)在，有了自動(dòng)化及過程仿真系統(tǒng)SIMIT，無需等待真實(shí)工廠建立，賽鼎的工程師只需坐在辦公室里就可以進(jìn)行虛擬調(diào)試。SIMIT一方面可以虛擬測(cè)試和驗(yàn)證COMOS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果，另一方面可以仿真SIMATIC PCS 7全部的自動(dòng)化對(duì)象。有了真實(shí)和虛擬世界的“數(shù)字化雙胞胎“，塞鼎得以大大節(jié)省調(diào)試時(shí)間，節(jié)約成本，也降低風(fēng)險(xiǎn)，并減少污染排放。

在煤化工行業(yè)，工廠開車、運(yùn)行、停止和對(duì)特殊情況進(jìn)行操作時(shí)一旦出現(xiàn)失誤，使得壓力劇增、設(shè)備泄露、設(shè)備故障等，都有可能導(dǎo)致有害氣體或有毒物質(zhì)泄露，從而造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。而虛擬調(diào)試時(shí)，即便出現(xiàn)誤操作，軟件系統(tǒng)模型會(huì)出現(xiàn)異常，但不會(huì)產(chǎn)生任何實(shí)際危險(xiǎn)。

另外，在實(shí)際工廠中，如果排放標(biāo)準(zhǔn)已依據(jù)環(huán)保局的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置，后續(xù)一旦要修改控制閥門等設(shè)備的參數(shù)，將可能導(dǎo)致實(shí)際對(duì)外排放的波動(dòng)。而在虛擬工廠中，調(diào)節(jié)與排放相關(guān)的設(shè)備參數(shù)，將只會(huì)影響虛擬系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)模型。操作過程做到真正的*、*。

在操作員培訓(xùn)方面，SIMIT也派上了大用場(chǎng)。在以往，只能由老師傅傳授經(jīng)驗(yàn)，或是通過書本將操作流程展示給操作員。而現(xiàn)在，操作員能在虛擬工廠中練手，*掌握了知識(shí)技能以后，才真正上崗作業(yè)。

有時(shí)因?yàn)榘踩蛩氐目紤]，操作員要避免進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域查看設(shè)備，通過三維虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)Walkinside系統(tǒng)，可以在工廠建成之前預(yù)先設(shè)計(jì)巡檢路線，避開不便行走的路線，還可以進(jìn)行緊急情況預(yù)案演練。Walkinside不但能展示設(shè)備，還能展示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，可通過標(biāo)簽將氣化爐的溫度、壓力、或是某根管道的流量標(biāo)注出來。

一體化運(yùn)維

工程只是“一次性買賣”，高效運(yùn)營(yíng)才能為客戶帶來高附加、可持續(xù)的價(jià)值。

在工廠建造初期，COMOS就能夠記錄設(shè)備、管道、儀表等采購(gòu)信息，以及廠家信息和設(shè)備更換信息。而工廠正式運(yùn)營(yíng)時(shí)，PCS 7可生成反映生產(chǎn)狀況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。西門子將這兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合，使得任何一個(gè)設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)都能夠被及時(shí)查找，大大提升了客戶的運(yùn)維效率。一旦某個(gè)設(shè)備出現(xiàn)問題，PCS 7立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，觸發(fā)COMOS，其運(yùn)維界面上就會(huì)顯示問題，然后操作員按照預(yù)設(shè)流程即可進(jìn)行維護(hù)，保證工廠可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

得益于一體化運(yùn)維，賽鼎可以實(shí)時(shí)獲取設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過與歷史數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，不斷改進(jìn)優(yōu)化工藝，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

在管理層面，賽鼎面臨的主要問題是如何追蹤已經(jīng)在客戶工廠運(yùn)行的氣化爐的狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)設(shè)備進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)和優(yōu)化。每臺(tái)氣化爐分布在不同的省市，表現(xiàn)不一，如何分辨到底是設(shè)備本身的設(shè)計(jì)問題還是業(yè)主的操作問題呢？

西門子的XHQ智能運(yùn)營(yíng)平臺(tái)提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)接口，可以同常用的數(shù)據(jù)庫(kù)和傳統(tǒng)文件系統(tǒng)進(jìn)行交互，比如DCS數(shù)據(jù)庫(kù)中的工廠運(yùn)行數(shù)據(jù)，MES中的制造執(zhí)行數(shù)據(jù)，再加上人力資源數(shù)據(jù)和財(cái)務(wù)信息。XHQ整合和分析所有運(yùn)行和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，從更深層次挖掘工廠運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，輔助管理層進(jìn)行決策。

賽鼎總經(jīng)理張慶庚對(duì)與西門子的合作給予了高度評(píng)價(jià)：“我們的目標(biāo)就是打造面向過程工業(yè)未來的解決方案，來幫助我們的客戶進(jìn)一步提升工程效率、運(yùn)營(yíng)效率、降低運(yùn)營(yíng)成本、提高質(zhì)量。與西門子建立戰(zhàn)略合作關(guān)系是我們實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的*步。不論從當(dāng)前還是長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，這對(duì)賽鼎、西門子，更重要的是對(duì)我們的客戶來說都是真正的雙贏。”