智能電站框架研究與信息化工程實(shí)踐
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王曦釗，劉勝軍，王德軍，何寧
（神華國華（北京）電力研究院有限公司，北京100025）
摘要：基于美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、德國工業(yè)4.0和我國兩化融合國策帶來的第二產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展趨勢，從發(fā)電企業(yè)實(shí)際出發(fā)，闡述了國華電力關(guān)于發(fā)展智能電站“三位一體”建設(shè)框架的思考及以“一控三中心”管理模式、“APS+現(xiàn)場總線”數(shù)字化技術(shù)和“一體兩翼三提升”信息化建設(shè)為核心的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。以此為藍(lán)圖，創(chuàng)新項(xiàng)目群管理辦法，解決了工程實(shí)踐中的實(shí)施內(nèi)容多而復(fù)雜、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的問題，取得了6個(gè)方面的初步成果，提高了電站整體運(yùn)營水平，為發(fā)電行業(yè)智能化發(fā)展積累了經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：工業(yè)4.0；智能化；發(fā)電；兩化融合中圖分類號(hào)：TN918.91
doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2016071
1 引言
北京國華電力有限責(zé)任公司（以下簡稱國華電力）作為神華集團(tuán)以火力發(fā)電為主營業(yè)務(wù)的全資子公司，堅(jiān)持以“專業(yè)化、集約化、扁平化、信息化”為方向，努力建設(shè)世界一流的發(fā)電企業(yè)。在內(nèi)外部壓力不斷加劇的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，公司緊抓國企轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要機(jī)遇，加強(qiáng)自身建設(shè)，利用先進(jìn)的信息技術(shù)，改善發(fā)電業(yè)務(wù)生產(chǎn)關(guān)系，提高企業(yè)生產(chǎn)力水平，實(shí)現(xiàn)“數(shù)字化電站，信息化管理”，固本增效，探索企業(yè)智能化發(fā)展之路。
2 工業(yè)智能化趨勢
2008年的金融危機(jī)引發(fā)了全球?qū)?jīng)濟(jì)過度虛擬化的反思，世界各國普遍掀起一股重新審視和定位實(shí)體經(jīng)濟(jì)的浪潮。歐美等發(fā)達(dá)地區(qū)和國家不約而同地選擇了高端制造環(huán)節(jié)和研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，希望通過技術(shù)變革和創(chuàng)新，在第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)模式與全球布局的新一輪調(diào)整中搶占先機(jī)，力求推動(dòng)全社會(huì)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。工業(yè)化是一項(xiàng)宏觀的系統(tǒng)工程，雖然困難重重，但也充滿機(jī)遇。美國、日本、英國、德國、法國、瑞典等發(fā)達(dá)國家密集頒布了一系列的產(chǎn)業(yè)政策和振興計(jì)劃，加強(qiáng)重點(diǎn)領(lǐng)域的投資、研究和實(shí)踐，其中具有代表性且影響較大的是美國提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和德國提出的工業(yè)4.0。
美國通用電氣公司(General Electric Company，簡稱GE)在2012年提出把互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)結(jié)合在一起可以帶來第三次產(chǎn)業(yè)革命，即工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。它描述了從智能裝備上升到智能系統(tǒng)，最后實(shí)現(xiàn)人的智慧決策的總體愿景，核心是人和大數(shù)據(jù)，即人在大數(shù)據(jù)的支持下，進(jìn)行更加智慧的決策。在行業(yè)組織上，GE與IBM、Cisco、Intel和AT&T組建_丁業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟，領(lǐng)導(dǎo)和協(xié)調(diào)美國整個(gè)工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府資源。在具體應(yīng)用上，GE提出了大數(shù)據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)、大數(shù)據(jù)風(fēng)電場；Intel則提出了大數(shù)據(jù)工廠的概念。在預(yù)期效益上,GE預(yù)測如果所有的工業(yè)系統(tǒng)能夠有1%的提升，這1%的提升也許是效率的提升，也許是成本的下降，那么未來10年會(huì)創(chuàng)造19萬億美元的產(chǎn)值，相當(dāng)于美國一年的產(chǎn)值。
德國工業(yè)4.0的目標(biāo)是建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。“整個(gè)系統(tǒng)將更加智能，聯(lián)網(wǎng)更加緊密，不同組件之間可以相互溝通，工作更快，反應(yīng)更加迅速。物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)網(wǎng)以及數(shù)據(jù)網(wǎng)將取代傳統(tǒng)封閉性的制造系統(tǒng)成為未來工業(yè)的基礎(chǔ)”。具體的路線是以“信息物理系統(tǒng)”(cyber-physical system，CPS)為載體，構(gòu)建智能工廠，進(jìn)行智能生產(chǎn)，涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用。德國電子電氣工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測，工業(yè)4.0將使工業(yè)生產(chǎn)效率提高30%。
我國十六大提出“以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)信息化”，“十二五”規(guī)劃強(qiáng)調(diào)推進(jìn)“兩化融合”，一直順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，走自主的工業(yè)化轉(zhuǎn)型之路。最近10年，信息技術(shù)不斷取得新的突破，特別是社交媒體、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，已經(jīng)在深刻地改變著社會(huì)的各個(gè)方面，對傳統(tǒng)行業(yè)造成了強(qiáng)烈的沖擊。在新的智能化時(shí)代，如何把握機(jī)遇，構(gòu)建下一代的發(fā)電企業(yè)競爭力，需要深入思考。
3智能電站建設(shè)框架
國華電力成立之初就重視學(xué)習(xí)和運(yùn)用先進(jìn)的管理理念和管理工具，特別是信息化，15年來經(jīng)過起步、發(fā)展、持續(xù)優(yōu)化和創(chuàng)新突破4個(gè)階段，已經(jīng)建立了公司范圍的廣域網(wǎng)和廠級(jí)局域網(wǎng)，信息系統(tǒng)基本覆蓋了基建、生產(chǎn)、運(yùn)營、辦公等核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)的信息化支撐。新的形勢下，國華電力提出建設(shè)“一鍵啟停、無人值守、全員值班的信息化電站”的總體戰(zhàn)略，確定“三位一體”的總體智能電站建設(shè)框架，如圖1所示。
所謂“三位一體”，指管理模式創(chuàng)新、數(shù)字化基礎(chǔ)與信息化管理。任何一個(gè)方面的改變，都會(huì)對另外兩個(gè)方面造成影響，當(dāng)自動(dòng)化技術(shù)跨越式發(fā)展時(shí)，很多人力工作被替代，必然引起組織模式的變革，從而進(jìn)一步引發(fā)信息化管理的聯(lián)動(dòng)：當(dāng)管理思想和理念出現(xiàn)新的潮流時(shí)，人們會(huì)主動(dòng)地探索支撐這一趨勢的數(shù)字化技術(shù)和信息化手段；當(dāng)信息化不斷深化、新技術(shù)快速涌現(xiàn)時(shí)，新的資源與價(jià)值被發(fā)現(xiàn)．必然會(huì)推動(dòng)管理的思考與創(chuàng)新，更影響著數(shù)字化技術(shù)的選擇。三者聯(lián)動(dòng)螺旋上升，不斷地相互匹配、相互推動(dòng)，能夠讓企業(yè)不斷獲得新的競爭能力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
國華電力從業(yè)務(wù)實(shí)際出發(fā)，應(yīng)用框架模型，開展示范工程建設(shè)，對3個(gè)方面進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)。
(1)管理模式創(chuàng)新：“一控三中心多終端”
“一個(gè)控制中心，3個(gè)監(jiān)視中心，多個(gè)數(shù)據(jù)終端”是在原有主控室不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)營需求，將研究、分析、診斷的功能移向后臺(tái)并強(qiáng)化，通過信息化手段實(shí)現(xiàn)分析診斷中心、安全消防保衛(wèi)中心、成本利潤中心所需功能，三中心圍繞生產(chǎn)、營運(yùn)，各有側(cè)重。同時(shí)面向多終端（智能手機(jī)、平板電腦、現(xiàn)場手持設(shè)備等）推送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)管理的隨時(shí)隨地。
主控室主要負(fù)責(zé)調(diào)度執(zhí)行、運(yùn)行管理，對各項(xiàng)生產(chǎn)業(yè)務(wù)進(jìn)行監(jiān)控分析；分析診斷中心開展機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、狀態(tài)預(yù)判和故障重現(xiàn)分析，主要承載兩票執(zhí)行、技術(shù)分析和演練培訓(xùn)，為檢修維護(hù)人員提供設(shè)備數(shù)據(jù)庫，幫助一線管理人員全面了解設(shè)備情況，獲取專家建議，提升設(shè)備管理水平；安全消防保衛(wèi)中心實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控、人員識(shí)別和消防等業(yè)務(wù)工作的專業(yè)化管理和一體化管控；成本利潤中心整合電站經(jīng)營、人力、財(cái)務(wù)信息，為其他中心提供人、財(cái)、物支持。
“一控三中心多終端”在組織上要通過服務(wù)外包、專業(yè)運(yùn)營和集中管理實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)精干合成和管理層級(jí)扁平，切實(shí)減員增效，達(dá)成電站管理人員30人的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在實(shí)現(xiàn)上，必不可少地要借助自動(dòng)化技術(shù)的提升和信息化管理手段的全面應(yīng)用。
(2)數(shù)字化基礎(chǔ)：“APS+現(xiàn)場總線”
為提高機(jī)組自動(dòng)化水平，一方面采用機(jī)組自啟�？刂葡到y(tǒng)(automatic plant startupand shutdown system, APS)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組不同狀態(tài)下的覆蓋主輔機(jī)的全程無人干預(yù)啟停自動(dòng)控制，減少人為干預(yù)機(jī)組運(yùn)行；另一方面應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，將大量的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)傳到控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)視、統(tǒng)計(jì)分析、故障維修／維護(hù)、歷史數(shù)據(jù)管理，在分析診斷中心實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程管理，加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集能力，為管理提供更多的實(shí)時(shí)信息。
(3)信息化管理：“一體兩翼三提升”
要支撐新的業(yè)務(wù)模式，就必須充分利用數(shù)字化基礎(chǔ)，解決電站獨(dú)立系統(tǒng)發(fā)展不平衡、信息平臺(tái)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)共享不充分的問題，建設(shè)簡潔、高效、實(shí)用的信息化平臺(tái)，核心思路就是“一體兩翼三提升”。
·一體是基礎(chǔ)：即建設(shè)一體化業(yè)務(wù)工作臺(tái)，將主要應(yīng) 用系統(tǒng)整合集成，為管理人員提供統(tǒng)一視圖，做到 數(shù)據(jù)一體、平臺(tái)一體、應(yīng)用一體、展現(xiàn)一體。
·兩翼是補(bǔ)充：一個(gè)是移動(dòng)作業(yè)與管理集成，另一個(gè)是消防安全保衛(wèi)集成，打破地理限制，掃除視覺盲區(qū)，任何一點(diǎn)都是中心，隨時(shí)隨地都能工作，實(shí)踐電站的“互聯(lián)網(wǎng)思維”。
·三提升是突破口：一是加強(qiáng)自動(dòng)報(bào)送，通過就源采集、數(shù)據(jù)復(fù)用和文檔表單化，減輕例行性、重復(fù)性填報(bào)工作量，推進(jìn)流程自動(dòng)化；二是加強(qiáng)分析預(yù)判，實(shí) 現(xiàn)經(jīng)營指標(biāo)的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)預(yù)測，加強(qiáng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的挖掘預(yù)警，推進(jìn)管理預(yù)控化；三是加強(qiáng)決策支持，為領(lǐng)導(dǎo)層提供全面的數(shù)據(jù)指標(biāo)、分析模型和預(yù)測結(jié)果，推進(jìn)決策科學(xué)化。
4 工程實(shí)踐方法
在做好數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，工程實(shí)踐的重點(diǎn)在于管理信息化的落地。整體項(xiàng)目覆蓋電站的全業(yè)務(wù)領(lǐng)域，涉及相關(guān)的20余個(gè)業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)，涉及生產(chǎn)運(yùn)營管理人員和外圍隊(duì)伍全部有關(guān)人員的使用，內(nèi)容多而復(fù)雜，協(xié)調(diào)開展困難，實(shí)施任務(wù)艱巨。
建設(shè)工作以項(xiàng)目群管理辦公室(PMO)的方式推進(jìn)，內(nèi)部集合國華電力本部、研究院和電廠的專家骨干，外部與一流的設(shè)計(jì)院、咨詢機(jī)構(gòu)、軟件廠商合作，協(xié)同工作。PMO將項(xiàng)目分為咨詢設(shè)計(jì)和開發(fā)實(shí)施兩大階段，建立“四縱六橫“矩陣式的組織機(jī)制，做到業(yè)務(wù)從始至終，開發(fā)緊抓主線，如圖2所示。
“四縱”即依據(jù)“一控三中心”劃分為4個(gè)業(yè)務(wù)組縱貫到底。各個(gè)業(yè)務(wù)組整合業(yè)務(wù)資源，梳理業(yè)務(wù)邏輯，重組業(yè)務(wù)模式。流程方面，建立流程手冊，確定了生產(chǎn)、經(jīng)營兩大業(yè)務(wù)域，二級(jí)業(yè)務(wù)能力17項(xiàng)，三級(jí)業(yè)務(wù)能力113項(xiàng)，四級(jí)業(yè)務(wù)流程360個(gè)，并按社會(huì)化程度和管控程度，設(shè)計(jì)了核心業(yè)務(wù)框架：制度方面，從416個(gè)現(xiàn)行制度中匹配出189個(gè)在崗位工作中需要密切關(guān)注和參照執(zhí)行的制度；指標(biāo)方面，以EVA價(jià)值體系為依據(jù)，設(shè)計(jì)流程指標(biāo)292個(gè)、業(yè)務(wù)指標(biāo)133個(gè)；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)化新的業(yè)務(wù)模式落地方式，即針對30個(gè)核心崗位，以每一個(gè)崗位為中心，明確相對應(yīng)的職責(zé)、流程、制度、指標(biāo)以及設(shè)備資產(chǎn)負(fù)責(zé)范圍。以此為依托，4個(gè)縱向業(yè)務(wù)組為平臺(tái)各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)、實(shí)施和測試提供業(yè)務(wù)知識(shí)，保證業(yè)務(wù)邏輯的一致和延續(xù)。
“六橫”即依據(jù)“一體兩翼三提升”劃分為六大橫向主線系統(tǒng)組，以此為抓手整合20余個(gè)底層業(yè)務(wù)系統(tǒng)，依據(jù)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的業(yè)務(wù)架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)和應(yīng)用架構(gòu)，打造全面覆蓋、流程貫通、數(shù)據(jù)共享的一站式業(yè)務(wù)工作平臺(tái)。其中，實(shí)現(xiàn)功能需求773項(xiàng)，報(bào)表402份，自動(dòng)化率和數(shù)據(jù)復(fù)用率達(dá)100%．文檔表單化514張，商務(wù)智能分析指標(biāo)380個(gè)，分析報(bào)表177張，移動(dòng)應(yīng)用8項(xiàng)，建立了涵蓋六大專業(yè)，600余個(gè)主要設(shè)備的設(shè)備數(shù)據(jù)庫。
一體化業(yè)務(wù)平臺(tái)的開發(fā)實(shí)施采用先進(jìn)的SOA架構(gòu)，總體分為5層，如圖3所示。最底層為專業(yè)應(yīng)用，主要是核心的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，包含資產(chǎn)管理系統(tǒng)BFS++、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)系統(tǒng)PI、人財(cái)物管理系統(tǒng)ERP等10余個(gè)系統(tǒng)：次底層為技術(shù)支撐平臺(tái)，部署集成應(yīng)用環(huán)境、企業(yè)服務(wù)總線、業(yè)務(wù)流程管理、數(shù)據(jù)倉庫等核心技術(shù)環(huán)境；中間層開發(fā)跨系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用，包含了自動(dòng)報(bào)表、BI主題分析及設(shè)備數(shù)據(jù)庫；次頂層與業(yè)務(wù)管理和職能劃分緊密結(jié)合，從“一控三中心”角度整合應(yīng)用、移動(dòng)辦公和移動(dòng)作業(yè)：最頂層即展現(xiàn)層，為用戶提供一體化的桌面交互界面和移動(dòng)交互界面。
5 主要實(shí)踐成果
一是以崗位為中心的工作臺(tái)，根據(jù)部門和崗位職責(zé)，將流程、制度、績效指標(biāo)相關(guān)的信息化資源有目的地提供給使用人員，既保證了全面、有效數(shù)據(jù)和應(yīng)用的獲取，又確保系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全，還進(jìn)行了個(gè)性化定制，提供的都是與自己切身工作相關(guān)的內(nèi)容，大大提高了效率，也提高了信息系統(tǒng)的實(shí)用化水平。
二是以國華電力設(shè)備數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，通過KKS碼從電廠設(shè)計(jì)期、設(shè)備采購期、基本建設(shè)期到生產(chǎn)運(yùn)營期形成價(jià)值鏈的貫通和一體化數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，應(yīng)用層面通過設(shè)備分類的一致性，保證了三維設(shè)計(jì)、基建管理、設(shè)備管理、故障預(yù)警、物流管理等系統(tǒng)的應(yīng)用功能打通，設(shè)計(jì)分析診斷應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)全壽命周期管理貫通的信息化集成能力。
三是實(shí)現(xiàn)電廠的實(shí)時(shí)盈虧分析和預(yù)測，提高對市場變化做出快速反應(yīng)的能力，便于資源配置優(yōu)化和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控。
四是安全、消防、保衛(wèi)的一體化管理，一個(gè)層面是將攝像機(jī)、消防報(bào)警設(shè)施和門禁集成到一個(gè)全廠三維平臺(tái)上進(jìn)行集中管控；另一層面是將這些資源一體化聯(lián)動(dòng)，與管理流程相結(jié)合，達(dá)到快速響應(yīng)、及時(shí)處理的目的，提高管理效率，推動(dòng)減員增效。
五是報(bào)表的自動(dòng)化，通過就源輸入、數(shù)據(jù)復(fù)用，產(chǎn)生自動(dòng)報(bào)表，方便數(shù)據(jù)追溯，保證了數(shù)據(jù)的唯一性和準(zhǔn)確性，促進(jìn)了數(shù)據(jù)的透明共享，減輕了數(shù)據(jù)報(bào)送的簡單重復(fù)勞動(dòng)。
六是隨時(shí)隨地移動(dòng)作業(yè)，通過全廠Wi-Fi覆蓋、移動(dòng)應(yīng)用程度開發(fā)及其與一體化業(yè)務(wù)工作臺(tái)的集成，實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)的移動(dòng)互聯(lián)，提升現(xiàn)場作業(yè)和管理的便捷性。
6 結(jié)束語
通過數(shù)字化、信息化手段將發(fā)電設(shè)備、人和管理有機(jī)互聯(lián)，智能電站的探索實(shí)踐是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代、大數(shù)據(jù)時(shí)代下發(fā)電企業(yè)的軟實(shí)力和軟資產(chǎn)，是管理轉(zhuǎn)變與提升的抓手，支持企業(yè)融合創(chuàng)新，更是發(fā)電行業(yè)響應(yīng)國家戰(zhàn)略，參與國際競爭，與歐美發(fā)達(dá)地區(qū)和國家共同創(chuàng)造新工業(yè)時(shí)代的重要途徑，有必要進(jìn)一步深入研究，推進(jìn)行業(yè)跨越式發(fā)展。
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