导读：2023年10月28日，由中国自动化学会主办的2023国家工业软件大会在浙江湖州盛大开幕。大会以“工业软件·智造未来”为主题，汇聚了25位国内外院士，1500余位代表，共同探讨工业软件领域前沿理论和技术创新应用问题，共同谋划我国工业软件未来发展之道。

 和利时科技集团有限公司中央研究院副院长黄劲松受邀在2023国家工业软件大会中作题为“和利时HiaPlant智能化平台赋能流程行业数字化转型”的专题报告。报告介绍了和利时作为全球智能化系统解决方案主力供应商，30年来不断突破壁垒，创新发展，完成了国内多个首台套。最新OCS工业光总线控制系统，通过两大核心技术，软件定义I/O技术和工业光总线技术，打造新一代过程控制系统，并且在石油天然气、石油化工、煤化工、精细化工、制药、多晶硅等行业拥有数百个应用案例。和利时数智化转型解决方案覆盖现场传感及执行层、过程操作及控制层、生产管理及运营层，基于HiaPlant平台的一体化解决方案，以数字化转型为核心，持续更新迭代，推出一批先进易用的工业软件产品及方案，广泛应用于电力、化工、炼化、石油天然气、冶金、建材、造纸、食药、新能源等行业，赋能企业信息化转型，帮助企业降本增效，提升企业核心竞争力。

和利时HiaPlant智能化平台赋能流程行业数字化转型

和利时集团创建于1993年，目前，集团专注于多个核心领域，包括工业智能化（流程制造业及离散制造业）、交通智能化（高铁、城铁及地铁）以及食药智能化三大板块。在流程制造业领域，集团积极参与多个超大型炼化项目的建设，为中国石化天津南港120万吨/年乙烯及下游高端新材料产业集群项目提供先进的控制系统及工业软件。此外，在离散制造业方面，提供高效的可编程逻辑控制（PLC）系统。在交通智能化领域，和利时集团致力于高铁和城铁的发展。在食药智能化领域，和利时的食药数字化工厂解决方案帮助食药客户实现了从生产、检验、到包装等全过程的智能控制，并使传统中药房的抓药过程更加智能化。在国家高端制造业中，核电和高铁被视为两个重要代表领域，而和利时集团的控制系统在核电领域市场和高铁的车载控制系统市场占有率均超过50％。

一、智能管控一体化整体框架

和利时集团在控制系统领域拥有先驱地位，自1993年成立以来，率先在国内推出了多个关键控制系统，包括国内首套DCS系统、符合SIL3安全完整性等级的SIS系统、大型PLC系统、SCADA系统以及OCS工业光总线控制系统，打破了国外垄断，实现了国内控制系统的自主可控和安全可信。

为适应整个行业数字化转型需求，和利时集团提供了全面的解决方案，涵盖从现场仪表的传感及执行、操作、控制以及生产管理的各个层面，提供的产品包括DCS、SIS、PLC、SCADA、OCS等多种控制系统。在工业软件方面，特别是MES生产管理软件和操作及控制优化软件，我们能够提供全套解决方案。丰富的产品谱系构建了和利时HiaPlant智能化平台。HiaPlant平台包含软件框架和一套标准，我们通过“平台+应用”的方式为每个用户快速构建个性化的产品和解决方案。我们的解决方案覆盖从现场仪表到控制系统再到工业软件三个层面，主要聚焦于生产控制、操作和管理相关的各类解决方案。

和利时集团在行业用户数字化转型的过程中，针对用户面临的主要挑战，推出了OCS工业光总线控制系统，如图1所示。该产品有两大特点：首先，采用软件定义I/O技术实现数字布线，避免了传统DCS系统中因I/O卡件专用化而带来的施工成本和低效率问题；其次，利用工业光总线技术实现一光通达，即从现场到机柜间全程光纤传输，在成本优势下提供了高带宽、传输效率更优且抗干扰性强的解决方案。OCS的推出旨在帮助用户降低获取和传输现场数据的成本，同时降低工程设计的复杂性。

图1 OCS工业光总线控制系统

引入OCS后，DCS系统发生了一些变革，如图2所示。在系统结构方面，传统DCS在机柜间的大量机柜已经不复存在，传统的信号传输过程中采用的电通讯方式完全转变成了光通讯方式。生产现场的数据在现场直接经过iDTU转化为数字信号，通过工业光总线传输给控制系统或上层软件。这种结构变化为用户带来了工程设计复杂度的大幅降低和仪控系统成本的下降。OCS产品的控制器底板下直接连接着光口，来自于现场iDTU的光纤可以直接插入，这即所谓的“一光通达”。相较于过去从现场仪表到控制器之间存在现场接线箱和中间机柜等多个环节，这种简化结构实现了高效的数据传输。

图2 系统结构图

在OCS中，将iDTU智能数据传输单元安装于现场，因此面临着对于工业现场恶劣环境的适应性挑战。首要考虑的是工作温度的范围，我们的设计范围涵盖从零下40度到正70度，同时还需要考虑在腐蚀性气体和可燃气体环境下如何正常工作，并确保通过防爆认证。此外，湿度、结露以及抗震等因素也需要特殊关注，以确保OCS在恶劣环境下能够稳定可靠地运行。

实际项目实践中，用户也在进行成本分析。通常情况下，采用OCS与光纤相比于传统的DCS与电缆，仪控系统投资成本至少能节省30％，机柜间面积则减少了90％。原先需要大量机柜的项目现在只需要很少数量的机柜（控制器柜和电源柜）。而项目周期至少缩短了50％。截止目前，我们已经成功实施了超过500个项目，涵盖了中石油、中石化和中海油等“三大油”企业，以及地方性大型流程行业企业。

在获取数据后，重要的是如何有效地利用数据，包括提升控制系统的平稳性和操作的有效性。虽然涉及到多种技术手段如PID自整定、控制器性能诊断、报警管理和MPA等，但以往每种手段都是独立的软件系统。为此，我们推出了HiaPlant智能化平台，提供统一的软件架构、图形组态工具以及算法和逻辑组态工具，如图3所示。这样一来，用户在集成多种应用时，系统呈现给用户的将是一个完整的系统，具备统一的界面风格和操作维护模式。在此平台上，我们提供基于分布式的基础服务，包括数据和通信服务。此外，该平台支持不仅符合IC6131-3标准的算法，也支持一些高级语言如C语言的算法，用户可以将其工业知识和算法轻松融入到系统中。

图3 智能控制平台核心特点

在项目实践中，我们专注于为操作人员提供一种与传统界面不同的操作界面。除了显示当前和历史数据外，新型操作界面还提供诊断性数据。因此，现代操作界面被视为一种操作态势的感知界面，不仅展示当前和过去的状态，还具备预见未来可能发生情况的能力，如图4所示。在提高操作效率方面，报警管理被认为是一项极为有效的方法。通过合理设置报警条件，确保只有在现场出现问题时才会触发报警，而在正常情况下不会产生虚假报警。这种方法有助于评估整个系统操作人员的工作水平。

图4 生产驾驶舱

企业中大多数回路采用PID控制。尽管企业声称自身具备良好的自控率，但并非所有的自控系统都能达到最优的控制品质。观察PID的响应曲线可发现，有些表现出色，但也存在波动大、滞后严重的情况。因此，我们提供PID回路诊断服务，在线评估PID回路的品质。若回路正常，则无需干预；若存在问题，我们将提供PID自整定软件，协助调整最佳的PID参数。对于那些强滞后、多耦合的系统无法采用PID方式控制的情况，推荐多变量预估控制方案。该方案能有效实现过程控制的稳定性，提升操作的高效性，有助于进一步提高企业的效率。

为提升操作人员的操作效率，另一个极佳方法是采用OTS（Operator Training System），即操作员在线仿真系统，如图5所示。其核心在于利用一个动态的工厂仿真模型，因为很多事故情况无法在真实工厂进行实操。OTS系统允许训练操作人员应对各种工况及事故环境下的操作方式。此外，由于该系统具备实时仿真模型，因此可以用于验证控制算法和装置改造策略。

图5 和利时智慧管理平台

HiaPlant 平台旨在提供基础的数据服务以及算法编排工具，同时希望将行业专业知识与软件平台区分开来。对于专家来说，专注于工艺流程和行业知识，借助平台，能够优秀地将行业专业知识与控制及自动化系统完美融合。

在这种架构下，计算资源、存储资源和网络资源会被分配给各自的用途。这意味着工程师和专家只需专注于工艺过程和算法。数据通讯过程采用数据模型化方法，而不是传统的单一数据传输。例如，一个现场变速器传输的数据模型包含其过程变量和诊断信息。此外，我们提供低代码或零代码的开发方式，使算法工程师能够将工业知识融入到平台中。

对于企业的领导者和管理者来说，首要任务可能是实现数据的可视化。在可视化的背后，数据不仅来自一些原始数据，还可能涉及到软测量，即一些数据源自算法。有些数据是无法直接通过常规手段测量获得的，但对于管理者而言，这些数据可能是关键的KPI指标之一。通过这种方式，管理者可以更好地了解企业的运行情况，无论身处工厂的何处，都能随时获取相关信息，如图6所示。

图6 智慧大屏

从生产计划、调度、操作及控制，贯穿整个生产过程的数据记录、成本核算，以及绩效评估和回溯，构成了生产管理的自动化和智能化。在生产工艺管理中，操作必须符合规范要求。此外，日常操作人员的巡检、交接班、事故处理等操作管理也至关重要。为提高生产过程中的平稳性和开停工的效率，过去可能采用纸质或人工操作方式，而现在则更倾向于通过系统化的方式管理这些过程。

供应链管理涵盖了从原料到生产再到最终产品的全过程，还包括质量控制，需要在线获取化验室数据，因为很多操作的调整是基于质量指标进行的，如图7所示。

 

 图7 生产协同管理-物料管理

 在能源管理方面，许多用户可能面临一些挑战，尤其是工业领域。很多情况下，现场的仪表设备可能相对陈旧落后。在进行能源管理时，发现需要大量投资来改造现有的仪表系统。最初阶段，能够实现能源可视化，即通过查看现场的能耗数据，进行横向和纵向的比较。通过比较分析，找出存在的缺点和需要改善的地方。然而，真正的能源优化需要建立在能源可视化基础之上。所谓的能源优化是在保证整个生产运行的同时，尽可能降低能耗，比如水和蒸汽的消耗。特别是蒸汽的使用具有一定特殊性，因为蒸汽一旦产生就无法储存，只能排放出去。许多生产装置不仅使用蒸汽，同时也是蒸汽的生产者。通过优化能源网络，调度整个能源的使用，实现在保持生产进行的同时，达到最低能耗的目标。

    在设备管理方面，许多生产事故通常源于设备问题。传统的设备维护方式通常是被动的和周期性的。相比较于操作工在中控室进行的主要操作，现场巡检的辅助操作也可以实现智能化和自动化。通过巡检设备，收集的数据可以汇总到系统中，这使得包括纸质数据和碎片化数据在内的信息都能够被系统分析和利用。

当涉及到可视化方面，人们对于信息展示的要求可能不仅仅局限于二维的形式，也期望能够得到更直观的三维展示。在数字化交付方面，我们提供工厂装置模型，这些模型与实时数据动态连接，为用户提供了一个出色的现场界面，如图8所示。这种结合将实际视频信号和绘制的流程图有机地融合在一起，主要目的是为用户提供更加优质的界面体验。

图8 三维可视化

对于数据访问，不仅可以在中控室获取，而且在整个工厂范围内、甚至是任何地方只要有互联网连接，只要与外界有联系，就可以获取数据。这满足了用户的需求，即使在任何时间和地点，都能获取相关的数据。

当着手建设智能化工厂时，安全问题成为了我们极为关注的一个方面。在过去，工厂安全主要关注本质安全，确保现场仪表防爆，采用SIS系统满足功能安全的要求，还要关注人员安全。然而，如今信息安全和供应链安全也开始受到重视，这是我们以前可能没有如此关注的领域。随着系统的日益开放，人们对信息安全的关注逐渐提高。为了确保供应链安全，我们在DCS系统方面已经实现了100%的国产化，现在电力行业、石油天然气行业，以及其他一些特殊行业，如船用蒸汽轮机控制系统、船用燃机控制系统，都采用了完全自主可控的系统，以确保企业运营的供应链安全。此外，在安全可信方面，我们还提供基于内生安全的解决方案，包括DCS和PLC。传统的信息安全是一种外挂式、被动式的防御，而现在具备了主动防御的能力。

二、智能工厂案例介绍

利时集团的典型客户群涵盖了炼化行业的中石油、中石化，化工行业的中化集团、东岳集团，电力行业的国家能源集团、国家电投等，以及食品医药行业和冶金建材行业，如图9所示。和利时将持续致力于为客户提供智能工厂的整体解决方案，为行业用户的数字化转型贡献自己的力量。

图9 和利时智能工厂典型用户

*本文根据作者在2023国家工业软件大会上所作报告速记整理而成