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引領過程工業(yè)4.0

西門子一體化工程到一體化運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景著實令人激動。消費者根據(jù)個性化需求下單訂購不同配置的產(chǎn)品，同一條流水線可自動裝配不同元件，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。

然而這些美妙的場景似乎只能出現(xiàn)在汽車、機械、家電等離散制造業(yè)中。醫(yī)藥、鋼鐵、化工等過程工業(yè)，因為工藝和產(chǎn)品的高度耦合，導致生產(chǎn)線的柔性很低。

如何在過程工業(yè)中構建面向“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。賽鼎是以工程設計與工程總承包為主的大型綜合性工程公司，也是中國煤化工行業(yè)最大的技術服務商。

站在中國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關口，為了積極支持客戶去應對愈發(fā)激烈的市場競爭，賽鼎主要面臨兩大挑戰(zhàn)：一是如何提升工程設計能力，幫助客戶高效運營工廠，降低運營成本并提高產(chǎn)品質(zhì)量；二是如何順應“綠色、環(huán)保”的大趨勢，幫助煤化工企業(yè)降低污染排放。

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

引領過程工業(yè)數(shù)字化

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

在離散制造中，原料物質(zhì)基本不會發(fā)生改變，只是物料形狀和組合的變化，工藝對產(chǎn)品質(zhì)量影響相對較小，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，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變化，這就導致工藝對產(chǎn)品質(zhì)量的影響非常大。

以賽鼎為河南義馬煤業(yè)集團設計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)控制的不同就會導致產(chǎn)品組成波動，可能合成預期產(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)品的高度耦合導致技術人員無法遍歷生產(chǎn)線上的所有要點，所以通過在關鍵要點采集數(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？如何利用數(shù)據(jù)來保證高效工程，以及節(jié)能、安全的工廠運行？

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

通過COMOS工廠工程設計和工廠管理軟件實現(xiàn)一體化工程設計，使用SIMATIC PCS 7集散控制系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)的高度自動化，通過SIMIT自動化及過程仿真系統(tǒng)實現(xiàn)虛擬工廠的仿真調(diào)試，借由COMOS Walkinside三維虛擬現(xiàn)實平臺實現(xiàn)3D沉浸式人員培訓，以及通過XHQ工廠智能營運及優(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及改進”的項目中，賽鼎作為EPC首先要考慮如何提升自身的工程設計能力，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問題。

首先在設計階段，賽鼎運用西門子COMOS軟件實現(xiàn)工廠的端對端工程設計，包括初步設計，乃至整個工廠的詳細設計，設計效率提升20%以上。

有了詳細設計文件，接下來就是工程實施。傳統(tǒng)做法是，工程師先從設計院拿到詳細設計文件，再進行讀取、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現(xiàn)“數(shù)字化交付”，設計數(shù)據(jù)直接應用于DCS工程階段。

COMOS作為設計平臺，里面含有設計的工藝信息、自動化信息、引表信息和控制信息，由信息生成的項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)時間縮短近1/4。雙向數(shù)據(jù)交換，同步變更信息，確保設計數(shù)據(jù)與自動化系統(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轉(zhuǎn)的關鍵一步。過去，工程師需要在硬件設備完善之后，前往現(xiàn)場完成軟件測試，保證編程邏輯沒有問題?，F(xiàn)在，有了自動化及過程仿真系統(tǒng)SIMIT，無需等待真實工廠建立，賽鼎的工程師只需坐在辦公室里就可以進行虛擬調(diào)試。SIMIT一方面可以虛擬測試和驗證COMOS系統(tǒng)的設計結果，另一方面可以仿真SIMATIC PCS 7全部的自動化對象。有了真實和虛擬世界的“數(shù)字化雙胞胎“，塞鼎得以大大節(jié)省調(diào)試時間，節(jié)約成本，也降低風險，并減少污染排放。

在煤化工行業(yè)，工廠開車、運行、停止和對特殊情況進行操作時一旦出現(xiàn)失誤，使得壓力劇增、設備泄露、設備故障等，都有可能導致有害氣體或有毒物質(zhì)泄露，從而造成嚴重的環(huán)境污染。而虛擬調(diào)試時，即便出現(xiàn)誤操作，軟件系統(tǒng)模型會出現(xiàn)異常，但不會產(chǎn)生任何實際危險。

另外，在實際工廠中，如果排放標準已依據(jù)環(huán)保局的標準進行設置，后續(xù)一旦要修改控制閥門等設備的參數(shù)，將可能導致實際對外排放的波動。而在虛擬工廠中，調(diào)節(jié)與排放相關的設備參數(shù)，將只會影響虛擬系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)模型。操作過程做到真正的*、*。

在操作員培訓方面，SIMIT也派上了大用場。在以往，只能由老師傅傳授經(jīng)驗，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，*掌握了知識技能以后，才真正上崗作業(yè)。

有時因為安全因素的考慮，操作員要避免進入危險區(qū)域查看設備，通過三維虛擬現(xiàn)實平臺Walkinside系統(tǒng)，可以在工廠建成之前預先設計巡檢路線，避開不便行走的路線，還可以進行緊急情況預案演練。Walkinside不但能展示設備，還能展示設備的運行狀態(tài)，可通過標簽將氣化爐的溫度、壓力、或是某根管道的流量標注出來。

一體化運維

工程只是“一次性買賣”，高效運營才能為客戶帶來高附加、可持續(xù)的價值。

在工廠建造初期，COMOS就能夠記錄設備、管道、儀表等采購信息，以及廠家信息和設備更換信息。而工廠正式運營時，PCS 7可生成反映生產(chǎn)狀況的實時數(shù)據(jù)。西門子將這兩個數(shù)據(jù)庫結合，使得任何一個設備的相關數(shù)據(jù)都能夠被及時查找，大大提升了客戶的運維效率。一旦某個設備出現(xiàn)問題，PCS 7立即發(fā)出報警信號，觸發(fā)COMOS，其運維界面上就會顯示問題，然后操作員按照預設流程即可進行維護，保證工廠可靠穩(wěn)定運行。

得益于一體化運維，賽鼎可以實時獲取設備運行數(shù)據(jù)，通過與歷史數(shù)據(jù)和設計數(shù)據(jù)對比分析，不斷改進優(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)在客戶工廠運行的氣化爐的狀態(tài)，進而對設備進行持續(xù)監(jiān)測和優(yōu)化。每臺氣化爐分布在不同的省市，表現(xiàn)不一，如何分辨到底是設備本身的設計問題還是業(yè)主的操作問題呢？

西門子的XHQ智能運營平臺提供了強大的數(shù)據(jù)接口，可以同常用的數(shù)據(jù)庫和傳統(tǒng)文件系統(tǒng)進行交互，比如DCS數(shù)據(jù)庫中的工廠運行數(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)和財務信息。XHQ整合和分析所有運行和業(yè)務數(shù)據(jù)，從更深層次挖掘工廠運營狀態(tài)，輔助管理層進行決策。

賽鼎總經(jīng)理張慶庚對與西門子的合作給予了高度評價：“我們的目標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一步提升工程效率、運營效率、降低運營成本、提高質(zhì)量。與西門子建立戰(zhàn)略合作關系是我們實現(xiàn)這一目標的*步。不論從當前還是長遠來看，這對賽鼎、西門子，更重要的是對我們的客戶來說都是真正的雙贏。”