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无风扇工控机 建设工业互联网系统的新意何在?

blog 2020-11-03 11 0

  导读:大型工业企业的内部是工业互联网的重要应用场景之一,计算机和网络在先进的大型工业企业应用和发展了几十年的时间。建设工业互联网系统的新意何在?与已有系统之间的关系应该如何处置?

  大型工业企业内部的计算机系统很多,这些计算机系统往往被分成若干级别。一般分为三级:即基础自动化级(BA)、制造执行系统(MES)和企业资源计划系统(ERP)。其中,BA层主要负责阀门和设备的控制;MES主要负责车间内的生产管理、计划调度等;ERP则负责企业的产供销计划和人财物的管理。钢铁企业最常见的做法是分成四级,分别被称为L1~L4(Level 1~Level 4)。其中,L1的功能大体与BA系统对应;L2为过程控制级,主要负责大型设备的协同控制;L3是车间级的生产管理、相当于MES;L4是公司级的管理,与ERP大体相当。先进企业还有数据仓库(DW)或商务智能(BI)系统。 工业互联网强调联网。其实,各层计算机系统之间本就有信息联系。上级计算机负责生成生产的目标和要求,层层分解下发到下层计算机执行。

  低层计算机的执行情况也会层层上传到高层的计算机,以便于管理者掌握生产的情况。但是,这种上传是有选择性的,一般只把生产结果或特殊问题传上去供人处理,很少触发高层计算机的自动反馈和调整。 BA、L1等级别比较低的计算机系统一般称为自动化系统,ERP等级别高的系统常称为信息系统。事实上,大型工业企业的信息系统远不止这些,几乎各个部门都有各自的信息系统。比如,设备管理部门、研发部门、人事部门、运输部门、安全环保部门、销售和采购部门都会有对应的信息系统。 这些系统多数是部门主导建立的,服务于自己部门的业务,系统之间的联系相对较少。此前推进“两化融合”时,企业已开始重视部门之间的联网工作。在部分钢铁行业的L4中,就把销售、设计、制造、采购、财务部门等多个部门的信息集成到了一起。有些上下游企业也实现了企业之间的ERP系统的对接。

  理解工业互联网的价值和定位,需要分析计算机系统被划分成自动化和信息化系统的原因,也即两者之间的差异。在智能化时代,要用工业互联网推动两类系统的融合。为此,要清楚两者之间共同的基础是什么。 事实上,可以从控制论的基本思想出发,看两者的一致性:管理和控制的目的都是为了应对变化,都需要感知信息、做出决策并根据决策采取行动。但是,两者的区别也是明显的。例如,管理系统的决策主体往往是人,而控制系统的决策主体则是计算机、是算法。从控制论产生的那一天起,人们就希望机器代替人的决策,自动控制系统能够代替人类的一些工作,但意义却不仅仅止步于此。例如,自动控制系统的响应速度可以很容易地达到毫秒级,而人类的响应速度则要低得多。

  所以,自动化系统的控制效果往往比人要好,对提高质量、降低成本的价值很大。 既然自动化的效果很好,信息系统的决策为什么不能自动化呢?一个重要的原因是:信息系统面临的问题往往要比自动控制系统复杂很多。 一般来说,自动控制针对的是小系统。在实施控制的过程中,系统的参数会发生变化,但系统结构不会发生大的变化。这往往是自动化系统默认的“边界”。而管理系统针对的是大系统,意外(如设备故障)会导致系统结构的变化。这种级别的变化种类繁多、影响千差万别,一般需要人的智慧来灵活应对。 人类的计算能力虽然不及自动控制系统,却具备管控复杂大系统的灵活性。人类的这种灵活性恰恰是传统自动控制系统无法取代的。由于人类的响应速度不是很快,管理系统处理的问题一般也不是实时性特别强的工作。人类的大脑难以成功处理成千上万个设备同时发送过来的秒级、毫秒级的数据。 总之,自动控制系统响应速度快,但控制的范围比较小;信息系统的反应速度相对较慢、实时性差,但管理的范围却较大。这是一个矛盾,从某种意义上说,工业互联网是用来解决这个矛盾:实时性要求高且管理范围大的问题,就是工业互联网的立足点。

  设备联网是推动工业互联网的一个重要起因。在GE公司的工业互联网白皮书中提出,工业互联网有三个关键因素:智能的机器、高级分析(算法)、(在线)工作的人。所以,设备联网是一项基础性的工作。工业互联网概念提出后,人们对设备联网的重视程度提高了。 如前所述,设备联网的事情很早就开始了,但重视程度不够、数据的完整性不高。许多年前,就有人希望将设备信息全面联网,以便于设备点检和维护人员在办公室了解设备状态。但企业对这种做法的兴趣却不大:工厂里有专人实地点检、维护设备。这种做法在一定程度上降低点检人员的工作量,但却不一定能带来经济价值。 事实上,设备联网的工业互联网典型案例中,两类设备比较突出:第一类是点检维护不太方便的设备,如移动设备(飞机发动机等)或厂区外的设备(风力发电机等)。第二类是为了便于维护外包的设备。但这两类设备在大企业内部都不是主流,影响不是特别大。若干年后再回顾这段历史,这些应用可能只是工业互联网应用的序幕。 总之,从技术角度看,设备联网的困难并不大。真正的难点是找到合适的价值点。这是大企业推进工业互联网时最棘手的问题。

  设备数据的采集和传递可能是秒级、毫秒级的,如果网络连接着成千上万的设备,人力很难处理。所以,高层计算机,尤其是管理机很少保存或者处理这样的数据。 但是,这种高频度信息可以通过算法进行处理。情况正常时,不必推送给人类的管理者。只是在发现问题或者人类需要时,才会把处理结果或者发现的问题传给人类,供人类做出决策。这样,在算法的帮助下,人们就有能力利用这些高频、海量数据了。事实上,GE工业互联网白皮书的副标题是Pushing the Boundariesof Minds and Machines,可以理解为“重构人和机器的界面”,体现的就是人和机器的协同。 设备联网最直接的作用是实现设备点检的远程化、集约化,帮助人类远程操控或者检查设备的状态。这些工作的直接价值在当前可能不大。但是,在此基础上,可以衍生出更多的功能,产生可观的“附加值”。例如,通过设备信息,人们可以检测质量情况、判断人的操作是否存在问题、生产过程是否有优化的空间。所以,设备联网只是基础,很多技术要以此为基础发展起来。这样,工业互联网的价值就体现出来了,其独立的地位和用途也就显现出来了。

  在苏州有家电子企业,合格率经常急剧下降,严重影响经济效益。质量问题涉及到工艺、操作、设备、原料等多个方面的因素,涉及到几十个工序、成千上万组数据。过去,这些数据分布在不同的计算机中。而这些机器分布在不同的车间、由不同的人管理。查找问题时经常需要从一个系统切换到另外一个系统,有时还要把多个系统的数据进行对比,需要多个部门的人一起工作。出现问题时,经常要花费一周的时间才能把问题找出来。 后来,这家公司通过互联网把相关数据实时地集中在一起,按照工程师查找问题的逻辑让机器去判断,十几分钟就找到了问题的根源,经济效益非常显著。传统工厂操作人员关注的是工艺信息而不是设备信息。设备的运行状态是设备工程师来保证的,然而,设备信息其实会从侧面反映质量情况、效率情况和操作情况。通过合适的算法,可以把这些信息挖掘出来,提供给人类管理者参考,从而让生产管理水平显著地提高。而管理水平的提高,又会带动质量、成本、效率等多种指标的优化,从而对制造企业有着极大的好处。

  如前所述,工业互联网在大企业内部的推进,关键是要找到设备维护之外的“附加值”,提升经济效益。在笔者看来,这些“附加值”往往与企业管理水平上升有关。下面的这些案例,就说明了这一问题。 5.1管线远程巡检 运输气体或液体的管线本质是一种简单的设备。在大型化工厂里,管线总长可达数百公里。为了保证生产安全,工人需要进行徒步巡察,巡察一圈需要两个小时,甚至在特殊的气候条件下,两个小时也很难完成。有些故障是在巡察人员离开后发生的,要等到下次巡察时才能发现,从而成为隐患。 为了解决这个问题,某企业把与管线巡检有关的信息采集出来,通过互联网传递到监控中心。工人可以在监控中心实时监控管线的状态,从而提高设备维护的水平。同时,一个工人可以监控更多的管道,减少了巡检的人数,提高了劳动效率。 5.2生产操作的集约化 某钢铁集团公司的一个生产基地内有四座高炉,每座高炉由一组工人操作。高炉的运行节奏慢,工作相对清闲,但工作环境差,年轻人不喜欢在这种环境下工作。于是,企业通过联网的方式,把高炉操作室的数据集中在一起。这样,一组工人可以操作4台高炉,还可以把操作室安排在环境相对较好的地方,改善工作环境。该公司还计划把国内多个生产基地的高炉信息进行联网。这样,当某地高炉出现问题时,可以让全国优秀的专家进行远程诊断和指导,能更好地保证生产的顺行、减少事故损失。

  5.3磅秤的集约化与操检一体 工厂进料、出货一般要经过磅秤称重。在有些企业,司磅是腐败的高发岗位。于是,有些企业利用工业互联网手段,将司磅岗位从现场移开,隔绝了内、无风扇工控机,外部人员的直接接触。数据联网以后,便于对司磅岗位进行远程监督,从而大大降低了腐败的可能性。另外,多台磅秤的数据聚集在一起,一个人可以操作多台磅秤,降低了劳动成本。 5.4煤气的协同管理 钢铁厂中煤气的生产和使用需要做到动态平衡。传统做法是:各个生产厂分别制定各自的生产计划,使得能源的产供基本平衡。但是,在实际生产过程中总会产生各种问题,产供平衡就会被破坏。利用工业互联网,可以在全厂范围内获得相关设备信息以及生产的计划执行信息。一旦生产发生变化,就能预知未来的煤气产供情况。在此基础上,稍微调整某些生产工序的计划,就可以更好地平衡煤气的生产和使用。优也公司在一家中等规模的钢铁企业中采用这种做法,一年创造了4200万元的价值。

  受技术条件等因素的限制,自动化系统和管理系统的联系并不密切。人类难以实时处理大批量的数字化信息,而机器难以灵活处理大系统中的复杂问题。在工业互联网时代,可以通过算法来改变人与机器的协同工作方式,从而解决这一对矛盾,并显著提高企业的管理能力。 工业互联网的功能与传统的自动化和信息系统是有区别的。在短期内,工业互联网系统或许应该与企业已有的系统并网运行、分工协作,有利于降低系统更新换代的风险。在条件成熟时,用统一的系统来集成各个系统的功能也是可以期待的。

  郭朝晖,教授级高工,工学博士,现任优也信息科技有限公司首席科学家、走向智能研究院大数据首席研究员、中国工业互联网产业联盟大数据组副主席,曾任宝钢研究院首席研究员。

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