工业互联网与化学工业变革—对“智慧工厂”技术的调查研究

刘一冰，蔡昊鸿，张天浩，苏咏志，董 陈，来晨雨，王福莹，杜邦尧，李红海

(1.青岛科技大学 化工学院，山东 青岛 266042；2.青岛科技大学 海洋科学与生物工程学院，山东 青岛 266042； 3.青岛科技大学 中德工程学院，山东 青岛 266042)

1 “智慧工厂” 相关技术

在这个各行各业飞速发展的时代，无论是传统行业还是新兴产业都面临着各种各样的挑战。在互联网云数据平台支持的大背景下，进行体制内外的深入改革已经成了相关产业良性发展的必然选择，特别是实体经济需要借助互联网才得到更好更快地发展的今天。作为国民产业支柱-化学工业，在其生产、管理、销售上含有大量未被挖掘的数据。如何利用好这些数据，从而使化工产业走向信息化、自动化和平台化已经成为行业面临的重要问题，正在逐步发展的“智能工厂”技术为实现其智能化提供了强有力的支持，在目前以及未来都会对化工行业产生不可估量的效应[1-2]。智能工厂是在数字化工厂的基础上，辅以相关的互联网技术，提高生产过程可控性、减少生产线人工干预，并通过数据搜集、处理和应用使其在生产、管理和销售上建立一个在工厂内部可实现数据共享的云数据平台。在当下信息化快速发展的时代，智慧工厂已然成为时代的必然产物[3]。作为新时代的化工专业大学生，在所学化工专业知识的基础上，在国家相关政策的影响下，我们需要建立对“中国制造2025”、“工业4.0”和“智慧工厂”等发展战略的强烈认同感[4]。另外，作为高校的在校学生，应该深入到生产一线，在生产现场将所学的课本知识运用到未来工厂的建设中发挥创新性思维，也是我们的调研目的之一。调研小组在本次项目的调研学习过程中，不仅认识到化学工业未来应以信息化与工业化深度融合为主线，要加快推进以数字化、网络化和智能化为核心的技术改造，努力建设软件定义优先的“智慧工厂”新技术，更重要的是身处化工学习起点的我们在将来应对“工业互联网”技术的发展上贡献自己的所学和认知，将智能、安全和绿色的化工产业新业态展现在世界面前[5-7]。

2 深入调研“智慧工厂”

2.1 青岛某外资化学股份有限公司

“智慧工厂”生产过程分为两个厂区，一是单体制造部，二是混晶制造部。单体制造部的功能主要为生产液晶单体，而混晶制造部的主要功能为将液晶单体材料经过一定混合成为混晶后分放到相关旗下公司进行后续工作，进而形成一条原料供应链，它属于小型的精细化工产业。在生产操作上，中控室采用自动化控制PCL系统。但是由于精细化工生产的规模比较小，在阀门的开度、原料的进料和取样检测等方面基本都为人工操作，且出现故障后，需相关人员到现场进行调控。

此外，公司运用“SPC管理法”，对产品及生产管理过程进行有效控制，达到“引导过程改进、预先控制”的目的，从而提升了公司的品质管理水平。其流程由相关负责人制定控制项目并进行统计，对出现异常情况进行原因分析及改善，然后由生产检验人员负责收集填写相关数据，最后由质量管理部负责管理所有统计，定期组织评审会议，对异常情况改善进行跟踪。

令人印象深刻的特别之处是，该企业强调绿色环保，在处理“三废”的管理上，其标准高于国家标准。在员工管理方面采用绩效考核KPI以及倒班和常白班混合的方式来提高生产过程可控性、减少生产线人工干预，以及合理计划安排，实现灵活和柔性的工厂生产组织，使工厂生产模式向规模化定制生产转变，满足用户定制需求。

2.2 青岛某炼油有限责任公司

该炼油公司的自动化程度在国内的水平属于顶尖，据访谈，该人员数量已经缩减到最小，且产量已经达到该生产规模下的最大值。“智慧工厂”生产方面主要是LIMS输入系统上传相关生产数据。在仪器管理方面，操作人员可以在数据库中查询之前通过手动录入的数据信息。在质检质控方面，科室负责人通过LIMS系统进行样品质量和仪器设备的审批，便于质检员在其账户界面可查收相关任务。在数据处理及应用中，DCS集散控制系统发挥重要作用，平均每十秒钟进行一次数据更新，采用三维计算机辅助设计、有限元分析、计算机辅助工艺规划、设计和工艺路线仿真和可靠性评价等先进技术，对工厂总体设计和工艺流程等均建立系统模型，并建立虚拟工厂进行模拟，相关数据进入企业核心数据库，实现虚拟工厂与现实工厂的同步[7]。

“智慧工厂”技术在外操生产的管理方面基于防爆智能巡检的使用。巡检仪支持4G通讯、电话、SOS紧急报警和拍照等功能，同时支持WiFi和蓝牙等无线通讯功能，通过记录测量数据进一步跟踪机器状态。当发现设备异常时，可以对机器故障进行诊断，满足复杂环境下的应用需求。此外，设备采集到的数据可通过工业WIFI上传至企业数据库中，相关数据库可以根据智能终端采集的数据进行分析，从而判断现场设备的运行状况并传送到中央控制室。

2.3 青岛某化学有限责任公司

“智慧工厂”生产过程是通过嵌入射频识别、条码识别、视觉检测技术和激光传感器等无线感知技术、视觉环境感知和闭环控制等全方位智能控制技术，使生产装备具有自感知、自诊断、自适应和自决策等能力，来实现工厂内部整套工业设备、工艺流程与移动操作终端等有机结合[7]。

“智慧工厂”管理方面在办公管理互联网上通过SAP系统进行实时自动数据采集，消除数据采集滞后性。此外,“智慧工厂”企业移动生产管理系统也是该企业实现建设智能工厂的必要条件。操作人员通过使用手持智能防爆终端可以进行现场检测，辅以固定PC进行系统参数设定和储存等操作， 最后上传至云数据平台，并与企业资源计划管理系统(ERP)、产品数据库管理(PDM)和产品全生命周期管理(PLM)等进行集成，从而实现生产、设备、销售的智能一体化。

此外，相关负责人认为“智慧工厂”一定是化学工业的行业发展趋势。智能化工厂作为一个框架，从上到下采用各种网络连起来，包括人与人、物与物都可以关联起来，形成智能网络，基层的所有设备也需要相连，且生产操作都已经比较成熟，实现完全智能化并不是一件难事。

2.4 青岛某海洋生物有限责任集团

“智慧工厂”生产营销方面是建立产业发展体系，需要建立包括产品体系与服务体系在内的两大方面。调研小组只在基础车间“一胶车间”中参观，该车间内DSC控制系统的应用还不够成熟，也就是说还未实现完全的智能化。因为该公司生产产品数额较小，原料较为单一，相关化工工艺流程也并不繁琐，所以目前的智能化程度可以满足生产需求。

该公司基于新兴产业的发展需要，注重新产品的包装和海洋文化的建设。由于消费者对产品附加属性有着越来越高的追求，而不再仅仅满足于产品的实用性本身，主打产品的原生态和环保需求，用文化的背景来推动产品迭代。这样的营销模式不仅可以直接收集产品销售数据，用以指导生产工艺的改进和生产计划的制定，更可以通过分析消费者的使用反馈，对产品的品质控制和销售渠道不断地提出新的要求。

“智慧工厂”技术市场服务是该公司为不断变化的市场提供服务，帮助消费者满足对市场和生活品质不断提高的需求。该公司从开发海洋生物资源的企业发展成为综合性集团。实施大服务产业战略，通过打造海洋生活体验馆和网络销售产品，线上、线下同时发展，体验与产品相互补充，定制个性化医疗保健产品与普通原料相结合，开展科普展览、会议培训、成果展示等活动，从而有效扩大客户范围，收集更多有效信息，为产品升级和下一步扩大营销提供良好启动点，形成良性循环。

2.5 青岛某精细化工有限责任公司

“智慧工厂”生产技术方面首先构建车间的全周期信息数据链，通过大数据等技术虚拟化实现智能机器、存储器和生产设施之间相互独立的交换信息。配置符合设计要求的数据采集和分析技术，用来自动采集生产和检测等相关数据，进一步充分采集、现场操作、质量检验和设备状态等生产现场信息，再以车间工业移动通信网络为基础，通过相关软件，促进设备之间、设备与智能控制平台之间、企业上下级部门之间的实时连接和智能交互。通过建设云制造平台、能源管理平台、智能故障诊断平台等，无缝集成与优化企业的虚拟设计，使工业产品生产、管理和销售信息能够形成资源共享的数据链，从而建立产品研发创新平台和网络营销服务平台，来实现产品的全生命周期管理。

“智慧工厂”管理技术方面，该公司的企业资源计划管理系统ERP系统是信息技术与互联网技术相结合的产物，是SAP系统的执行软件，是领导者、管理者和技术生产人员都必须掌握的并应用于公司管理的技术。该系统的引入很好的解决了原料从采购、使用到出厂等环节，在扩展产业链条的同时实现了信息的高度融合，而且通过大数据等技术虚拟化达到了智能终端、存储器和生产设施之间相互独立的交换信息的目的。在供应链管理中实现原材料和产品配送的管理与优化，以实现工业控制系统(ICS)、制造执行系统(MES)与企业资源计划管理系统(ERP)的无缝集成，最终使工厂能够实现基于生产和办公的信息共享及优化管理[7]。

3 “智慧工厂”技术的前景展望

经过以上企业的交叉对比，由于企业制度和生产产品的不同，所采用的营销模式有一定的区别。大型国有企业利用体制内优势扩大销售渠道，将提高生产规模和市场占有率作为核心竞争力，结合交通、采购和销售等多方面的政策利好，完善企业经营模式。精细化工企业利用便捷的信息获取途径和精准的市场需求感知，在精细化工产品产量低和附加值高的背景下，利用互联网技术对生产过程中的物料使用和产品出厂等步骤进行严格把控，减少产品流通环节，是现代工业中的“精耕细作”模式。海洋化工企业发掘海洋的文化属性，以原生和健康的产品理念为依托，拓展产业广度，同时直接与消费者市场对接，降低销售成本，不仅能直接收集消费者的反馈，更能树立良好的企业形象，提升品牌价值。

另外，在“智慧工厂”技术的未来应用之路上，国家应继续紧抓“化学工业4.0”行业变革，顺应“互联网+”发展趋势，树立开源开放和创新共赢的互联网思维，以信息化与工业化深度融合为主线，加快推进智能化为核心的技术改造，努力建设相关行业的智能工厂，同时促进传统产业转型升级，着眼增量调优，大力培育基于工业互联网的行业智能化新模式，加快构筑以互联网平台为支撑的新型产业体系。

4 结语

“化梦工成”团队通过对几家工厂的深入调研，了解到我国现下的化工厂大多已经具备了“智慧工厂”的雏形，并且正在蓬勃发展中。在未来的发展中，企业以智能制造为主攻方向，促进信息技术与制造技术的深度融合，推动两化(信息化和工业化)融合。实现“智能工厂”技术的目标还有很长的路要走，在国家大力倡导“两化融合”、青岛市鼓励发展“互联网工业”的大背景下，选择以信息化带动工业化、以工业化促进信息化的企业生产模式，追求可持续发展的新型工业化模式，为企业注入生长活力的良方。