工業互聯網與化學工業變革—對“智慧工廠”技術的調查研究

劉一冰，蔡昊鴻，張天浩，蘇詠志，董 陳，來晨雨，王福瑩，杜邦堯，李紅海

(1.青島科技大學 化工學院，山東 青島 266042；2.青島科技大學 海洋科學與生物工程學院，山東 青島 266042； 3.青島科技大學 中德工程學院，山東 青島 266042)

1 “智慧工廠” 相關技術

在這個各行各業飛速發展的時代，無論是傳統行業還是新興產業都面臨著各種各樣的挑戰。在互聯網云數據平臺支持的大背景下，進行體制內外的深入改革已經成了相關產業良性發展的必然選擇，特別是實體經濟需要借助互聯網才得到更好更快地發展的今天。作為國民產業支柱-化學工業，在其生產、管理、銷售上含有大量未被挖掘的數據。如何利用好這些數據，從而使化工產業走向信息化、自動化和平臺化已經成為行業面臨的重要問題，正在逐步發展的“智能工廠”技術為實現其智能化提供了強有力的支持，在目前以及未來都會對化工行業產生不可估量的效應[1-2]。智能工廠是在數字化工廠的基礎上，輔以相關的互聯網技術，提高生產過程可控性、減少生產線人工干預，并通過數據搜集、處理和應用使其在生產、管理和銷售上建立一個在工廠內部可實現數據共享的云數據平臺。在當下信息化快速發展的時代，智慧工廠已然成為時代的必然產物[3]。作為新時代的化工專業大學生，在所學化工專業知識的基礎上，在國家相關政策的影響下，我們需要建立對“中國制造2025”、“工業4.0”和“智慧工廠”等發展戰略的強烈認同感[4]。另外，作為高校的在校學生，應該深入到生產一線，在生產現場將所學的課本知識運用到未來工廠的建設中發揮創新性思維，也是我們的調研目的之一。調研小組在本次項目的調研學習過程中，不僅認識到化學工業未來應以信息化與工業化深度融合為主線，要加快推進以數字化、網絡化和智能化為核心的技術改造，努力建設軟件定義優先的“智慧工廠”新技術，更重要的是身處化工學習起點的我們在將來應對“工業互聯網”技術的發展上貢獻自己的所學和認知，將智能、安全和綠色的化工產業新業態展現在世界面前[5-7]。

2 深入調研“智慧工廠”

2.1 青島某外資化學股份有限公司

“智慧工廠”生產過程分為兩個廠區，一是單體制造部，二是混晶制造部。單體制造部的功能主要為生產液晶單體，而混晶制造部的主要功能為將液晶單體材料經過一定混合成為混晶后分放到相關旗下公司進行后續工作，進而形成一條原料供應鏈，它屬于小型的精細化工產業。在生產操作上，中控室采用自動化控制PCL系統。但是由于精細化工生產的規模比較小，在閥門的開度、原料的進料和取樣檢測等方面基本都為人工操作，且出現故障后，需相關人員到現場進行調控。

此外，公司運用“SPC管理法”，對產品及生產管理過程進行有效控制，達到“引導過程改進、預先控制”的目的，從而提升了公司的品質管理水平。其流程由相關負責人制定控制項目并進行統計，對出現異常情況進行原因分析及改善，然后由生產檢驗人員負責收集填寫相關數據，最后由質量管理部負責管理所有統計，定期組織評審會議，對異常情況改善進行跟蹤。

令人印象深刻的特別之處是，該企業強調綠色環保，在處理“三廢”的管理上，其標準高于國家標準。在員工管理方面采用績效考核KPI以及倒班和常白班混合的方式來提高生產過程可控性、減少生產線人工干預，以及合理計劃安排，實現靈活和柔性的工廠生產組織，使工廠生產模式向規模化定制生產轉變，滿足用戶定制需求。

2.2 青島某煉油有限責任公司

該煉油公司的自動化程度在國內的水平屬于頂尖，據訪談，該人員數量已經縮減到最小，且產量已經達到該生產規模下的最大值。“智慧工廠”生產方面主要是LIMS輸入系統上傳相關生產數據。在儀器管理方面，操作人員可以在數據庫中查詢之前通過手動錄入的數據信息。在質檢質控方面，科室負責人通過LIMS系統進行樣品質量和儀器設備的審批，便于質檢員在其賬戶界面可查收相關任務。在數據處理及應用中，DCS集散控制系統發揮重要作用，平均每十秒鐘進行一次數據更新，采用三維計算機輔助設計、有限元分析、計算機輔助工藝規劃、設計和工藝路線仿真和可靠性評價等先進技術，對工廠總體設計和工藝流程等均建立系統模型，并建立虛擬工廠進行模擬，相關數據進入企業核心數據庫，實現虛擬工廠與現實工廠的同步[7]。

“智慧工廠”技術在外操生產的管理方面基于防爆智能巡檢的使用。巡檢儀支持4G通訊、電話、SOS緊急報警和拍照等功能，同時支持WiFi和藍牙等無線通訊功能，通過記錄測量數據進一步跟蹤機器狀態。當發現設備異常時，可以對機器故障進行診斷，滿足復雜環境下的應用需求。此外，設備采集到的數據可通過工業WIFI上傳至企業數據庫中，相關數據庫可以根據智能終端采集的數據進行分析，從而判斷現場設備的運行狀況并傳送到中央控制室。

2.3 青島某化學有限責任公司

“智慧工廠”生產過程是通過嵌入射頻識別、條碼識別、視覺檢測技術和激光傳感器等無線感知技術、視覺環境感知和閉環控制等全方位智能控制技術，使生產裝備具有自感知、自診斷、自適應和自決策等能力，來實現工廠內部整套工業設備、工藝流程與移動操作終端等有機結合[7]。

“智慧工廠”管理方面在辦公管理互聯網上通過SAP系統進行實時自動數據采集，消除數據采集滯后性。此外,“智慧工廠”企業移動生產管理系統也是該企業實現建設智能工廠的必要條件。操作人員通過使用手持智能防爆終端可以進行現場檢測，輔以固定PC進行系統參數設定和儲存等操作， 最后上傳至云數據平臺，并與企業資源計劃管理系統(ERP)、產品數據庫管理(PDM)和產品全生命周期管理(PLM)等進行集成，從而實現生產、設備、銷售的智能一體化。

此外，相關負責人認為“智慧工廠”一定是化學工業的行業發展趨勢。智能化工廠作為一個框架，從上到下采用各種網絡連起來，包括人與人、物與物都可以關聯起來，形成智能網絡，基層的所有設備也需要相連，且生產操作都已經比較成熟，實現完全智能化并不是一件難事。

2.4 青島某海洋生物有限責任集團

“智慧工廠”生產營銷方面是建立產業發展體系，需要建立包括產品體系與服務體系在內的兩大方面。調研小組只在基礎車間“一膠車間”中參觀，該車間內DSC控制系統的應用還不夠成熟，也就是說還未實現完全的智能化。因為該公司生產產品數額較小，原料較為單一，相關化工工藝流程也并不繁瑣，所以目前的智能化程度可以滿足生產需求。

該公司基于新興產業的發展需要，注重新產品的包裝和海洋文化的建設。由于消費者對產品附加屬性有著越來越高的追求，而不再僅僅滿足于產品的實用性本身，主打產品的原生態和環保需求，用文化的背景來推動產品迭代。這樣的營銷模式不僅可以直接收集產品銷售數據，用以指導生產工藝的改進和生產計劃的制定，更可以通過分析消費者的使用反饋，對產品的品質控制和銷售渠道不斷地提出新的要求。

“智慧工廠”技術市場服務是該公司為不斷變化的市場提供服務，幫助消費者滿足對市場和生活品質不斷提高的需求。該公司從開發海洋生物資源的企業發展成為綜合性集團。實施大服務產業戰略，通過打造海洋生活體驗館和網絡銷售產品，線上、線下同時發展，體驗與產品相互補充，定制個性化醫療保健產品與普通原料相結合，開展科普展覽、會議培訓、成果展示等活動，從而有效擴大客戶范圍，收集更多有效信息，為產品升級和下一步擴大營銷提供良好啟動點，形成良性循環。

2.5 青島某精細化工有限責任公司

“智慧工廠”生產技術方面首先構建車間的全周期信息數據鏈，通過大數據等技術虛擬化實現智能機器、存儲器和生產設施之間相互獨立的交換信息。配置符合設計要求的數據采集和分析技術，用來自動采集生產和檢測等相關數據，進一步充分采集、現場操作、質量檢驗和設備狀態等生產現場信息，再以車間工業移動通信網絡為基礎，通過相關軟件，促進設備之間、設備與智能控制平臺之間、企業上下級部門之間的實時連接和智能交互。通過建設云制造平臺、能源管理平臺、智能故障診斷平臺等，無縫集成與優化企業的虛擬設計，使工業產品生產、管理和銷售信息能夠形成資源共享的數據鏈，從而建立產品研發創新平臺和網絡營銷服務平臺，來實現產品的全生命周期管理。

“智慧工廠”管理技術方面，該公司的企業資源計劃管理系統ERP系統是信息技術與互聯網技術相結合的產物，是SAP系統的執行軟件，是領導者、管理者和技術生產人員都必須掌握的并應用于公司管理的技術。該系統的引入很好的解決了原料從采購、使用到出廠等環節，在擴展產業鏈條的同時實現了信息的高度融合，而且通過大數據等技術虛擬化達到了智能終端、存儲器和生產設施之間相互獨立的交換信息的目的。在供應鏈管理中實現原材料和產品配送的管理與優化，以實現工業控制系統(ICS)、制造執行系統(MES)與企業資源計劃管理系統(ERP)的無縫集成，最終使工廠能夠實現基于生產和辦公的信息共享及優化管理[7]。

3 “智慧工廠”技術的前景展望

經過以上企業的交叉對比，由于企業制度和生產產品的不同，所采用的營銷模式有一定的區別。大型國有企業利用體制內優勢擴大銷售渠道，將提高生產規模和市場占有率作為核心競爭力，結合交通、采購和銷售等多方面的政策利好，完善企業經營模式。精細化工企業利用便捷的信息獲取途徑和精準的市場需求感知，在精細化工產品產量低和附加值高的背景下，利用互聯網技術對生產過程中的物料使用和產品出廠等步驟進行嚴格把控，減少產品流通環節，是現代工業中的“精耕細作”模式。海洋化工企業發掘海洋的文化屬性，以原生和健康的產品理念為依托，拓展產業廣度，同時直接與消費者市場對接，降低銷售成本，不僅能直接收集消費者的反饋，更能樹立良好的企業形象，提升品牌價值。

另外，在“智慧工廠”技術的未來應用之路上，國家應繼續緊抓“化學工業4.0”行業變革，順應“互聯網+”發展趨勢，樹立開源開放和創新共贏的互聯網思維，以信息化與工業化深度融合為主線，加快推進智能化為核心的技術改造，努力建設相關行業的智能工廠，同時促進傳統產業轉型升級，著眼增量調優，大力培育基于工業互聯網的行業智能化新模式，加快構筑以互聯網平臺為支撐的新型產業體系。

4 結語

“化夢工成”團隊通過對幾家工廠的深入調研，了解到我國現下的化工廠大多已經具備了“智慧工廠”的雛形，并且正在蓬勃發展中。在未來的發展中，企業以智能制造為主攻方向，促進信息技術與制造技術的深度融合，推動兩化(信息化和工業化)融合。實現“智能工廠”技術的目標還有很長的路要走，在國家大力倡導“兩化融合”、青島市鼓勵發展“互聯網工業”的大背景下，選擇以信息化帶動工業化、以工業化促進信息化的企業生產模式，追求可持續發展的新型工業化模式，為企業注入生長活力的良方。