1 工業(yè)過(guò)程優(yōu)化的背景

現代的工廠(chǎng)，無(wú)論工藝技術(shù)如何先進(jìn)，但畢竟是預先設計好的方案，在工廠(chǎng)生產(chǎn)運行過(guò)程中，針對不斷變化的原料供給、產(chǎn)品需求、裝置檢維修、狀態(tài)異常等，很難使得生產(chǎn)裝置處于最優(yōu)地經(jīng)濟運行狀態(tài)；復雜的化工生產(chǎn)工藝特性也決定了其生產(chǎn)過(guò)程的非線(xiàn)性化，例如原料消耗、產(chǎn)品產(chǎn)量和能源消耗等。 如何優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程、提高生產(chǎn)效率、降低原料消耗、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量以及減少能源消耗成為目前企業(yè)迫切要去解決的問(wèn)題。

生產(chǎn)優(yōu)化作為工廠(chǎng)數字化轉型4個(gè)方向維度之一，一直是智能工廠(chǎng)永恒追求的重要目標之一，在工廠(chǎng)全生命周期服務(wù)規劃中，更是把生產(chǎn)運營(yíng)優(yōu)化方案放在了最重要的位置。

2 工業(yè)過(guò)程優(yōu)化的層級概念和特點(diǎn)

工業(yè)過(guò)程行業(yè)的優(yōu)化體系包括計劃、調度、操作和控制4個(gè)層級，在不同的層級需要不同的優(yōu)化技術(shù)，層級不同所設計的優(yōu)化的目標數量、優(yōu)化變量的復雜程度也不一樣，不同層級采用的優(yōu)化技術(shù)也不一樣。在計劃調度層，涉及的管理流程多，變量數據龐大，因此其優(yōu)化利用機理模型結合線(xiàn)性規劃法進(jìn)行優(yōu)化，例如生產(chǎn)執行流程的優(yōu)化、原料入廠(chǎng)入庫流程的優(yōu)化等。操作層的優(yōu)化可以采取流程機理模型結合大數據模型進(jìn)行優(yōu)化，例如操作規程自動(dòng)化、高級操作畫(huà)面、報警優(yōu)化等；控制層的優(yōu)化，由于要求速度快，多采用簡(jiǎn)單機理模型或數據模型或建立預測模型進(jìn)行優(yōu)化，例如回路自學(xué)習整定優(yōu)化、多變預估控制、軟測量等。

3. 工業(yè)軟件是過(guò)程優(yōu)化的基礎

 優(yōu)化雖然有不同的層級，不同的層級所采用的技術(shù)也不一樣，但是優(yōu)化的實(shí)現都需要一個(gè)共同的基礎即集成工業(yè)行業(yè)知識的工業(yè)軟件。工業(yè)軟件是數字化的靈魂，工業(yè)4.0俗稱(chēng)“軟化的工業(yè)革命”，相對于工業(yè)3.0 最大的區別就在于各種專(zhuān)業(yè)先進(jìn)的工業(yè)軟件的廣泛應用。工業(yè)軟件跟普通的商業(yè)軟件不一樣。專(zhuān)業(yè)的工業(yè)軟件需要集成運營(yíng)技術(shù)（OT）、信息技術(shù)（IT）、自動(dòng)化技術(shù)(AT) 和 設備技術(shù)(ET) 于一體，與工業(yè)過(guò)程緊密融合才能為生產(chǎn)優(yōu)化發(fā)揮最大的價(jià)值。 所以工業(yè)過(guò)程優(yōu)化的過(guò)程在很大程度上就是各種工業(yè)軟件在各層級應用發(fā)揮價(jià)值的過(guò)程。

4 工業(yè)過(guò)程優(yōu)化實(shí)現的技術(shù)路徑

 一個(gè)工廠(chǎng)要實(shí)現整體生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化，不是簡(jiǎn)單地堆砌各種工業(yè)軟件就可以達到，需要根據不同工廠(chǎng)的技術(shù)基礎，做整體規劃。 筆者建議生產(chǎn)優(yōu)化方案的整體設計思路應該是“從上至下整體規劃，從下至上逐層實(shí)現” 。 下圖為化工行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化典型技術(shù)路徑，主要分為如下幾個(gè)步驟逐步實(shí)現：

第一步建立工廠(chǎng)過(guò)程優(yōu)化的軟件技術(shù)基礎：首先要實(shí)現生產(chǎn)計算機信息化，讓很多現場(chǎng)的手工操作進(jìn)入自動(dòng)化平臺，實(shí)現外操到內操的轉變，也叫“操作軟化”； 接下來(lái)盡量讓與控制系統連接的儀表，閥門(mén)設備智能化，通過(guò)工業(yè)設備管理軟件(AMS)實(shí)現對這些設備健康信息的監測和管理，又稱(chēng)“設備維護軟化”；然后建立工廠(chǎng)數字化虛擬平臺，例如數字雙胞胎，為后續的控制操作優(yōu)化提供軟件化驗證平臺，俗稱(chēng)“平臺軟化”。

第二步實(shí)現控制優(yōu)化：在這一步首先要實(shí)現異常工況管理，確定聯(lián)鎖、報警和正常操作范圍的邊界，遵循報警管理標準借助報警主數據庫軟件平臺實(shí)現報警合理優(yōu)化、聯(lián)鎖管理優(yōu)化，盡量減少工廠(chǎng)生產(chǎn)異常狀態(tài)比例，減少操作人員處理異常工況的實(shí)踐，從而降低操作負荷；其次盡量實(shí)現內操的自動(dòng)化，采用數字化回路優(yōu)化工具軟件，利用自學(xué)習等先進(jìn)快速提升整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)控制回路的自動(dòng)化率，降低內操的手工操作比例，從而進(jìn)一步操作負荷，自動(dòng)化率提升后，在對一些復雜的回路采用串級、分程、前饋、超馳、自適應控制等智能控制策略進(jìn)一步優(yōu)化回路性能，而對相互耦合現象嚴重的回路考慮使用APC進(jìn)行建模優(yōu)化，降低生產(chǎn)波動(dòng)，實(shí)現生產(chǎn)卡邊優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率。

第三步全系統層次實(shí)現操作規程自動(dòng)化：其主要的方案有基于狀態(tài)的控制（SBC）和基于狀態(tài)的報警（SBA）即報警動(dòng)態(tài)合理化、高性能操作畫(huà)面方案等，通過(guò)這些軟件方案可以簡(jiǎn)化操作流程、降低操作負荷、減少操作失誤幾率、提高產(chǎn)量和質(zhì)量從而提高的生產(chǎn)效率。目前數字化領(lǐng)域經(jīng)常提到的“一鍵開(kāi)車(chē)“、”黑屏操作“ 的愿景就是基于操作規程自動(dòng)化技術(shù)而實(shí)現的，但需記住，要是操作規程自動(dòng)化必須基于”操作軟化”、”控制自動(dòng)化”良好基礎之上才能實(shí)現的。

第四步全廠(chǎng)范圍實(shí)現工藝整體流程的優(yōu)化：這一層級的主要方案有自動(dòng)化排產(chǎn)、生產(chǎn)執行業(yè)務(wù)流自動(dòng)化、資產(chǎn)管理數字化等，優(yōu)化軟件平臺有MES用于打通業(yè)務(wù)數據孤島、實(shí)現排產(chǎn)、計劃調度、原料出入庫等業(yè)務(wù)流的線(xiàn)上優(yōu)化。另外還有OT數據倉庫（DW）、數據集市（DM）或數據湖等大數據平臺，以此為基礎為整個(gè)工廠(chǎng)建立數據中臺；數據中臺通過(guò)數據技術(shù)，對海量、多源、多樣的數據進(jìn)行采集、處理、存儲、計算，同時(shí)統一標準和口徑，把數據統一之后，以標準形式存儲，形成大數據資產(chǎn)層，以滿(mǎn)足前臺數據分析和應用的需求。然后大數據挖掘專(zhuān)業(yè)工具軟件對數據進(jìn)行挖掘優(yōu)化，按需實(shí)現各種分析和應用。例如多變量在線(xiàn)統計、批次優(yōu)化分析、根源分析、業(yè)務(wù)流管理等，最終實(shí)現數據驅動(dòng)生產(chǎn)流程，數據決策的生產(chǎn)管理機制，最終實(shí)現全廠(chǎng)業(yè)務(wù)流優(yōu)化，獲得最佳生產(chǎn)效益。

5. 結束語(yǔ)

以專(zhuān)業(yè)的工業(yè)數字化軟件為基礎，整體規劃，采用不同技術(shù)逐層優(yōu)化是目前實(shí)現工業(yè)過(guò)程優(yōu)化可靠技術(shù)路徑。

關(guān)于艾默生 

艾默生（美國紐約證券交易所代碼：EMR）是一家全球性的技術(shù)與工程公司，為工業(yè)、商業(yè)及住宅市場(chǎng)客戶(hù)提供創(chuàng )新性解決方案。自動(dòng)化解決方案業(yè)務(wù)幫助過(guò)程、混合和離散行業(yè)制造商優(yōu)化其能效和運營(yíng)成本，促進(jìn)生產(chǎn)，確保人員安全和保護環(huán)境。商住解決方案幫助確保人類(lèi)舒適度和健康，保障食品質(zhì)量和安全，提升能效，打造可持續發(fā)展的基礎設施。