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| 內容簡介： |
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《智能化工集成系统》是智能化工专业的一门专业核心课，具有鲜明的学科交叉和工程实践的特点。全书围绕化工数字工厂设计与数字化交付、虚拟工厂设计与数字孪生、智能工厂建设三个核心内容展开。其内容包括：智能化工集成系统概述、化工数字工厂、化工虚拟工厂、化工智能工厂、化工智能工厂的开发及应用，共5章。本书有三个特点：特点一，针对数字工厂、虚拟工厂和智能工厂分别设计了相应的课程设计任务书附于书后；特点二，在每章的开端，根据该章主要内容和逻辑结构绘制了图形摘要，便于读者阅读理解；特点三，针对第3章各种模型的详细推导过程，读者可通过扫描相应位置的二维码自行深入学习。本书可作为化学工程与工艺、过程装备与控制工程、材料科学与工程、环境科学与工程等专业本科及研究生教材，也可作为智能制造背景下现代化工生产专业高级技术人员和管理人员的参考资料。
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| 關於作者： |
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张玮，太原理工大学化学工程与技术学院教授，山西省高等学校教学名师，中国化工学会信息技术应用专业委员会委员，中国化工学会微化工技术专业委员会委员，系主任，支部书记。主要研究方向:微化工系统，化工过程建模与优化，多目标优化以及在化学化工、化工设备等方面的应用。主持国家自然科学基金面上项目，山西省重点研发计划，化学工程联合国家重点实验室开放课题等项目，主持横向课题6项，主持产学合作协同有人项目2项，主持山西省高等学校教学改革创新项目等，发表论文40余篇，其中SCI收录20余篇，EI收录8篇CSSCI收录2篇。
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| 目錄：
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第1章 智能化工集成系统概述 001
1.1 现代化工的挑战与机遇 003
1.1.1 我国化工产业现状 003
1.1.2 化工行业数字化转型 006
1.1.3 化工行业智能化发展 007
1.2 化工行业智能制造 008
1.2.1 智能制造的基本概念 010
1.2.2 智能制造的技术机理 011
1.2.3 智能制造的实现载体—工业互联网 013
1.3 智能化工集成系统架构 021
1.3.1 实体工厂自动化系统 022
1.3.2 数字工厂设计与交付 024
1.3.3 虚拟工厂与数字孪生 026
1.3.4 智能工厂系统实现 029
第2章 化工数字工厂 031
2.1 数字工厂基本概念 033
2.1.1 数字工厂的内涵与功能 033
2.1.2 数字工厂的架构及目标 033
2.2 数字化设计 034
2.2.1 集成化的前端工程设计 036
2.2.2 智能化的管道仪表流程图设计 038
2.2.3 智能化工仪表设计 041
2.2.4 工厂三维模型设计 043
2.3 数字化交付 054
2.3.1 数字化交付统一规定 055
2.3.2 数字化交付内容 055
2.3.3 数字化交付流程 056
2.3.4 数字化交付平台的功能 057
2.3.5 数字化交付的要求 058
2.4 数字化设计与交付实例 059
2.4.1 项目概况 059
2.4.2 数字化交付方案及规定 060
2.4.3 项目数字化交付实施 061
2.4.4 数字化交付平台应用 067
2.5 数字化运维 073
第3章 化工虚拟工厂 075
3.1 虚拟工厂架构 077
3.2 互联互通层 078
3.2.1 网络基础设施 078
3.2.2 通信协议 078
3.2.3 数据集成技术 079
3.2.4 安全技术 079
3.2.5 数据管理技术 079
3.3 模型层 080
3.3.1 模型层数学模型建立方法 080
3.3.2 工艺模型 085
3.3.3 控制模型 090
3.3.4 经济模型 094
3.3.5 能耗模型 097
3.3.6 环境模型 099
3.3.7 优化模型 103
3.3.8 模型解算方法 113
3.4 应用层 118
3.4.1 设计仿真 118
3.4.2 工艺流程规划 118
3.4.3 生产测试 118
3.4.4 产品交付 118
第4章 化工智能工厂 121
4.1 化工智能工厂架构 123
4.1.1 功能架构 123
4.1.2 技术架构 124
4.2 智能设备感知控制层 125
4.2.1 感知层的关键技术 125
4.2.2 化工过程智能检测仪表 126
4.2.3 化工过程智能执行器 128
4.2.4 化工过程控制系统 130
4.3 边缘数据处理层 136
4.3.1 边缘设备接入 136
4.3.2 协议解析 142
4.3.3 边缘数据处理 142
4.4 智能生产运营管理层 148
4.4.1 计划管理 148
4.4.2 生产管理 149
4.4.3 协同管理 149
4.4.4 质量管理 150
4.4.5 设备管理 151
4.4.6 能源管理 152
4.4.7 安全管理 153
4.4.8 仓储物流管理 156
4.4.9 采购销售管理 157
4.4.10 大数据管理 159
第5章 化工智能工厂的开发及应用 163
5.1 supOS工业互联网体系架构 166
5.1.1 边缘物联层 166
5.1.2 工业操作系统平台层 167
5.1.3 工业智能APP应用层 167
5.2 工业数据的采集与传输 168
5.3 supOS平台层数据处理与分析 171
5.3.1 数据预处理 172
5.3.2 特征工程 172
5.3.3 机器学习算法 174
5.4 工业智能APP的开发与应用 182
5.4.1 工业APP开发设计器 182
5.4.2 通用APP制作实例 183
5.4.3 能耗管理APP设计开发 191
5.4.4 京博石化基于supOS的工业APP应用 200
参考文献 204
附：“化工数字工厂课程设计”任务书 205
附：“化工虚拟工厂课程设计”任务书 207
附：“化工智能工厂课程设计”任务书 209
附：《化工数字/虚拟/智能工厂课程设计》成绩评定表 214
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| 內容試閱：
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化学工业是国民经济中不可或缺的重要组成部分，是国家的基础产业和支柱产业，是立国之本、兴国之器、强国之基，是衡量一个国家国际竞争力的重要标志。我国化学工业经济总量居世界第一，然而我国化工大而不强，整体水平与世界先进水平尚有差距，企业盈利能力亟待提升。
随着第四次工业革命的推进，互联网产业化、工业数字化、工业智能化正在引领全球范围的工业发展和产业变革，许多重大问题的解决已不可能依靠单一学科实现，而需要不同学科的专家携手合作，共同突破。“十四五”规划强调，中国制造业发展的主攻方向就是智能制造，推进智能制造成为企业打造差异化竞争优势的必然选择。2022年以来，ChatGPT火爆出圈引发人工智能赛道持续升温，全球新一代人工智能进入新的快速发展阶段，我国人工智能核心产业也已进入全球第一梯队。党的二十大报告指出，要“推动制造业高端化、智能化、绿色化发展”。人工智能为加快推进制造业高质量发展，推动“中国制造”向“中国创造”“中国智造”转变指明了方向。化工行业数字化转型、智能化升级已成为必然的发展趋势。但是，化工智能制造领域人才的匮乏已经成为制约我国化工企业转型升级不可忽视的问题。
化工智能化谁来做？是传统化工人员？自动化专业人员？还是信息、计算机专业人员？显然，传统的单一专业人才培养模式已经很难满足化工行业智能化发展的要求。因此，立足化工，突破学科专业壁垒，在本科阶段有限学时前提下，让化工专业学生系统掌握化学工程、控制工程、信息及计算机的专业基础课程，培养多学科交叉的系统思维，运用多学科专业技能解决化工智能化创新发展过程中遇到的复杂问题，是推动化工智能制造顺利发展的重要保证。太原理工大学2018年制定了智能化工人才培养方案，2019年招收了第一届智能化工创新班，实施了课程学时比例分配为“化工∶控制∶信息计算机=5∶3∶2”的培养方案。学生在学习完基础化学、化工原理、化工热力学、反应工程、电路、模拟与数字电子技术、自控原理、微机原理与接口技术、可编程控制器、数据结构与算法、数据库技术、JAVA语言、C#语言等专业基础课后，需要一门课程将以上所学知识综合应用去解决化工智能制造经典场景中的技术问题—《智能化工集成系统》应运而生。
本书围绕智能化工集成系统中化工数字工厂设计与数字化交付、虚拟工厂设计与数字孪生、智能工厂建设三个核心内容展开。为了深刻理解这三部分在工程中的重要作用，编者在本教材末尾附有三个课程设计任务书，分别是化工数字工厂课程设计、化工虚拟工厂课程设计和化工智能工厂课程设计。全书共分5个章节，第1章总述智能化工系统框架，明确工业互联网是智能制造的核心与实现载体；第2章是针对工程公司或化工设计院的数字化交付，阐述数字工厂的设计内容及要求，针对某一化工工艺过程，按照数字化交付的标准采用AVEVA E3D或Intergraph Smart?3D等三维工厂设计软件进行设计；第3章是针对化工研究院等科研机构的数字孪生工程，讲述虚拟工厂架构，重点是化工工艺模型、控制模型、经济模型、能耗模型及环境模型的构建，要求采用ASPEN或UNISIM等流程模拟软件，针对某一工艺进行稳态及动态流程模拟；第4章服务企业智能化发展，讲述化工等流程行业智能工厂建设的技术架构及智能运营管理APP的功能；第5章以supOS工业操作系统为例，展现基于工业互联网平台的智能工厂APP开发流程及其工业应用，可基于工业互联网平台设计开发实用型工业APP。在每章的开端，根据该章的逻辑结构，绘制了图形摘要，便于读者阅读理解。针对第3章各种模型的详细推导过程，读者可通过扫描相应位置的二维码自行深入学习。
智能化工集成系统这门课具有鲜明的学科交叉和工程实践的特点，参与编写的高校教师有化工专业的，也有控制专业的，企业人员有来自工程公司、企业研究院的，还有来自工业互联网公司的专家，工业界人士的参与保证了本书的实用性，也为本书提供了真实的工程案例。
全书由太原理工大学智能化工教学团队及相关工程和互联网专家共同编写，张玮教授与王俊文教授负责全书统稿。第1、2章由张玮教授编写，其中，第2章部分内容及相关素材由赛鼎工程有限公司信息技术部陈金高级工程师提供；第3章由吴华帅讲师编写；第4、5章由张玮教授和王俊文教授共同完成并负责全书统稿。感谢上海孪智科技有限公司李创风提供技术支持，蓝卓数字科技有限公司陈挺、俞益标、张峻瑞、李秋实、甘世旺、李晶等工程师提供suopOS工业操作系统的相关素材，感谢京博控股集团有限公司邹雄、吴家安、何丽丽、孙瑞昱等提供相关工业应用实例和素材。感谢智能化工创新班S1901、S2001班的全体同学，尤其感谢郭景轩、康清源、王明远和秦睦轩同学参与编写第2章和第5章。感谢在编写期间参与资料整理、图形绘制工作的青年教师孟园园、马彩萍，博士生许鑫及研究生郑洁茹、张鸿、杨宸、王衡、牛雨婷、高暾、孔祥旭、郭金丽、张瑞杰、牟迎新、李耀、李梓良等。
本书参考学时数为32，建议第1章6学时，第2章8学时，第3章12学时，第4章6学时，第5章可作为拓展阅读。本书可作为化学工程与工艺、过程装备与控制工程、材料科学与工程、环境科学与工程等流程工程类专业本科生和研究生的专业导论及专业课教材，也可作为相关专业工程人员的培训教材。
本书的组织编写开始于2019年，在历时四年的编写过程中，太原理工大学化学化工学院领导始终关注本书的建设，并提出了非常宝贵的指导性意见。同时，我们还得到了太原理工大学化学工程与技术学科相关负责人的鼎力支持，以及高等学校化工类专业教学指导委员会、化学工业出版社和太原理工大学本科生院、研究生院的支持。在此，我们表示深深的感谢！
本书成稿后，由天津大学夏淑倩教授和华东理工大学杜文莉教授主审，她们提出了非常宝贵的修改意见，对提高本书的质量有很大的帮助，谨此表示感谢！
在本书的编写过程中，参考了国内外理论及应用技术文献，由于篇幅所限，未能全部列出，在此向所有参考文献的作者表示衷心感谢！
随着现代信息技术的不断发展，智能化工系统将越来越成熟和完善。推进化工智能化，人才是关键，智能化工交叉学科人才的培养将会越来越受到重视。希望本书能为化工“新工科”人才培养贡献绵薄之力，能够激发青年学子投身现代化工，为化工专业软件的国产化贡献力量，进一步发挥“培根铸魂，启智增慧”的作用。
由于编者认知和水平有限，本书一定还有许多不足之处，恳请读者批评指正。
编者
2024年4月
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