案例4
石化盈科在石化行业的CPS应用

但是国际竞争力与世界石化强国还存在差距，突出表现在：产业布局较为分散，先进产能不足，高端产品自给率不足，能耗物耗较高，安全环保压力较大，生产成本较高。

与离散制造业不同，以石化为代表的流程工业存在显著特点：原料进入生产线的不同装备、产品不能单件计量，运行过程耦合性强，难以建立数学模型，难以数字化。同时，中国流程工业原料来源受制于国内外市场供给，原料复杂，生产工况波动大。因此，以“工业4.0”为代表的离散工业智能制造模式不适用于中国流程工业。

（一）石化CPS整体技术方案

流程行业CPS是实现流程工业高效化和绿色化的必由之路，是支撑流程型智慧企业研发设计、生产制造、供应链管理、营销服务各业务环节的核心载体。因此，石化行业 CPS的技术方案是根据白皮书中的内容，并结合石化行业特点凝练而成，可以归纳为：以人为中心，以数据和模型为驱动，具有信息物理实时监控与自动化控制、信息集成共享和协同、综合仿真和全局优化三项功能，全面态势感知、虚实共变、实时并行计算、知识自动化四个技术特征，以及感知层、信息网络层、计算处理层、策略控制层、应用层五个应用层次。石化CPS整体技术方案参见图1。

CPS的四个技术特征分别对应于白皮书中的四大核心技术要素，在石化数据库和石化模型库的基础上通过状态感知、实时分析、科学决策和精准执行形成闭环支撑CPS三大核心功能模块。

基于白皮书中所述的 CPS“一硬”（感知和自动控制）、“一软”（工业软件）、“一网”（工业网络）、“一平台”（工业云和智能服务平台）的四大核心技术要素，并结合石化行业特点，总结出CPS具有全面态势感知、自组织和自适应、虚实共变、知识自动化四个技术特征。

1.全面态势感知

对应于白皮书中的“一硬”，即通过智能感知和智能传感器网络，将生产状态、工业视频等各类信息高度集中和融合，为操作和决策人员提供一个直观的工厂真实场景，确保迅速、准确地掌握所有信息，并且能快速决策。

2.自组织与自适应

对应于白皮书中的“一软”（工业软件），即将石化工厂的行为和特征的知识固化成各类工艺、业务模型和规则，根据实际需求嵌入到装备和产品中，调度适用的模型来适应各种生产管理活动，实现现有石化生产过程的工艺过程和管理业务流程高度集成，进而实现全局整体优化。

3.虚实共变

对应于“一网”（工业无线网络），即实际工厂的当前状态，通过传感器和工业网络不断地实时同步到虚拟工厂，同时虚拟工厂不断演算未来的运行状态来管理和控制实际工厂的运行。PCPS的工业控制网络基于分布式架构，由智能设备互连集成、灵活组网而成，具备高度开放互连和灵活性。借助于工业网络，快速传输相关信息，实现系统的灵活拓展与泛在感知，实现物理制造空间与信息空间的无缝对接，极大地拓展了人们对工厂的监测能力，为精细化和智能化管控提供保障。

4.知识自动化

对应于白皮书中的“一平台”（石化智云），即突破传统人机接口交互的非自动化工作机制，将人的智能型工作向控制系统的自动化延伸，实现石化生产、经营等环节基于知识自动处理的建模、控制、优化及调度决策的自动化作业，促进信息融合及计算进程与物理进程的交互。

（二）石化行业CPS运行机理

CPS的本质就是构建一套虚拟空间与物理空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的“闭环赋能体系”。石化 CPS 通过对物理过程进行感知和控制，实现石化物理工厂与虚拟工厂的无缝结合，其运行机理如图2所示。

信息工厂中沉淀了石化CPS对行业的认知，主要有三个维度：一是对工厂资产的描述，通过工厂模型、三维模型等进行刻画；二是对整个物理化学过程的描述，通过机理模型进行刻画；三是各类数据汇聚形成大数据模型，随着数据更新获得自学能力，进而通过数据库、规则库、模型库、知识库的有效整合及协同应用，形成“工业大脑”。利用石化 CPS中的模型和数据，结合优化、控制，实现了计算进程与物理进程的交互，打造了流程工业的CPS。

（三）石化CPS功能描述

石化CPS通过对物理过程进行感知和控制，实现石化信息空间与石化物理空间的无缝结合，其功能为以下三个方面。

1.信息物理实时监控与自动化控制

石化CPS通过微机电技术、嵌入式技术和传感器等技术，升级为新型的石化智能制造单元，借助传感器网络和通信网络，全面感知详细的物理系统和信息系统信息，通过处于分布式控制下的闭环运行系统实时分析并进行科学决策，确保所有参数可控。

2.信息集成、共享和协同

石化行业生产流程中产生海量数据的采集、存储、分析，对石化行业现有的信息化水平是巨大的挑战。实现海量数据流的传输、集成和存储是石化CPS重要功能之一，包括：感知集成分布于石化各业务子系统中的关键信息、全厂工程和设备等图档、视频、移动终端及过程数据等，并保证不同地域、不同系统、不同业务环节中的信息物理设备能及时获得需要的信息，以及远程实时协同分析，并通过决策算法、机器学习发现数据信息的价值，真正实现石化CPS的智能决策和执行。

3.综合仿真和全局优化

石化生产系统过程复杂、参数多、耦合性强、灵活性差，系统运行效率得不到保证，很难实现系统范围内的最优控制。和传统的实时监控相比，石化CPS不仅监控物理世界，还是将物理系统和信息系统作为一个整体进行综合分析和仿真，通过对基于物理设备中嵌入的计算部件感知采集信息进行实时分析，实现对综合生产指标→全流程的运行指标→过程运行控制指标→控制系统设定值过程的自适应的分解与调整，实现系统的全局优化。

二、依托智能工厂，打造传统行业与信息技术深度融合的新模式、新业态

石化CPS的智能工厂应用架构分为三层：SoS级CPS、系统级CPS和单元级CPS。SoS级CPS主要进行决策和将采购优化结果下传到企业，企业据此进行计划和调度优化，计划和调度优化结果再分解到企业各个装置（常减压、催化裂化、连续重整和加氢裂化等），最终利用单元级CPS中的实时优化系统实现优化目标。本文所述的CPS应用实践和挑战均是基于4家企业的实际应用情况开展的。智能工厂CPS应用架构如图3所示。

智能工厂CPS应用，实现了SoS级CPS、系统级CPS和单元级CPS的整体贯通。以某试点企业为例，当市场价格出现波动时，SoS级CPS根据市场价格变化优化采购和销售计划。系统级CPS制定全厂计划和调度方案，并将方案分解到各个装置。单元级CPS根据调度方案进行实时优化，计算出单装置（常减压、催化裂化、连续重整和加氢裂化等）最优操作参数，反馈给SoS级CPS，使装置在最优操作参数的状态下运行。

某试点企业乙烯装置通过CPS，实现了实时优化和先进控制的集成应用，基于全流程机理模型，实现SoS级CPS、系统级CPS和单元级CPS的整体贯通。以经济效益最大化为目标，通过数据整定、模型回归等技术保证了基础数据的准确性，通过序列控制、稳态检测等技术提高计算结果的可执行度，保证原料、产品价值的及时更新。实时优化系统在不增加重大设备投资的情况下，充分发挥现有生产装置的运行潜力，有效地实现了增产、节能和降耗的目标，为某试点企业创造了新增效益。系统投用后运行稳定可靠，乙烯效益增加26.34元，年效益增加3 091万元。

三、建设石化CPS，引领流程工业智能制造发展方向

石化CPS的建设可以分为3个阶段：理论研究和单元级CPS、系统级CPS试点建设阶段，系统级CPS建设提升及SoS级试点建设阶段，完善提升阶段。

理论研究和单元级CPS、系统级CPS试点建设阶段（2013-2015年）主要进行石化CPS的理论研究，此期间给出了石化CPS定义及理论框架，并在中国石化下属4家试点企业进行了单元级CPS和系统级CPS的建设。此阶段定义了CPS的理论体系，确定CPS是石化智能工厂的基础设施，通过将传感器、智能硬件、控制系统、计算设施、信息终端连接成一个智能网络，实现企业上下游的互连互通，实现资源的优化配置。试点企业建成多个单元级CPS，包括实时优化（RTO）、先进控制（APC）、装置异常处置等单元级CPS模块，以及基于生产管控、供应链管理、能源管理、设备管理、安全管理和环保管理六大智能工厂业务域的系统级CPS建设。

系统级CPS建设提升及SoS级试点建设阶段（2016-2018年），此阶段将试点企业单元级CPS和系统级CPS的建设成果推广到中国石化下属的其他企业，并重点针对供应链优化、大机组监测和工业大数据分析领域进行SoS级CPS的试点建设。

完善提升阶段（2019-2020 年），此阶段主要进行 SoS 级 CPS 的完善和提升，将 SoS级 PCPS 的应用成效推广到中国石化其他下属企业，同时将 PCPS 的建设成果总结梳理成可以向其他行业推广的经验成果，为其他行业CPS建设提供参考。

四、推广意义

中国炼油能力、乙烯、尿素、PX、合成树脂、合成纤维、合成橡胶等多种化工产品产能均居世界前列，但是“大而不强”；急需产业升级才能真正迈入石油强国行列。石化CPS将新一代信息技术与现有石化生产过程的工艺和设备运行技术及人进行深度融合，已在中国石化智能工厂4家试点企业的能源领域、设备管理领域、安全环保等领域进行了应用实践。随着石化行业的发展及石化CPS应用研究的深入，石化CPS将在多家试点企业进行推广应用，同时将石化CPS的理论与应用研究成果和经验外延到其他工业行业，使CPS得到更好的发展。 +y+9L2JleVjVlyVEbQev2u0l9R18c9QDIhR7yTcJQQf5WERG9QrR59SUAko8z3yG