導讀：2023年10月28日，由中國自動化學會主辦的2023國家工業軟件大會在浙江湖州盛大開幕。大會以“工業軟件·智造未來”為主題，匯聚了25位國內外院士，1500余位代表，共同探討工業軟件領域前沿理論和技術創新應用問題，共同謀劃我國工業軟件未來發展之道。
和利時科技集團有限公司中央研究院副院長黃勁松受邀在2023國家工業軟件大會中作題為“和利時HiaPlant智能化平臺賦能流程行業數字化轉型”的專題報告。報告介紹了和利時作為全球智能化系統解決方案主力供應商，30年來不斷突破壁壘，創新發展，完成了國內多個首臺套。最新OCS工業光總線控制系統，通過兩大核心技術，軟件定義I/O技術和工業光總線技術，打造新一代過程控制系統，并且在石油天然氣、石油化工、煤化工、精細化工、制藥、多晶硅等行業擁有數百個應用案例。和利時數智化轉型解決方案覆蓋現場傳感及執行層、過程操作及控制層、生產管理及運營層，基于HiaPlant平臺的一體化解決方案，以數字化轉型為核心，持續更新迭代，推出一批先進易用的工業軟件產品及方案，廣泛應用于電力、化工、煉化、石油天然氣、冶金、建材、造紙、食藥、新能源等行業，賦能企業信息化轉型，幫助企業降本增效，提升企業核心競爭力。
和利時HiaPlant智能化平臺賦能流程行業數字化轉型
和利時集團創建于1993年，目前，集團專注于多個核心領域，包括工業智能化（流程制造業及離散制造業）、交通智能化（高鐵、城鐵及地鐵）以及食藥智能化三大板塊。在流程制造業領域，集團積極參與多個超大型煉化項目的建設，為中國石化天津南港120萬噸/年乙烯及下游高端新材料產業集群項目提供先進的控制系統及工業軟件。此外，在離散制造業方面，提供高效的可編程邏輯控制（PLC）系統。在交通智能化領域，和利時集團致力于高鐵和城鐵的發展。在食藥智能化領域，和利時的食藥數字化工廠解決方案幫助食藥客戶實現了從生產、檢驗、到包裝等全過程的智能控制，并使傳統中藥房的抓藥過程更加智能化。在國家高端制造業中，核電和高鐵被視為兩個重要代表領域，而和利時集團的控制系統在核電領域市場和高鐵的車載控制系統市場占有率均超過50％。
一、智能管控一體化整體框架
和利時集團在控制系統領域擁有先驅地位，自1993年成立以來，率先在國內推出了多個關鍵控制系統，包括國內首套DCS系統、符合SIL3安全完整性等級的SIS系統、大型PLC系統、SCADA系統以及OCS工業光總線控制系統，打破了國外壟斷，實現了國內控制系統的自主可控和安全可信。
為適應整個行業數字化轉型需求，和利時集團提供了全面的解決方案，涵蓋從現場儀表的傳感及執行、操作、控制以及生產管理的各個層面，提供的產品包括DCS、SIS、PLC、SCADA、OCS等多種控制系統。在工業軟件方面，特別是MES生產管理軟件和操作及控制優化軟件，我們能夠提供全套解決方案。豐富的產品譜系構建了和利時HiaPlant智能化平臺。HiaPlant平臺包含軟件框架和一套標準，我們通過“平臺+應用”的方式為每個用戶快速構建個性化的產品和解決方案。我們的解決方案覆蓋從現場儀表到控制系統再到工業軟件三個層面，主要聚焦于生產控制、操作和管理相關的各類解決方案。
和利時集團在行業用戶數字化轉型的過程中，針對用戶面臨的主要挑戰，推出了OCS工業光總線控制系統，如圖1所示。該產品有兩大特點：首先，采用軟件定義I/O技術實現數字布線，避免了傳統DCS系統中因I/O卡件專用化而帶來的施工成本和低效率問題；其次，利用工業光總線技術實現一光通達，即從現場到機柜間全程光纖傳輸，在成本優勢下提供了高帶寬、傳輸效率更優且抗干擾性強的解決方案。OCS的推出旨在幫助用戶降低獲取和傳輸現場數據的成本，同時降低工程設計的復雜性。
圖1 OCS工業光總線控制系統
引入OCS后，DCS系統發生了一些變革，如圖2所示。在系統結構方面，傳統DCS在機柜間的大量機柜已經不復存在，傳統的信號傳輸過程中采用的電通訊方式完全轉變成了光通訊方式。生產現場的數據在現場直接經過iDTU轉化為數字信號，通過工業光總線傳輸給控制系統或上層軟件。這種結構變化為用戶帶來了工程設計復雜度的大幅降低和儀控系統成本的下降。OCS產品的控制器底板下直接連接著光口，來自于現場iDTU的光纖可以直接插入，這即所謂的“一光通達”。相較于過去從現場儀表到控制器之間存在現場接線箱和中間機柜等多個環節，這種簡化結構實現了高效的數據傳輸。
圖2 系統結構圖
在OCS中，將iDTU智能數據傳輸單元安裝于現場，因此面臨著對于工業現場惡劣環境的適應性挑戰。首要考慮的是工作溫度的范圍，我們的設計范圍涵蓋從零下40度到正70度，同時還需要考慮在腐蝕性氣體和可燃氣體環境下如何正常工作，并確保通過防爆認證。此外，濕度、結露以及抗震等因素也需要特殊關注，以確保OCS在惡劣環境下能夠穩定可靠地運行。
實際項目實踐中，用戶也在進行成本分析。通常情況下，采用OCS與光纖相比于傳統的DCS與電纜，儀控系統投資成本至少能節省30％，機柜間面積則減少了90％。原先需要大量機柜的項目現在只需要很少數量的機柜（控制器柜和電源柜）。而項目周期至少縮短了50％。截止目前，我們已經成功實施了超過500個項目，涵蓋了中石油、中石化和中海油等“三大油”企業，以及地方性大型流程行業企業。
在獲取數據后，重要的是如何有效地利用數據，包括提升控制系統的平穩性和操作的有效性。雖然涉及到多種技術手段如PID自整定、控制器性能診斷、報警管理和MPA等，但以往每種手段都是獨立的軟件系統。為此，我們推出了HiaPlant智能化平臺，提供統一的軟件架構、圖形組態工具以及算法和邏輯組態工具，如圖3所示。這樣一來，用戶在集成多種應用時，系統呈現給用戶的將是一個完整的系統，具備統一的界面風格和操作維護模式。在此平臺上，我們提供基于分布式的基礎服務，包括數據和通信服務。此外，該平臺支持不僅符合IC6131-3標準的算法，也支持一些高級語言如C語言的算法，用戶可以將其工業知識和算法輕松融入到系統中。
圖3 智能控制平臺核心特點
在項目實踐中，我們專注于為操作人員提供一種與傳統界面不同的操作界面。除了顯示當前和歷史數據外，新型操作界面還提供診斷性數據。因此，現代操作界面被視為一種操作態勢的感知界面，不僅展示當前和過去的狀態，還具備預見未來可能發生情況的能力，如圖4所示。在提高操作效率方面，報警管理被認為是一項極為有效的方法。通過合理設置報警條件，確保只有在現場出現問題時才會觸發報警，而在正常情況下不會產生虛假報警。這種方法有助于評估整個系統操作人員的工作水平。
圖4 生產駕駛艙
企業中大多數回路采用PID控制。盡管企業聲稱自身具備良好的自控率，但并非所有的自控系統都能達到最優的控制品質。觀察PID的響應曲線可發現，有些表現出色，但也存在波動大、滯后嚴重的情況。因此，我們提供PID回路診斷服務，在線評估PID回路的品質。若回路正常，則無需干預；若存在問題，我們將提供PID自整定軟件，協助調整最佳的PID參數。對于那些強滯后、多耦合的系統無法采用PID方式控制的情況，推薦多變量預估控制方案。該方案能有效實現過程控制的穩定性，提升操作的高效性，有助于進一步提高企業的效率。
為提升操作人員的操作效率，另一個極佳方法是采用OTS（Operator Training System），即操作員在線仿真系統，如圖5所示。其核心在于利用一個動態的工廠仿真模型，因為很多事故情況無法在真實工廠進行實操。OTS系統允許訓練操作人員應對各種工況及事故環境下的操作方式。此外，由于該系統具備實時仿真模型，因此可以用于驗證控制算法和裝置改造策略。
圖5 和利時智慧管理平臺
HiaPlant 平臺旨在提供基礎的數據服務以及算法編排工具，同時希望將行業專業知識與軟件平臺區分開來。對于專家來說，專注于工藝流程和行業知識，借助平臺，能夠優秀地將行業專業知識與控制及自動化系統完美融合。
在這種架構下，計算資源、存儲資源和網絡資源會被分配給各自的用途。這意味著工程師和專家只需專注于工藝過程和算法。數據通訊過程采用數據模型化方法，而不是傳統的單一數據傳輸。例如，一個現場變速器傳輸的數據模型包含其過程變量和診斷信息。此外，我們提供低代碼或零代碼的開發方式，使算法工程師能夠將工業知識融入到平臺中。
對于企業的領導者和管理者來說，首要任務可能是實現數據的可視化。在可視化的背后，數據不僅來自一些原始數據，還可能涉及到軟測量，即一些數據源自算法。有些數據是無法直接通過常規手段測量獲得的，但對于管理者而言，這些數據可能是關鍵的KPI指標之一。通過這種方式，管理者可以更好地了解企業的運行情況，無論身處工廠的何處，都能隨時獲取相關信息，如圖6所示。
圖6 智慧大屏
從生產計劃、調度、操作及控制，貫穿整個生產過程的數據記錄、成本核算，以及績效評估和回溯，構成了生產管理的自動化和智能化。在生產工藝管理中，操作必須符合規范要求。此外，日常操作人員的巡檢、交接班、事故處理等操作管理也至關重要。為提高生產過程中的平穩性和開停工的效率，過去可能采用紙質或人工操作方式，而現在則更傾向于通過系統化的方式管理這些過程。
供應鏈管理涵蓋了從原料到生產再到最終產品的全過程，還包括質量控制，需要在線獲取化驗室數據，因為很多操作的調整是基于質量指標進行的，如圖7所示。
圖7 生產協同管理-物料管理
在能源管理方面，許多用戶可能面臨一些挑戰，尤其是工業領域。很多情況下，現場的儀表設備可能相對陳舊落后。在進行能源管理時，發現需要大量投資來改造現有的儀表系統。最初階段，能夠實現能源可視化，即通過查看現場的能耗數據，進行橫向和縱向的比較。通過比較分析，找出存在的缺點和需要改善的地方。然而，真正的能源優化需要建立在能源可視化基礎之上。所謂的能源優化是在保證整個生產運行的同時，盡可能降低能耗，比如水和蒸汽的消耗。特別是蒸汽的使用具有一定特殊性，因為蒸汽一旦產生就無法儲存，只能排放出去。許多生產裝置不僅使用蒸汽，同時也是蒸汽的生產者。通過優化能源網絡，調度整個能源的使用，實現在保持生產進行的同時，達到最低能耗的目標。
在設備管理方面，許多生產事故通常源于設備問題。傳統的設備維護方式通常是被動的和周期性的。相比較于操作工在中控室進行的主要操作，現場巡檢的輔助操作也可以實現智能化和自動化。通過巡檢設備，收集的數據可以匯總到系統中，這使得包括紙質數據和碎片化數據在內的信息都能夠被系統分析和利用。
當涉及到可視化方面，人們對于信息展示的要求可能不僅僅局限于二維的形式，也期望能夠得到更直觀的三維展示。在數字化交付方面，我們提供工廠裝置模型，這些模型與實時數據動態連接，為用戶提供了一個出色的現場界面，如圖8所示。這種結合將實際視頻信號和繪制的流程圖有機地融合在一起，主要目的是為用戶提供更加優質的界面體驗。
圖8 三維可視化
對于數據訪問，不僅可以在中控室獲取，而且在整個工廠范圍內、甚至是任何地方只要有互聯網連接，只要與外界有聯系，就可以獲取數據。這滿足了用戶的需求，即使在任何時間和地點，都能獲取相關的數據。
當著手建設智能化工廠時，安全問題成為了我們極為關注的一個方面。在過去，工廠安全主要關注本質安全，確保現場儀表防爆，采用SIS系統滿足功能安全的要求，還要關注人員安全。然而，如今信息安全和供應鏈安全也開始受到重視，這是我們以前可能沒有如此關注的領域。隨著系統的日益開放，人們對信息安全的關注逐漸提高。為了確保供應鏈安全，我們在DCS系統方面已經實現了100%的國產化，現在電力行業、石油天然氣行業，以及其他一些特殊行業，如船用蒸汽輪機控制系統、船用燃機控制系統，都采用了完全自主可控的系統，以確保企業運營的供應鏈安全。此外，在安全可信方面，我們還提供基于內生安全的解決方案，包括DCS和PLC。傳統的信息安全是一種外掛式、被動式的防御，而現在具備了主動防御的能力。
二、智能工廠案例介紹
利時集團的典型客戶群涵蓋了煉化行業的中石油、中石化，化工行業的中化集團、東岳集團，電力行業的國家能源集團、國家電投等，以及食品醫藥行業和冶金建材行業，如圖9所示。和利時將持續致力于為客戶提供智能工廠的整體解決方案，為行業用戶的數字化轉型貢獻自己的力量。
圖9 和利時智能工廠典型用戶
*本文根據作者在2023國家工業軟件大會上所作報告速記整理而成
