一、企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用總體架構

圖1 總體架構圖

1.設備層級（裝備智能化）

包括裝置智能化和生產(chǎn)裝置示范。裝置智能化包括：智能傳感儀器、智能檢測儀器、智能識別儀器、智能發(fā)貨裝置、智能傳輸裝置等；對應的控制系統(tǒng)為可編程邏輯控制器系統(tǒng)（programmable logic controller，PLC）、設備儀表計劃信息數(shù)據(jù)庫（plant information system，PIS）。

2.生產(chǎn)線層級（生產(chǎn)過程智能優(yōu)化與控制）

各產(chǎn)品自動化生產(chǎn)線。生產(chǎn)線對應的控制系統(tǒng)為分布式控制系統(tǒng)DCS（distributed control system）、過程控制系統(tǒng)（process control system，PCS）。生產(chǎn)過程智能優(yōu)化與控制包括：生產(chǎn)過程先進控制與優(yōu)化、動力系統(tǒng)蒸汽仿真優(yōu)化、工藝氣系統(tǒng)計劃優(yōu)化、裝置控制性能優(yōu)化等。生產(chǎn)優(yōu)化與控制對應的系統(tǒng)為實時優(yōu)化（real time optimization，RTO）、先進過程控制（advanced process control，APC）。

3.車間層級（數(shù)字化車間）

應急指揮與聯(lián)動中心、生產(chǎn)現(xiàn)場智能巡檢、氣體泄漏檢測與修復、生產(chǎn)實時在線監(jiān)控。車間層級對應的系統(tǒng)為制造執(zhí)行系統(tǒng)（manufacturing execution system，MES）。

4.工廠層級（智能化管理）

全廠視頻監(jiān)控管理、智能發(fā)貨物流管理、WEB GIS管理等。工廠層級對應的系統(tǒng)為實驗室信息管理系統(tǒng)（laboratory information management system，LIMS）、企業(yè)資源規(guī)劃（enterprise resource planning，ERP）。

5.決策分析層（智慧化決策）

云計算、云中心、O2O智能云服務。決策層級對應的系統(tǒng)為商務智能（business intelligence，BI）系統(tǒng)。

二、 物聯(lián)網(wǎng)應用層次結構

1.設備層級物聯(lián)網(wǎng)應用

（1）智能傳感儀器；

（2）智能檢測儀器；

（3）智能儀表；

（4）氣體智能探測器。

2.產(chǎn)線層級物聯(lián)網(wǎng)應用

（1）裝置控制性能優(yōu)化；

（2）工藝氣系統(tǒng)計劃優(yōu)化。

我們以能化利潤最優(yōu)為目標，采用混合整數(shù)規(guī)劃及非線性數(shù)據(jù)遞歸方法，開發(fā)能化企業(yè)煤化工總體效益優(yōu)化的模型，對每個生產(chǎn)方案的產(chǎn)品主要性質指標、生產(chǎn)流程、產(chǎn)品調和及對整個生產(chǎn)過程中的成品、半成品的成本、費用情況進行詳細分析計算，以指導煤選購、生產(chǎn)操作等。系統(tǒng)可用于企業(yè)的短期計劃或長期戰(zhàn)略規(guī)劃，如原料選擇、產(chǎn)品調合優(yōu)化、生產(chǎn)計劃、投資計劃、庫存和供應管理、技術評價、確定裝置的規(guī)模或擴建研究、投資研究等方面，建立最佳生產(chǎn)運行方案，準確為生產(chǎn)經(jīng)營提供采購、銷售、裝置運行、操作條件等最佳決策，使企業(yè)的經(jīng)濟效益達到最大化。由計劃優(yōu)化系統(tǒng)產(chǎn)生的結果將輸入到MES系統(tǒng)的生產(chǎn)計劃模塊，為企業(yè)排產(chǎn)提供數(shù)據(jù)依據(jù)，同時也可上傳的企業(yè)SAP PP（production planning）模塊。生產(chǎn)計劃優(yōu)化系統(tǒng)功能如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)計劃優(yōu)化系統(tǒng)功能

依據(jù)企業(yè)生產(chǎn)計劃，根據(jù)工廠模型和約束條件，采用線性規(guī)劃等數(shù)學方法，建立計劃排產(chǎn)模型，進行自動排產(chǎn)，制定并優(yōu)化年、季、月、旬或更短周期生產(chǎn)計劃。依據(jù)各裝置產(chǎn)能和各產(chǎn)品效益，結合生產(chǎn)實際情況和化工產(chǎn)品市場動態(tài)，快速準確地編制出月度、季度和年度生產(chǎn)計劃，實現(xiàn)計劃的快速調整和執(zhí)行結果的跟蹤和分析。生產(chǎn)調度與其他生產(chǎn)管理人員可以通過生產(chǎn)計劃查詢模塊完成生產(chǎn)計劃的查詢和下載，并可以參看計劃的調整情況。

運用大數(shù)據(jù)建模技術根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，指導企業(yè)運用先進控制技術以及實時優(yōu)化（簡稱APC/RTO），由原來的常規(guī)控制過渡到多變量大數(shù)據(jù)模型預估控制，使工藝生產(chǎn)控制更加合理、優(yōu)化。APC/RTO采用科學、先進的控制理論和控制方法，以工藝過程分析和數(shù)學模型計算為核心，以工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺為工具，以工廠控制網(wǎng)絡和管理網(wǎng)絡為信息載體，充分發(fā)揮DCS和常規(guī)控制系統(tǒng)的潛力，保障生產(chǎn)裝置始終運轉在最佳狀態(tài)，通過多變量協(xié)調和約束控制,提高裝置收率和降低能耗，實現(xiàn)卡邊操作，以獲取最大的經(jīng)濟利益。

3.車間層級物聯(lián)網(wǎng)應用

（1）車間生產(chǎn)實時在線監(jiān)控；

（2）生產(chǎn)現(xiàn)場智能巡檢（圖3）；

（3）氣體泄漏檢測與修復。

圖3 現(xiàn)場巡檢系統(tǒng)系統(tǒng)構成圖

4.工廠層級物聯(lián)網(wǎng)應用

企業(yè)一體化綜合管控平臺系統(tǒng)架構如表1所示。

表1 系統(tǒng)架構

（1）應急指揮與聯(lián)動中心。應急指揮與聯(lián)動中心，集成了生產(chǎn)、安全、績效、企業(yè)文化等信息，為企業(yè)提供安全生產(chǎn)指揮和應急處置服務，實現(xiàn)“精準調度、快速處置、平戰(zhàn)結合、以防為主、措施到位、迅速有效”的目標，縱向構建工廠-公司-政府三級應急管理體系；橫向實現(xiàn)企業(yè)安全生產(chǎn)、公安、消防、電力、交通、醫(yī)療、氣防、環(huán)保、防汛、防臺和園區(qū)內生命線工程搶險等聯(lián)動。

（2）大數(shù)據(jù)云服務中心：通過基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術，建立一個基于O2O的智能服務云平臺，在平臺上安裝各種應用系統(tǒng)，實現(xiàn)線下的知識管理共享服務和線上的實時協(xié)同專家指導。利用實時數(shù)據(jù)庫技術，采集裝置生產(chǎn)過程和設備關鍵信息，讓企業(yè)業(yè)務人員能實時監(jiān)視生產(chǎn)裝置和設備的運行，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程和設備問題、及時提出改進建議，從而幫助化工企業(yè)用“互聯(lián)網(wǎng)+”的方式改變管理模式，提高企業(yè)生產(chǎn)力和競爭力。生產(chǎn)過程和設備信息云采集如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)過程和設備信息云采集

（3）服務云資源：一個核心平臺、三個服務中心——云服務基礎平臺，云服務管理中心、云服務安全中心、云服務運營中心，其技術構成如下：

互聯(lián)網(wǎng)、虛擬化和分布計算的IT基礎架構；

高效節(jié)能數(shù)據(jù)中心基礎設施；

基于ITIL（information technology infrastructure library）業(yè)務管理；

端到端自動化管理；

全面安全保障；

業(yè)務連續(xù)管理和災難恢復。

三、 關鍵核心技術

1.數(shù)據(jù)采集與分析技術

數(shù)據(jù)采集與分析技術貫穿整個企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用體系，其平臺包含從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理到數(shù)據(jù)分析整個流程。從設備層級采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)存儲、處理、分析，在生產(chǎn)線層級、車間層級、工廠層級提供狀態(tài)感知、預測分析等功能，為各層級功能實現(xiàn)提供了支撐。

工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺的服務器與工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫在同一網(wǎng)絡。在服務器上運行Server，通過Web Server實現(xiàn)信息發(fā)布。

工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)需要整合多種網(wǎng)絡技術和通訊協(xié)議，將數(shù)據(jù)通過大數(shù)據(jù)工具采用抽取、清洗、轉換、匯總等技術統(tǒng)一整合到云計算中心的服務器上。在企業(yè)現(xiàn)有的業(yè)務平臺基礎上中，利用大數(shù)據(jù)工具技術，對產(chǎn)業(yè)園區(qū)、企業(yè)內部的各個功能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中抽取、清洗、轉換、匯總企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)、供應鏈數(shù)據(jù)、設備運行數(shù)據(jù)、跨企業(yè)跨區(qū)域的協(xié)作數(shù)據(jù)、市場研究數(shù)據(jù)等。通過運用大數(shù)據(jù)的相關技術進行跨地域、大數(shù)據(jù)量采集。

對以上數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)資源進行云存儲，平臺存儲數(shù)據(jù)主要包括結構化數(shù)據(jù)和非結構化數(shù)據(jù)，針對兩種數(shù)據(jù)的特點采用兩種存儲模式來提供高效的數(shù)據(jù)存儲。

對結構化數(shù)據(jù)采用FC-SAN（fibre channel - storage area network）存儲模式：所有服務器通過FC網(wǎng)絡連接到FC存儲系統(tǒng)，F(xiàn)C存儲系統(tǒng)向所有服務器提供塊設備級共享存儲系統(tǒng)。同時為了保證系統(tǒng)的可靠性，存儲網(wǎng)（FC網(wǎng)絡）采用雙路徑設計，如圖5所示。

圖5 采用FC存儲模式的業(yè)務區(qū)域

對非結構化大數(shù)據(jù)采用并行存儲模式：采用大容量存儲服務器，通過并行存儲區(qū)的匯聚交換機萬兆上鏈至核心交換機，實現(xiàn)與業(yè)務網(wǎng)段的互聯(lián)互通，供各個業(yè)務分區(qū)訪問。并行存儲系統(tǒng)對外提供萬兆以太網(wǎng)接口，用于存儲訪問。并行存儲系統(tǒng)可以通過萬兆上聯(lián)的方式連接到業(yè)務網(wǎng)核心交換機，服務器通過業(yè)務網(wǎng)絡，以NFS（network file system）、CIFS（common internet file system）、私有協(xié)議的方式訪問并行存儲系統(tǒng)。并行存儲系統(tǒng)向所有服務器提供文件級高性能共享存儲系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 采用并行存儲模式的業(yè)務區(qū)域

2.基于物聯(lián)網(wǎng)的先進優(yōu)化與控制技術

基于物聯(lián)網(wǎng)的先進優(yōu)化和控制技術包含生產(chǎn)過程先進控制與優(yōu)化、裝置控制性能優(yōu)化、氣體泄漏檢測與智能修復三部分。生產(chǎn)過程先進控制與優(yōu)化以甲醇精餾系統(tǒng)為案例，提出了優(yōu)化策略和控制方法；裝置控制性能優(yōu)化為生產(chǎn)裝置提供性能監(jiān)控、回路整定、性能分析功能；氣體泄漏檢測與智能修復針對能源化工企業(yè)易發(fā)生氣體泄漏問題的特點，提出了包含傳感器、檢測儀器、后臺分析軟件的一整套解決方案。

（1）生產(chǎn)過程先進控制與優(yōu)化；

（2）裝置控制性能優(yōu)化；

（3）氣體泄漏檢測與智能修復。

3.信息系統(tǒng)高效協(xié)作與集成技術

信息系統(tǒng)高效協(xié)作和集成技術使LIMS和MES與ERP得以集成與數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)實現(xiàn)檢驗業(yè)務程序化管理，實驗室分析儀器數(shù)據(jù)的自動采集，實驗室各種資源如人、機、料、法、環(huán)的全面綜合管理，質量數(shù)據(jù)的及時發(fā)布和共享、集中查詢和統(tǒng)計。

MES系統(tǒng)是各級單位實現(xiàn)生產(chǎn)管理相關的各業(yè)務流程的信息化管理，通過工廠模型優(yōu)選、生產(chǎn)可視、信息數(shù)字化、生產(chǎn)自動化，實現(xiàn)生產(chǎn)運營及各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的動態(tài)閉環(huán)管理，最終達到最優(yōu)化生產(chǎn)的目標。通過采用集成化、標準化的MES系統(tǒng)，企業(yè)各級管理人員了解、監(jiān)督、管理并優(yōu)化生產(chǎn)運行，改善生產(chǎn)執(zhí)行層的信息交流以及工作效率，降低制造成本，快速地應對市場的變化。

基于企業(yè)MES系統(tǒng)建設藍圖，系統(tǒng)技術架構支撐企業(yè)的MES系統(tǒng)的深化和擴展應用，實現(xiàn)各個系統(tǒng)的集成應用。

MES系統(tǒng)則以操作流為核心，關注物料在實際生產(chǎn)操作中的流動關系，即操作流、物流、信息流的“三流合一”。MES系統(tǒng)作為基礎生產(chǎn)信息平臺，涵蓋生產(chǎn)運營管理中的各個中間過程，從原料的進廠到生產(chǎn)裝置生產(chǎn)、直到產(chǎn)品出廠，通過MES信息平臺可以清晰的看到企業(yè)在采購、生產(chǎn)、銷售、庫存，所有物料流動的全過程，并以“日平衡、旬確認、月結算”為追求目標，每日平衡對照生產(chǎn)作業(yè)計劃，每旬平衡微調生產(chǎn)計劃，每月結算平衡數(shù)據(jù)支撐ERP系統(tǒng)。

通過MES系統(tǒng)實施，建立了企業(yè)核心數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)一了業(yè)務操作平臺，統(tǒng)一了數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)編碼，保證了業(yè)務數(shù)據(jù)的一致性，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，提高了不同部門間的協(xié)同工作效率，使生產(chǎn)管理部門從繁重的數(shù)據(jù)收集工作中脫離出來，走向數(shù)據(jù)分析和深層次管理，為領導層的經(jīng)營決策提供了及時、真實的參考依據(jù)。節(jié)省大量的人工數(shù)據(jù)收集工作的勞動成本，提高了勞動效率。實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)調度與統(tǒng)計數(shù)據(jù)的一致性，提升生產(chǎn)數(shù)據(jù)的及時性、準確性和完整性，規(guī)范企業(yè)的生產(chǎn)業(yè)務流程，提高生產(chǎn)管理效率，實現(xiàn)了生產(chǎn)調度協(xié)同指揮，實現(xiàn)“日平衡、旬確認、月結算”，通過跟蹤物流，發(fā)現(xiàn)問題，提升了企業(yè)精細化管理水平，掌握生產(chǎn)過程損失情況，降低加工損失率，提高綜合商品率，為企業(yè)節(jié)能降耗提供了數(shù)據(jù)支持，促進了生產(chǎn)經(jīng)營管理決策和專業(yè)化重組。MES系統(tǒng)業(yè)務流程如圖7所示。

圖7 MES系統(tǒng)業(yè)務流程

LIMS是通過計算機對實驗室人（人員）、機（儀器）、料（樣品、材料）、法（方法、質量）、環(huán)（環(huán)境、通訊）全面綜合管理的計算機應用系統(tǒng)，是一套完整的實驗室管理和產(chǎn)品質量監(jiān)控體系，既能滿足日常生產(chǎn)的質量管控的要求，又能監(jiān)督實驗室按照標準ISO17025高效運行，其架構如圖8所示。

圖8 LIMS架構

4.虛擬及云化技術

企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運用虛擬及云化技術為大數(shù)據(jù)云服務中心提供基礎支撐，具體以云計算和云中心分別提供軟件支撐和硬件支撐。

企業(yè)利用云計算技術，建立云計算中心，重構企業(yè)IT支撐架構，整合IT資源，提高IT資源的利用率，降低IT資源消耗，提升運營效率，提高信息安全，實現(xiàn)集中統(tǒng)一管理；提供信息基礎設施、數(shù)據(jù)存儲、信息處理和應用軟件等業(yè)務的云服務，增強服務的靈活性、多樣性和新穎性，形成“大平臺、大服務”的經(jīng)營理念和模式。

四、效益分析

1.經(jīng)濟效益

（1）有效提升生產(chǎn)安全管理水平。物聯(lián)網(wǎng)技術提升現(xiàn)場感知能力，設備和系統(tǒng)的集成和協(xié)同有助于及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，實現(xiàn)智能聯(lián)動和有效預警。

（2）有效提高生產(chǎn)設備管理水平，實時掌握生產(chǎn)裝置和設備運行狀態(tài)，優(yōu)化操作，有效避免過度維修，大大降低生產(chǎn)運行和維護成本。

（3）有效提升在生產(chǎn)工藝診斷、設備狀態(tài)監(jiān)測與診斷等方面的技術能力，通過云平臺有助于生產(chǎn)經(jīng)驗知識的積累和生產(chǎn)服務的深度運用。

（4）有效提升企業(yè)精細化管理水平，掌握生產(chǎn)過程資源消耗和現(xiàn)場生產(chǎn)情況，結合市場價格動態(tài)數(shù)據(jù)，科學優(yōu)化排產(chǎn)，降低加工損失率，提高綜合產(chǎn)品能力。

（5）經(jīng)濟利益：

裝置處理量增加10%～15%；

能耗可降低10%～15%；

運行維護成本降低15%～20%。

2.社會效益

（1）國家發(fā)展和政策支持：智能制造是當前和今后一個時期推進兩化深度融合的核心目標，是建立國家制造業(yè)創(chuàng)新體系的關鍵。

（2）企業(yè)產(chǎn)業(yè)轉型升級要求：

探索工業(yè)4.0應用的智能型生產(chǎn)的創(chuàng)新模式，促進產(chǎn)業(yè)轉型升級；

建設綠色環(huán)保型企業(yè)。

（3）企業(yè)生產(chǎn)和管理提升要求：

以生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)智能化為支撐，有效縮短產(chǎn)品研制周期、降本增效、降低資源能源消耗；

為提高企業(yè)內控及管理水平以及支持企業(yè)新的發(fā)展戰(zhàn)略提出的需求。