中国电子技术标准研究院流程型智能制造白皮书2019883页

I中国电子技术标准化研究院深圳华制智能制造技术有限公司东北大学2019年7月流程型智能制造白皮书II指导组名单柴天佑杨建军夏妍娜马仲彬编写组名单郭楠韦莎程雨航李佳吕青海康健刘斌张晓玲丁进良张若曦何宏宏许妍李刚鲍楠吴端胜夏娣娜李瑞琪马原野周航焦国涛廖胜蓝纪婷钰张欣王成然III鸣谢本白皮书得到了以下单位和专家（排名不分先后）的大力支持与帮助，在此表示衷心感谢！鸣谢单位：上海宝钢工业技术服务有限公司中国石化集团茂名石油化工有限公司内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司山西复晟铝业有限公司杭州娃哈哈集团有限公司宜宾天原集团股份有限公司杭州锦江集团安徽海螺集团有限责任公司安徽海螺信息技术工程有限责任公司农夫山泉股份有限公司山西潞安煤基清洁能源有限公司长沙有色冶金设计研究院有限公司首钢自动化信息技术有限公司北京一轻食品集团有限公司辽宁格瑞自动化设备有限公司甘肃稀土新材料股份有限公司IV鸣谢单位：海油发展工程技术公司九芝堂股份有限公司昆明龙津药业股份有限公司四川科伦药业股份有限公司鸣谢专家：刘凯赵家蓉冷川李麒杨大雷朱献忠汪鸿涛章海宋鹏韩满璇茹文涛杨林鄢锋左永红李军海任勇宋登科王恒兵何承发詹家干荣光陈彦东郭伟荣吴学谦苗加乐张力李希峰V前言“十三五”规划《纲要》提出实施智能制造工程，培育推广新型智能制造模式。流程行业作为国民经济的重要基础和支柱产业，为国民经济的快速发展做出了重要贡献，同时，流程型智能制造作为智能制造五大新模式之一，需结合自身特色探索智能制造之路。流程行业是我国实体经济的基石，历经70年代技术与装备引进、80年代初消化吸收、90年代自主创新几个重要阶段后，在智能制造这一新的历史契机下，流程行业积极开展智能制造探索，在智能工厂建设、重点装备研发、关键工艺技术突破、复合型人才培养、标准研制推广和应用等方面取得了丰硕的成绩。中国电子技术标准化研究院联合深圳华制智能制造技术有限公司、东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室，面向石化、有色、钢铁、水泥、食品、医药等行业的重点企业开展调研走访，汲取流程行业智能制造经验，编写形成了《流程型智能制造白皮书》。白皮书从流程型制造关注的核心问题出发，从工艺优化、智能控制、生产调度、设备运维、质量检验、能源管控等多个角度进行了系统梳理。针对核心问题和指标，总结了流程型智能制造的重点建设方向，提炼了数字化、网络化、智能化的智能制造实施要素。通过数据收集和统计分析，归纳整理了流程行业的智能制造需求和智能制造解决方案的供给情况，在研发创新、人才培养、示范推广方面，为行业主管部门和企业提出产业发展建议。希望本白皮书中的行业见解、数据分析和方向建议能为关心流程行业智能制造发展的人员提供创新思路和启发，为推进相关智能制造工作提供路径参考和依据。VIVII一、概述 ………………………………………………………………1 1.1 流程行业发展历程 ……………………………………………1 1.2 流程型制造的内涵及特征 ……………………………………1 1.3 流程型制造面临的挑战与新机遇 ……………………………4二、流程型制造关注的核心问题综述…………………………………7 2.1 工艺优化 ………………………………………………………7 2.2 智能控制 ………………………………………………………8 2.3 生产调度 ………………………………………………………9 2.4 物料平衡 ……………………………………………………10 2.5 设备运维 ……………………………………………………11 2.6 质量检验 ……………………………………………………12 2.7 能源管控 ……………………………………………………13 2.8 安全环保 ……………………………………………………14三、流程型智能制造重点建设方向与新模式………………………17 3.1 流程型智能制造重点建设方向 ……………………………17 3.2 流程型智能制造新模式 ……………………………………45■目录VIII四、流程型智能制造发展现状………………………………………49 4.1 流程行业智能制造需求分析 ………………………………52 4.2 流程行业智能制造解决方案供给能力分析 ………………63五、实施建议…………………………………………………………71 5.1 智能制造赋能流程型制造设计院、科研机构， 寻找核心技术突破口 ………………………………………71 5.2 以智能制造为契机，将技术人才引入流程型制造 ………72 5.3 依托标杆示范企业和标准化手段， 加速流程型智能制造推广 …………………………………72附录 术语表 …………………………………………………………73IX■图目录图1-1流程型制造行业划分……………………………………………2图1-2智能制造新机遇下的流程型制造模式…………………………6图2-1工艺优化要素分析………………………………………………8图2-2智能控制要素分析………………………………………………9图2-3生产调度要素分析……………………………………………10图2-4物料平衡要素分析……………………………………………11图2-5设备运维要素分析……………………………………………12图2-6质量检验要素分析……………………………………………13图2-7能源管理要素分析……………………………………………14图2-8安全环保要素分析……………………………………………15图3-1工艺优化智能制造实施要素…………………………………18图3-2智能控制智能制造实施要素…………………………………21图3-3智能控制智能化功能…………………………………………22图3-4生产调度智能制造实施要素…………………………………24图3-5生产调度智能化功能…………………………………………24图3-6物料平衡智能制造实施要素…………………………………26图3-7设备运维智能制造实施要素…………………………………28图3-8设备运维基础数字化…………………………………………29图3-9流程型智能工厂设备运维网络架构…………………………30图3-10设备运维智能化功能-预测性维护…………………………31X图3-11设备运维智能化功能-数字孪生……………………………32图3-12质量检验智能制造实施要素………………………………34图3-13能源管控智能制造实施要素………………………………37图3-14能源管理基础数字化………………………………………38图3-15流程型智能工厂能源运维网络架构………………………39图3-16能源管理智能化功能………………………………………40图3-17安环管理智能制造实施要素………………………………42图3-18EHS管理基础数字化…………………………………………43图3-19流程型智能工厂安环网络架构……………………………44图3-20安环管理智能化功能………………………………………45图4-12015～2018年度国家级流程型智能制造项目分类统计……49图4-2受访流程企业或项目智能制造投入方向的统计……………51图4-3石化行业关注的智能制造重点方向…………………………53图4-4有色行业关注的智能制造重点方向…………………………55图4-5钢铁行业关注的智能制造重点方向…………………………57图4-6水泥行业关注的智能制造重点方向…………………………59图4-7食品饮料行业关注的智能制造重点方向……………………61图4-8医药行业关注的智能制造重点方向…………………………62图4-9受访解决方案供应商行业分类………………………………64图4-10流程型智能制造解决方案分类……………………………65流程型智能制造白皮书1一、概述1.1 流程行业发展历程流程行业是制造业的重要组成部分，是经济社会发展的支柱产业，占全国规模以上工业总产值的47%左右，是我国实体经济的基石。我国流程行业经过数十年的发展，历经70年代技术与装备引进、80年代初消化吸收、90年代自主创新几个阶段，实现了与国际先进流程行业并跑。现阶段，我国流程行业的生产工艺、装备和生产过程自动化水平都得到了大幅度提升，整体发展速度快，产业规模连续跨越，整体实力增长迅速，国际影响力显著提高。目前我国已成为世界上门类最齐全、规模最庞大的流程制造业大国。比如，我国流程行业产能高度集中，钢铁、有色、电力、水泥、造纸等行业的产能均居世界第一；我国十种有色金属总产量连续15年世界第一；石油加工能力、乙烯产量位居世界第二。当前，我国流程行业面临第四次工业革命的历史契机、中国制造升级转型和供给侧结构性改革的关键时期，必须抓住机遇、迎接挑战。近十年来，我国制造业持续快速发展，总体规模大幅提升，综合实力不断增强，不仅对国内经济和社会发展做出了重要贡献，还成为支撑世界经济的关键力量。1.2 流程型制造的内涵及特征流程型制造是以资源和可回收资源为原料，通过物理变化和化学反应的连续复杂生产，为制造业提供原材料和能源的基础工业，包括石化、化工、造纸、水泥、有色、钢铁、制药、食品饮料等行业，是我国经济持续增长的重要支撑力量。2.2.1 人员流程型智能制造白皮书2图1-1 流程型制造行业划分与离散行业相比，流程行业存在显著差异。离散工业为物理加工过程，产品可单件计数，制造过程易数字化，强调个性化需求和柔性制造。而流程行业生产运行模式特点突出，比如，原料变化频繁，生产过程涉及物理化学反应，机理复杂；生产过程连续，不能停顿，任一工序出现问题必然会影响整个生产线和最终的产品质量；部分产业的原料成分、设备状态、工艺参数和产品质量等无法实时或全面检测。流程行业的上述特点突出地表现为测量难、建模难、控制难和优化决策难。我国流程行业的发展正受到资源紧缺、能源消耗大、环境污染严重的制约。流程行业是高能耗、高污染行业，我国石油、化工、钢铁、有色、电力等流程行业的能源消耗、CO2排放量以及SO2排放量均占全国工业的第一位。随着我国经济的持续发展，流程行业原料的对外依存度不断上升。资源和能源利用率低是造成资源紧缺和能耗高的一个重要原因。我国矿产资源总回收率、能源利用率均低于国外先进水平，致使我国钢铁、有色、电力、化工等8个高耗能行业单位产品能耗与世界先进水平有一定的差距。我国矿产资源复杂，资源禀赋差，随着优质资源的枯竭，资源开发转向“低品位、难处理、多组分共伴生复杂矿为主”的矿产资源，资源综合利用率低、流程长、生产成本高。为解决资源、能源与环保的问题，我国流程行业已从局部、粗放的生产模式向全流程、精细化的生产模式发展，如钢铁、石化等行业，提高了资源与能源的利用率，有效减少了污石化钢铁化工制药电子食品饮料纺织造纸烟草印刷水泥橡塑包装有色汽车机械流程离散流程型智能制造白皮书3染。但是转型发展还不够充分，高效化和绿色化是我国流程行业发展的必然方向。现阶段，我国流程型制造企业从制造过程底层到生产经营顶层还存在一些问题：（1）在以资金流为主的经营决策层面：供应链采购与装置运行特性关联度不高、产业链分布与市场需求存在不匹配，知识型工作自动化水平低，缺乏快速和主动响应市场变化的商业决策机制。（2）在以物质流为主的生产运行层面：资源和废弃资源缺乏综合利用，运行过程依靠知识工作者凭经验和知识进行操作，精细化优化控制水平不高，面向高端制造的工艺流程构效分析与认知能力不足，缺乏虚拟制造技术。（3）在以能量流为主的能效安环层面：能源的错时空利用技术有待发展，能源管理与生产运行缺乏协同，单位产量能效水平亟需提高。高危化学品、废水、废气、废固的全生命周期足迹缺乏监管和溯源，危化品缺乏信息化集成的流通轨迹监控与风险防范。（4）在以信息流为主的信息感知层面：物料属性和加工过程部分特殊参量无法快速获取，大数据、物联网和云计算等技术在物流和产品流通轨迹监控、生产和管理优化中的应用不够，亟需工业物联网扩充信息资源以深度认识复杂的流程行业过程。（5）在系统支撑层面：我国流程行业生产效率不理想，既体现为生产系统跨层次运行效