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工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)關(guān)系分析

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工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)關(guān)系分析

大型工業(yè)企業(yè)的內(nèi)部是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要應用場景之一,計算機和網(wǎng)絡(luò)在先進的大型工業(yè)企業(yè)應用和發(fā)展了幾十年的時間。建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的新意何在?與已有系統(tǒng)之間的關(guān)系應該如何處置?

1典型計算機系統(tǒng)回顧

大型工業(yè)企業(yè)內(nèi)部的計算機系統(tǒng)很多,這些計算機系統(tǒng)往往被分成若干級別。一般分為三級:即基礎(chǔ)自動化級(BA)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)和企業(yè)資源計劃系統(tǒng)(ERP)。其中,BA層主要負責閥門和設(shè)備的控制;MES主要負責車間內(nèi)的生產(chǎn)管理、計劃調(diào)度等;ERP則負責企業(yè)的產(chǎn)供銷計劃和人財物的管理。鋼鐵企業(yè)最常見的做法是分成四級,分別被稱為L1~L4(Level1~Level4)。其中,L1的功能大體與BA系統(tǒng)對應;L2為過程控制級,主要負責大型設(shè)備的協(xié)同控制;L3是車間級的生產(chǎn)管理、相當于MES;L4是公司級的管理,與ERP大體相當。先進企業(yè)還有數(shù)據(jù)倉庫(DW)或商務智能(BI)系統(tǒng)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)強調(diào)聯(lián)網(wǎng)。其實,各層計算機系統(tǒng)之間本就有信息聯(lián)系。上級計算機負責生成生產(chǎn)的目標和要求,層層分解下發(fā)到下層計算機執(zhí)行。低層計算機的執(zhí)行情況也會層層上傳到高層的計算機,以便于管理者掌握生產(chǎn)的情況。但是,這種上傳是有選擇性的,一般只把生產(chǎn)結(jié)果或特殊問題傳上去供人處理,很少觸發(fā)高層計算機的自動反饋和調(diào)整。BA、L1等級別比較低的計算機系統(tǒng)一般稱為自動化系統(tǒng),ERP等級別高的系統(tǒng)常稱為信息系統(tǒng)。事實上,大型工業(yè)企業(yè)的信息系統(tǒng)遠不止這些,幾乎各個部門都有各自的信息系統(tǒng)。比如,設(shè)備管理部門、研發(fā)部門、人事部門、運輸部門、安全環(huán)保部門、銷售和采購部門都會有對應的信息系統(tǒng)。這些系統(tǒng)多數(shù)是部門主導建立的,服務于自己部門的業(yè)務,系統(tǒng)之間的聯(lián)系相對較少。此前推進“兩化融合”時,企業(yè)已開始重視部門之間的聯(lián)網(wǎng)工作。在部分鋼鐵行業(yè)的L4中,就把銷售、設(shè)計、制造、采購、財務部門等多個部門的信息集成到了一起。有些上下游企業(yè)也實現(xiàn)了企業(yè)之間的ERP系統(tǒng)的對接。

2控制與管理的異同

理解工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的價值和定位,需要分析計算機系統(tǒng)被劃分成自動化和信息化系統(tǒng)的原因,也即兩者之間的差異。在智能化時代,要用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動兩類系統(tǒng)的融合。為此,要清楚兩者之間共同的基礎(chǔ)是什么。事實上,可以從控制論的基本思想出發(fā),看兩者的一致性:管理和控制的目的都是為了應對變化,都需要感知信息、做出決策并根據(jù)決策采取行動。但是,兩者的區(qū)別也是明顯的。例如,管理系統(tǒng)的決策主體往往是人,而控制系統(tǒng)的決策主體則是計算機、是算法。從控制論產(chǎn)生的那一天起,人們就希望機器代替人的決策,自動控制系統(tǒng)能夠代替人類的一些工作,但意義卻不僅僅止步于此。例如,自動控制系統(tǒng)的響應速度可以很容易地達到毫秒級,而人類的響應速度則要低得多。所以,自動化系統(tǒng)的控制效果往往比人要好,對提高質(zhì)量、降低成本的價值很大。既然自動化的效果很好,信息系統(tǒng)的決策為什么不能自動化呢?一個重要的原因是:信息系統(tǒng)面臨的問題往往要比自動控制系統(tǒng)復雜很多。一般來說,自動控制針對的是小系統(tǒng)。在實施控制的過程中,系統(tǒng)的參數(shù)會發(fā)生變化,但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不會發(fā)生大的變化。這往往是自動化系統(tǒng)默認的“邊界”。而管理系統(tǒng)針對的是大系統(tǒng),意外(如設(shè)備故障)會導致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化。這種級別的變化種類繁多、影響千差萬別,一般需要人的智慧來靈活應對。人類的計算能力雖然不及自動控制系統(tǒng),卻具備管控復雜大系統(tǒng)的靈活性。人類的這種靈活性恰恰是傳統(tǒng)自動控制系統(tǒng)無法取代的。由于人類的響應速度不是很快,管理系統(tǒng)處理的問題一般也不是實時性特別強的工作。人類的大腦難以成功處理成千上萬個設(shè)備同時發(fā)送過來的秒級、毫秒級的數(shù)據(jù)??傊?,自動控制系統(tǒng)響應速度快,但控制的范圍比較?。恍畔⑾到y(tǒng)的反應速度相對較慢、實時性差,但管理的范圍卻較大。這是一個矛盾,從某種意義上說,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是用來解決這個矛盾:實時性要求高且管理范圍大的問題,就是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的立足點。

3設(shè)備信息聯(lián)網(wǎng)的問題

設(shè)備聯(lián)網(wǎng)是推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個重要起因。在GE公司的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)白皮書中提出,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有三個關(guān)鍵因素:智能的機器、高級分析(算法)、(在線)工作的人。所以,設(shè)備聯(lián)網(wǎng)是一項基礎(chǔ)性的工作。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念提出后,人們對設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的重視程度提高了。如前所述,設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的事情很早就開始了,但重視程度不夠、數(shù)據(jù)的完整性不高。許多年前,就有人希望將設(shè)備信息全面聯(lián)網(wǎng),以便于設(shè)備點檢和維護人員在辦公室了解設(shè)備狀態(tài)。但企業(yè)對這種做法的興趣卻不大:工廠里有專人實地點檢、維護設(shè)備。這種做法在一定程度上降低點檢人員的工作量,但卻不一定能帶來經(jīng)濟價值。事實上,設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)典型案例中,兩類設(shè)備比較突出:第一類是點檢維護不太方便的設(shè)備,如移動設(shè)備(飛機發(fā)動機等)或廠區(qū)外的設(shè)備(風力發(fā)電機等)。第二類是為了便于維護外包的設(shè)備。但這兩類設(shè)備在大企業(yè)內(nèi)部都不是主流,影響不是特別大。若干年后再回顧這段歷史,這些應用可能只是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用的序幕。總之,從技術(shù)角度看,設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的困難并不大。真正的難點是找到合適的價值點。這是大企業(yè)推進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時最棘手的問題。

4工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的定位

設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和傳遞可能是秒級、毫秒級的,如果網(wǎng)絡(luò)連接著成千上萬的設(shè)備,人力很難處理。所以,高層計算機,尤其是管理機很少保存或者處理這樣的數(shù)據(jù)。但是,這種高頻度信息可以通過算法進行處理。情況正常時,不必推送給人類的管理者。只是在發(fā)現(xiàn)問題或者人類需要時,才會把處理結(jié)果或者發(fā)現(xiàn)的問題傳給人類,供人類做出決策。這樣,在算法的幫助下,人們就有能力利用這些高頻、海量數(shù)據(jù)了。事實上,GE工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)白皮書的副標題是PushingtheBoundariesofMindsandMachines,可以理解為“重構(gòu)人和機器的界面”,體現(xiàn)的就是人和機器的協(xié)同。設(shè)備聯(lián)網(wǎng)最直接的作用是實現(xiàn)設(shè)備點檢的遠程化、集約化,幫助人類遠程操控或者檢查設(shè)備的狀態(tài)。這些工作的直接價值在當前可能不大。但是,在此基礎(chǔ)上,可以衍生出更多的功能,產(chǎn)生可觀的“附加值”。例如,通過設(shè)備信息,人們可以檢測質(zhì)量情況、判斷人的操作是否存在問題、生產(chǎn)過程是否有優(yōu)化的空間。所以,設(shè)備聯(lián)網(wǎng)只是基礎(chǔ),很多技術(shù)要以此為基礎(chǔ)發(fā)展起來。這樣,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的價值就體現(xiàn)出來了,其獨立的地位和用途也就顯現(xiàn)出來了。在蘇州有家電子企業(yè),合格率經(jīng)常急劇下降,嚴重影響經(jīng)濟效益。質(zhì)量問題涉及到工藝、操作、設(shè)備、原料等多個方面的因素,涉及到幾十個工序、成千上萬組數(shù)據(jù)。過去,這些數(shù)據(jù)分布在不同的計算機中。而這些機器分布在不同的車間、由不同的人管理。查找問題時經(jīng)常需要從一個系統(tǒng)切換到另外一個系統(tǒng),有時還要把多個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行對比,需要多個部門的人一起工作。出現(xiàn)問題時,經(jīng)常要花費一周的時間才能把問題找出來。后來,這家公司通過互聯(lián)網(wǎng)把相關(guān)數(shù)據(jù)實時地集中在一起,按照工程師查找問題的邏輯讓機器去判斷,十幾分鐘就找到了問題的根源,經(jīng)濟效益非常顯著。傳統(tǒng)工廠操作人員關(guān)注的是工藝信息而不是設(shè)備信息。設(shè)備的運行狀態(tài)是設(shè)備工程師來保證的,然而,設(shè)備信息其實會從側(cè)面反映質(zhì)量情況、效率情況和操作情況。通過合適的算法,可以把這些信息挖掘出來,提供給人類管理者參考,從而讓生產(chǎn)管理水平顯著地提高。而管理水平的提高,又會帶動質(zhì)量、成本、效率等多種指標的優(yōu)化,從而對制造企業(yè)有著極大的好處。

5應用案例與附加值分析

如前所述,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在大企業(yè)內(nèi)部的推進,關(guān)鍵是要找到設(shè)備維護之外的“附加值”,提升經(jīng)濟效益。在筆者看來,這些“附加值”往往與企業(yè)管理水平上升有關(guān)。下面的這些案例,就說明了這一問題。

5.1管線遠程巡檢

運輸氣體或液體的管線本質(zhì)是一種簡單的設(shè)備。在大型化工廠里,管線總長可達數(shù)百公里。為了保證生產(chǎn)安全,工人需要進行徒步巡察,巡察一圈需要兩個小時,甚至在特殊的氣候條件下,兩個小時也很難完成。有些故障是在巡察人員離開后發(fā)生的,要等到下次巡察時才能發(fā)現(xiàn),從而成為隱患。為了解決這個問題,某企業(yè)把與管線巡檢有關(guān)的信息采集出來,通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞到監(jiān)控中心。工人可以在監(jiān)控中心實時監(jiān)控管線的狀態(tài),從而提高設(shè)備維護的水平。同時,一個工人可以監(jiān)控更多的管道,減少了巡檢的人數(shù),提高了勞動效率。

5.2生產(chǎn)操作的集約化

某鋼鐵集團公司的一個生產(chǎn)基地內(nèi)有四座高爐,每座高爐由一組工人操作。高爐的運行節(jié)奏慢,工作相對清閑,但工作環(huán)境差,年輕人不喜歡在這種環(huán)境下工作。于是,企業(yè)通過聯(lián)網(wǎng)的方式,把高爐操作室的數(shù)據(jù)集中在一起。這樣,一組工人可以操作4臺高爐,還可以把操作室安排在環(huán)境相對較好的地方,改善工作環(huán)境。該公司還計劃把國內(nèi)多個生產(chǎn)基地的高爐信息進行聯(lián)網(wǎng)。這樣,當某地高爐出現(xiàn)問題時,可以讓全國優(yōu)秀的專家進行遠程診斷和指導,能更好地保證生產(chǎn)的順行、減少事故損失。

5.3磅秤的集約化與操檢一體

工廠進料、出貨一般要經(jīng)過磅秤稱重。在有些企業(yè),司磅是腐敗的高發(fā)崗位。于是,有些企業(yè)利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)手段,將司磅崗位從現(xiàn)場移開,隔絕了內(nèi)、外部人員的直接接觸。數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)以后,便于對司磅崗位進行遠程監(jiān)督,從而大大降低了腐敗的可能性。另外,多臺磅秤的數(shù)據(jù)聚集在一起,一個人可以操作多臺磅秤,降低了勞動成本。

5.4煤氣的協(xié)同管理

鋼鐵廠中煤氣的生產(chǎn)和使用需要做到動態(tài)平衡。傳統(tǒng)做法是:各個生產(chǎn)廠分別制定各自的生產(chǎn)計劃,使得能源的產(chǎn)供基本平衡。但是,在實際生產(chǎn)過程中總會產(chǎn)生各種問題,產(chǎn)供平衡就會被破壞。利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),可以在全廠范圍內(nèi)獲得相關(guān)設(shè)備信息以及生產(chǎn)的計劃執(zhí)行信息。一旦生產(chǎn)發(fā)生變化,就能預知未來的煤氣產(chǎn)供情況。在此基礎(chǔ)上,稍微調(diào)整某些生產(chǎn)工序的計劃,就可以更好地平衡煤氣的生產(chǎn)和使用。優(yōu)也公司在一家中等規(guī)模的鋼鐵企業(yè)中采用這種做法,一年創(chuàng)造了4200萬元的價值。

6總結(jié)與展望

受技術(shù)條件等因素的限制,自動化系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的聯(lián)系并不密切。人類難以實時處理大批量的數(shù)字化信息,而機器難以靈活處理大系統(tǒng)中的復雜問題。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代,可以通過算法來改變?nèi)伺c機器的協(xié)同工作方式,從而解決這一對矛盾,并顯著提高企業(yè)的管理能力。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的功能與傳統(tǒng)的自動化和信息系統(tǒng)是有區(qū)別的。在短期內(nèi),工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)或許應該與企業(yè)已有的系統(tǒng)并網(wǎng)運行、分工協(xié)作,有利于降低系統(tǒng)更新?lián)Q代的風險。在條件成熟時,用統(tǒng)一的系統(tǒng)來集成各個系統(tǒng)的功能也是可以期待的。

作者:郭朝暉 單位:優(yōu)也信息科技有限公司