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流程工业迈向智能制造时代

流程工业主要包括石油、化工、钢铁、有色、建材等基础原材料行业,是国民经济的支柱和基础产业,也是我国经济持续增长的重要支撑力量。

经过数十年发展,我国流程工业产业结构逐步优化,关键技术不断取得突破,已发展成为世界规模最大的流程工业制造国家。然而在流程工业生产制造总体效能上仍与国际先进水平存在差距,体现在资源和能源的利用效率亟需提升、安全和环保问题日益突出等。如何积极应对全球化制造新形势带来的机遇和挑战,有效利用现代信息技术,解决目前流程工业在经营决策层面、生产运行层面、能效安环层面以及信息集成层面存在的瓶颈问题,推进以高效化、绿色化和智能化制造为目标的流程工业稳步发展,实现全局生产、管理以及营销模式的变革,是流程工业实现高端制造的关键所在。

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当今时代,信息化与工业化呈现加速融合趋势,为实现“新工业革命”时代下制造业模式创新与企业变革,我国提出了“中国制造2025”战略,并提出了“创新、协调、绿色、开发和共享发展”理念。为解决资源、能源与环保的约束问题,提高生产制造水平和效能,流程工业必须贯彻“中国制造2025”发展战略,利用现代信息技术,以企业生产全局及经营全过程的高效化与绿色化为目标,从工艺流程优化和生产、管理以及营销模式的变革出发,推进智能优化制造、绿色制造和高端制造,这对促进中国制造业,特别是流程工业提质增效、转型发展具有重大意义。

近年来,以石化、钢铁产业为代表的流程制造行业,急需产业转型发展的新动能,现有的制造模式存在一些亟待解决的难题,主要是资金流、物质流、能量流和信息流的集成和高效调控,其分别对应信息感知、管理决策、生产运行、能效安环等实际运行层面。

针对流程工业智能优化制造存在的难点和问题,应当重点依托信息物理系统,从以下四个层面入手,解决和突破相关基础理论与关键技术。

首先是在信息感知层面。流程工业企业生产过程优化调控和经营管理优化决策需要大量的实时信息,目前面临的难点就是如何实现从原料供应、生产运行到产品销售全流程与全生命周期资源属性和特殊参量的快速获取与信息集成。因此,原材料与产品属性的快速检测、物流流通轨迹的监测以及部分关键过程参量的在线检测是实现流程工业智能优化制造的前提和基础。

其次是在管理决策层面。核心是要解决如何深度融合市场和装置运行特性知识进行管理模式的变革。由于企业生产计划的不确定因素众多,原料采购价格和市场需求多变,给企业生产运行和经营管理的决策带来难题。同时目前企业的原料采购与装置运行特性关联度不高、产品生产与市场需求脱节。因此,以大数据、知识型工作自动化为代表的现代信息技术为制造过程计划和管理的优化决策带来了契机。

第三是在生产运行层面。流程工业制造过程通常采用由经济优化层、计划调度层、先进控制层、基础控制层等不同功能层组成的分层递阶结构,虽然解决了部分产销、管控衔接等关键技术难题,然而现有分层模式进行操作优化的前提是“稳态假设”,如何根据实际过程的动态实时运行情况,从全局出发协调系统各部分的操作,成为生产过程优化调控的核心。解决该问题,需要将物质转化机理与装置运行信息进行深度融合,建立过程价值链的表征关系,实现生产过程全流程的协同控制与优化。

最后是在能效安环层面。流程工业产生大量化学污染物,以废水、废气、废渣甚至危化品等形式排放到环境中,然而,目前中国在危化品监管方面的措施落实不到位,导致危化品事故频发,其核心就是缺乏生产制造全生命周期安全环境足迹监控与风险控制的手段。鉴于此,如何通过传感、检测、控制以及溯源分析等新方法和新技术,突破流程工业安全环境足迹监控与溯源分析及控制的基础理论与关键技术,是实现绿色制造的迫切需求。

流程工业智能优化制造最终要在工程技术层面实现“四化”,即数字化、智能化、网络化和自动化。同时,在企业生产制造层面也要实现“四化”,即敏捷化、高效化、绿色化和安全化。鉴于此,我们提出流程工业智能优化制造的愿景目标是:在已有的物理制造系统基础上,充分融合人的知识,应用大数据、云计算、(移动)网络通讯和人机交互的知识型工作自动化以及虚拟制造等现代信息技术,从生产、管理以及营销全过程优化出发,推进以高效化、绿色化和智能化为目标的流程工业智能优化制造,不仅要实现制造过程的装备智能化,而且制造流程、操作方式、管理模式也实现自适应智能优化,使得企业经济效益和社会效益最大化。

综上,通过信息化和工业化深度融合实现流程工业智能优化制造仍存在着许多难题,无论是从基础理论上还是工程实践中都有很多难关需要一一克服。同时也应看到,智能优化制造对于流程工业的转型发展具有重大意义。实现流程工业智能优化制造,不仅能够增加企业效益与社会效益,更能够提升整个行业的资源配置与运行效率,使我国在流程工业上赶超其他国家,提升国家的整体竞争力。流程工业的智能优化制造对于我国既是机遇,也是挑战,相信在国家政策支持下,通过行业努力发展,我国的流程工业将会顺利进入智能制造时代。

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