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潘再生：智能制造的综合技术体系和中控方案
| 本文作者：王金许 | 2017-09-04 10:21 |
雷锋网按：近日，2017 世界机器人大会人工智能与机器人青年创新创业专题论坛在京召开，本次论坛由中国电子学会-嵌入式系统与机器人分会主办，雅瑞资本、真格基金、立德共创承办，并由多家大学、创投机构、新型企业联合支持。
在下午的论坛主题演讲中，浙江中控集团研究院副院长潘再生以《信息物理系统与智能工厂》为题作了演讲。
以下为刘连庆演讲内容，雷锋网(公众号：雷锋网)做了不改变原意的编辑：
信息物理系统
首先，信息物理系统是什么？信息物理系统从概念提出到现在已经有很多年了，这里面我简单地从一个地方摘取来的，从信息和物理这两个系统怎么结合在一起，我们很多隐性的数据通过状态感知变成显性数据，通过分析变成有用信息，这些信息再通过科学决策变成我们的知识，通过执行来影响到最终的物理系统。这里面是物理系统跟信息系统的一个系统图，包括人类的参与，包括一些网络，这里面有很多说法，有各种各样的表述方法。
这里面信息物理系统分成三个级别，有单元级的、有系统级的、还有 SOS 系统之系统级。现在一般的智能化系统至少是有硬件、有软件，我们早期只有硬件，机械的装置可能只有硬件，没有软件。
这里面大家有兴趣后面会提到一些白皮书可以去看一下，信息物理系统的四要素就是一硬、一软、一网、一平台。一硬就是我们的感知和自动控制，叫做硬件电路；我们软的部分叫工业软件，特别是针对工业，提高我们工业企业研发、制造、生产、服务、管理水平的软件；网络我们指的是工业网络；还有一个平台主要是工业云与智能服务这个平台，这是我们的新四级。
这里简单列出了中控在工业自动化的整体解决方案，叫做 Inplant，我们分成智能决策、智能运营、智能操作、智能结构、智能检测、智能控制六个方面。我们最终可能会组合出很多很多，包括最底下如果从我们中控产品的角度来说，最底下有芯片的形式，有 CPA、CMC 芯片，芯片应该是最基础的一个部件，再往上就是仪表、阀门，仪表是我们的传感，阀门是我们的中控，控制系统我们也分成不同种类的，再往上 MES、APC 是先进控制，再往上就是 ERP，是企业的资源计划。
整个是我们的整体解决方案，还包括不同的行业，在这里面我们有一些咨询的服务，还有工程服务，还有一些 MAC 是一个综保服务，还有一个行业解决方案，这是中控积累了 20 多年的产品和体系。
这里面我想给大家再稍微细化地介绍一下，这是我这几年做的一个工作，叫 CMC 控制芯片，什么是 CMC？我们搞控制的都清楚，如果要构成一个控制，必须要有信号输入，我们要有传感信号，最终要输出，要控制。在取得这些传感数据之后，我一定要有一个控制算法，你肯定不能盲目地输出。
最简单的 PRD 控制，两个构成能够构成一个回路控制。现在如果构成更大的系统还需要网络通讯，这些东西是我们在控制领域最基础的需求。我们把所有这些需求如果简单地看，就是我们各种模块的一个组合。如果把这些模块的组合做成一个芯片呢？以前如果我们做控制系统，基本上是拿来通用的CPU，我们拿来做电路，编写控制模块，这是我们的一些方法，现在把要做的电路图全部芯片化做成一个芯片，这个 CMC 是一个控制芯片。它把输入、输出，控制运算、通讯这些共性的东西都集中在了芯片里面。
在这个芯片里面我们除了实现了逻辑控制，我们还把运动控制也集成进去了，因为我们原来搞流程工业，基本上都是逻辑控制，智能工厂里边还涉及到了运动控制，比如说一些电机控制，一些生产线的装备，一些印刷、包装这些用到的很多电机。
这是一个简单的图，我们如果简单地看左半边部分上边是模拟量处理，下面是数字量处理。右边的图上半部分基本上都是我们芯片内部用到的一些资源，有上面是一些控制算法库、Flash、RAM，下半部分中间这个板块是我们芯片的核心，也是我们自己完全自主的，右边的上半部分绝大部分都是集成了芯片的单元，基本上我们比如说做 CPU 类的都有这些东西，我们自己也不可能做出一些新东西来，我们基本上都是集成。
控制运算 CMU 这一块，LCP 是逻辑控制单元，MCP 是运动控制单元，这三块部分是我 CMC 这个芯片的最核心的部分，这里面等于说把最主要的控制部分全部是用我们自己来研发。右边的下半部分是我们通讯接口，这里面我们把常用的像以太网、CAN、UART、SPI、IIC 五个都做进去了，所有的这些通讯接口都可以做到冗余。
这个是我们芯片内部的一个结构，在这个图里也标出来了，绿色部分完全是我们自主研发的，红色部分是我们芯片里面一些通用的模块、IP，其他还有一些黄色部分，就是芯片代工厂提供的一些 IP，整个的芯片我们做到了自主可控。
这是我们可以提供的十多款小规格的 CMC，小的以开关量控制为主，大的有 256 角的，包括和沈阳一起做的工业无线，一般情况下常规应用的 128 角，或者 144 角的芯片用得比较多。
今年 3 月份，工信部发布了信息物理系统白皮书，其中把我们的 CMC 芯片作为复录机里面的一个单元级，作为一个典型的案例列在里面了。工信部组织了国内的一些专家、院士以白皮书的方式发布的，它这里面刚才也提到了信息物理系统分三个级别，单元级就是我们 CMC 这个芯片，另外还有系统级和 SOS 级。
智能制造的中控方案
刚才前面讲到的主要是以 CPS 这个概念来说。接下来我想针对智能工厂说一下我们的解决方案。智能工厂大家可能也听到了很多，不同的工厂它的智能化方案、智能化解决目标也不一样，但是我们这里想说一下，智能工厂的目标是什么？
对企业来说，企业经营工厂要的就是利润，有钱赚才是我的目标。但是光有钱、有利润可能还不够，我们还需要有高效，没有效率竞争不过别人，还要节能，现在国家对能源的利用也很高，如果大量的能耗很高，大量产生污染也不合适。
现在安全事故也经常发生，安全是非常地重要，它也是一票否决。绿色这一块是我们的五个部分，利润、高效、节能、安全、绿色是我们企业经营的目标，也是我们智能工厂要去解决的目标。
围绕着这五个目标，我们相应地有一些原料供应，我们的产品销售、企业的智能化、数字化、网络化，这一系列都是围绕这五个目标。
拿中控作为一个案例来说，如果我们看中控智能化的整体解决方案，大家看到中间黄色部分智能制造有五大需求，这是从客户角度出发的，分别对应的是下面的安全、提升质量、降本（降低成本），增效（增加企业的效益），还有环保。
中控针对这五个用户的需求，我们在安全工厂、智能优化工厂、绿色工厂方面有一些整体方案，这是我们现在智能制造的一个战略。
往下看的话，针对我们的智能制造有四个示范项目，这是国家工信部立的四个项目。再往下是我们20多年的行业积累，这个是倒着从上往下看的，其实如果从下往上看，这是我们智能制造中控的四个阶段，最底下是解决我们单个企业用户的，最后我们拿出来一个整体解决方案，包括最后要制定标准，因为企业做到一定程度，你需要把这个东西标准化，那么中控参与了很多国际标准的制定。
同时，我们也通过示范项目，把原来的一些大规模级应用的企业、行业再进行标准化，把我们的智能制造为用户做一个更好的提升。 
这是整个中控智能制造的一个实施平台，刚才讲到安全的、节能环保的解决方案，我们还有一个智能优化解决方案，围绕着安全、体质、降本、增效的目标。还有三个解决方案的联合体，一个实施平台，多个行业的方案。
这里面也提一下智能工厂关键的技术。我们归纳了八个点，一个是数字化移交，第二个核心装备需要国产化，如果很多装备都是进口的，很多东西做不好，这里面中控几乎所有的核心装备都能提供。还有控制优化，针对我们的工艺优化，高效协同，在广泛创新和应用一体化这个平台都需要一个高效协同。互联互通也是，你一个系统信息都不能互联互通，怎么可能构成一个我们的智能工厂？还有节能减排，在设备、装置全场这个级别需要进行优化策略。
工信部也发布了网络安全的一些管理方面的要求，另外就是互联网+安全，随着工厂信息化、智能化水平的提高，随着互联网接入，在风险辨识、预控、应急指挥方面要求越来越高，这是我们总结的一些关键技术。
这里面我们刚才讲了三个实施平台，我们叫彩虹防御安全工厂整体解决方案，这个功能是工厂运行过程中本身应该具备的功能安全。这里面大家看到很多机器人，这个机器人如果你走过去，它根本探测不到你，就误伤了工人，这个功能安全可能不够，需要这一块再增加。风险管控，还有信息安全，这一系列的东西我们都有一个整体解决方案。
它从几个层次，分别针对人员、环境、资产三个安全对象的时序，两个安全维度，七项安全技术，最终一个目标就是全方位地守护园区安全。这个分别是针对我们规划设计、生产护航、危机应对的三个层次，我们从全生命周期管理角度来进行安全技术体系的设计。
这个是我们的产品体系，因为刚才讲到的是从技术体系来说的，这是针对产品体系，从下面的一些设计，再到运行，像这里介绍的 TCS900 是我们的一个具备三级安全移控系统。像这样的系统它的目标主要是针对工厂在应急处理，它能够把系统正常地控制，否则缺少这样一个系统，它很有可能就会爆炸，这样一个系统它需要通过国际认证，要求就很高。
智能优化工厂
智能优化工厂，从我们的智能决策、智能运营、智能操作、智能结构、智能检测、智能控制六个板块，这是我们智能的一些软件。还有一个平台是我们绿色工厂的解决方案，针对节能降耗、环保治理、固废综合利用等不同层次上都有解决方案。
刚才讲到的都是我们的一些设计架构，接下来我想给各位说几个我们在实践中的一些突破。我们拿刚才提到的四个示范项目，第一个示范项目是神华宁煤，它是百万级烯烃装备的制造，我们用了一种全新的模式，三项标准、八套国产系统、三大先进技术、一个指导方向，分别对应在这里，我们《中国制造 2025》在这里一层一层体现出来。
通过这么一个神华宁煤项目的实施，整个生产过程可视化，并且三维可视，把它的产供销一体化，企业制造的时候，生产归生产、销售归销售，计划、协调、调度优化、操作执行优化、生产物流优化，在生产设备和监管上都进行了安全保护。
这个是效益，像提质增效方面，处理能力提升了 1.5%，对一个企业来说 1.5% 的效益也是很好的，变量波动降低 30%，这个对我的产品稳定性有很好的提高，还有一个双烯烃的收氯也有所提升，生产波动减小 10%。在安全防御方面，实现事故源头管理，事故事件由 25.8% 降到 11.3%，因为在实际生产过程中，现在还做不到零事故。另外在燃料成本、蒸汽消耗、设备利用率方面都有所提高。
第二个就是东北制药的项目，是大宗原料和医药中间体的模式，这里面也一样，在生产自动化、品控信息、防御自动化这一块都做了，这个是效果，降低能耗、物耗、降低运行费用、提高运行效率方面都有了很好提高。比如说这里面人员从 50 个人的车间，现在可以变到 10 个人的一个车间。
这个是我们第三个新疆天业循环经济智能产业园区，它能耗降低 2.37%。这是九江石化的，最后看数字来说的话，员工总数减少 122%，班组数量减少 13%，外操作室数量减少 35%。
最后也提一下，作为企业，我们做事情的最终用户需求是我们智能制造的基础，我们在全局规划、统一资源、信息分享、目标导向、有序建设方面都是以用户需求来做的。为客户创造价值是我们中控价值观里面的第一条，所以我们一定会把我们的行业积累、工业的 Konwhow 和用户的内生需求结合在一起为用户做。
我们中控在智能制造中有四点体会，简单提一下，在顶层设计以创造价值为核心，另外我们建立的智能工厂就像我们的大脑，最后标准化基础设施是保障，中控在实践中探索前行，为中国的智能制造做一个榜样