【CPS】CPS应用案例集

加快传统制造业转型升级，提高石化行业智能化水平

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。石化行业CPS的技术方案可以归纳为：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。

PCPS的四个技术特征分别对应于信息物理系统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的闭环支撑PCPS三大核心功能模块。

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，其功能分为以下三个方面。

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、移动终端以及过程数据等，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。与传统的实时监控相比，石化CPS不仅监控物理世界，它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。

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PCPS、系统级PCPS和单元级PCPS。SoS级PCPS中主要进行决策和采购优化将结果下传到企业，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PCPS中的实时优化系统实现优化目标。

智能工厂PCPS应用，实现了SoS级PCPS、系统级PCPS和单元级PCPS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PCPS根据市场价格变化优化采购和销售计划。系统级PCPS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PCPS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PCPS，使装置在最优操作参数的状态下运行。

建设石化CPS，引领流程工业智能制造发展方向

石化CPS的建设分为3个阶段：理论研究和单元级系统级CPS试点建设阶段、系统级CPS建设提升以及SoS级试点建设阶段、完善提升阶段。

理论研究和单元级系统级CPS试点建设阶段主要进行石化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联互通，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建设提升和SoS级试点建设阶段，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，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的下属企业，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。

推广意义

我国炼油能力，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”，亟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以及人进行深度融合，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。

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汽车及汽车零部件制造作为国家支柱性产业，属于典型的离散型加工装配制造业，根据汽车制造企业混合式生产计划组织的特点，汽车零部件行业生产和管理也必须能够满足大规模混合式生产的需求，其主要特点为：一是按订单生产为主，生产计划制订与任务管理复杂；二是产品型号多样化，产品的设计迭代频繁；三是生产设备及模具等设施运行及管理要求高；四是产品质量要求严格，产品追溯系统复杂。

万向集团作为国内汽车零部件代表性企业，对深化制造业与信息技术融合发展有积极的内在需求和动力。针对以上行业特点以及企业需求，以万向汽车轮毂轴承单元智能制造工厂为载体，实施了一套汽车零部件行业系统级CPS应用体系。

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东风汽车有限公司装备公司应用APS/MES等解决方案实现系统级CPS，本案例的创新性、先进性主要体现在以下三个方面：

（一）基于智能数据采集盒子等技术实现CPS的状态感知功能。系统通过工业以太网与车间底层设备自动化通讯，自动记录各个设备的故障状况、停机状况和检定周期，为维修部门提供预防性维修计划， 减少设备停机时间， 保证产品质量，实现了车间设备层面的透明化管理。

（二）通过SCADA监控平台控制系统以及高级排产算法，实现了定时、按单柔性生产、自动下达与分解任务，同时实现了多类型、多种配置的同时排产和共线生产，减少人工操作参与和失误，使全厂具有柔性化生产制造的功能，大幅度提高了生产效率，是CPS实时分析和科学决策的良好诠释。

（三）本案例也使中、高层管理人员从过去听人工汇报为主，到能够实时在线了解各产线生产状态，从而迅速、准确地做出决策。APS/MES与ERP、产品数据管理（PDM）等异构系统实现数据共享与物理连接，实现了规划、生产、后勤保障和资金流的协调一致，使企业的业务流程更高效，在更高的全局层级上实现了CPS的科学决策功能。

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消除电梯行业运营痛点，打造安全乘梯服务

针对电梯行业目前存在的难题，在现有生产系统的基础上，需要将数据、软件、网络等信息技术与人、机、料等底层制造因素做融合，构建一个数据流动的闭环赋能体系即信息物理系统（CPS）。通过CPS打通电梯从设计、生产计划、到制造的端到端集成，实现设计、制造一体化，减少人为参与，使系统根据用户需求自动生成产品设计图纸、快速转换设备程序，并根据生产单元和生产线的能力，自动调度生产任务。本应用案例从设计、制造、安装到服务的全流程数据采集、分析、监测与诊断，通过对全生命周期数据的积累与分析，优化产品设计、控制参数，并通过对电梯运行过程的远程、实时监测，大幅缩短故障维修时间，并通过分析关键部件的健康状态和剩余寿命，预测性地对部件进行更换和维护，从而减少电梯故障次数，提高电梯安全性和可靠性。

基于数据应用，实现流程剖析再造

电梯智能工厂规划设计的基础网络设施能够实现集中监控、控制、管理和运维并且能够应用于整个工厂业务系统。有线网络建设采用以太网物理接口主导工厂的有线连接，同时采用标准化的实时以太网进行工业现场总线的控制数据和信息数据的同口传输。应用IP技术将工厂级网络向车间级、现场级网络延伸，实现信息网络的IP到底。无线网络主要用于移动类设备及产品信息的采集，包括移动终端的网络连接。结合非实时控制网络Wi-Fi和面向工业过程自动化的工业无线网络WIA-PA，构建工厂无线网络。

电梯订单业务流程新模式、新业态

基于CPS动态传感、数据采集等技术手段对电梯进行实时监测，及时发现故障，实现对电梯运行过程的远程、实时监测，将故障维修时间缩短，并通过分析关键部件的健康状态和剩余寿命，预测性地对部件进行更换和维护，使电梯产品实现了远程监测与智能运行维护的新模式。

电梯制造行业作为离散型特种设备生产制造行业，在CPS的运用及推广上面有着更深远的意义。在订单的快速交付方面，电梯产品订单的全生命周期在各个不同阶段，都可以构建一个个CPS来帮助实现系统目标。通过CPS做出实时分析决策能够保证产品的正常运行同时最优化运维成本，从真正意义上实现并将传统制造模式转型为订单快速交付、服务快速响应的智能制造新业态。

预期社会效益

(一)制造交付周期测算

制造交付周期包括合同计划排产周期1天、合同工程技术图档设计BOM编制周期3天、工艺制定加工路线和制造BOM分解周期1天、采购定价周期2天、原材料采购周期3天、车间加工与装配周期4天、装车发运1天等周期构成，合计为15天，目前缩短为6天，减少60%。

（二）生产效率测算

导入专用折弯与焊接机器人、自动料塔技术、智能检测传感及控制技术、智能物流技术，从原先的人工单机作业建设成为集冲压、折弯、智能检测于一体的自动柔性生产线，将焊接加工从人工焊接生产方式建设成全自动焊接线，生产良品率提高至99.8%，人均生产效率提高60%以上。

（三）产品良品率测算

通过对生产线运行和产品自动检测，并将各项关键检测数据实时发送至品质监控系统，使设备自检率达100%，不合格产品自动筛选、分流返修。

（四）产品研制周期测算

通过深度集成CAD、CAE、CAM、CAPP等应用，实现数据间的自由流通共享。在柔性化设计能量提升方面，通过提高零部件重用性、降低设计变更次数，推进研发过程向产品系列化、零件通用化和功能模块化转变，提高产品快速换型和柔性化设计能力。

（五）公司的运营成本预测

从人员节约分析，通过生产线自动化改造升级，将原有人工操作工序改造成自动生产方式，大幅度节约了直接人力成本，如综合各车间的生产线自动化改造，效率提升和自动物料配送，预计直接人工将超过75人，人力成本节约超过35%。