流程工業(yè)卓越智能煉化建設(shè)的研究與實踐

吳 青

（中國海洋石油集團有限公司，北京100010）

經(jīng)過幾十年的持續(xù)高速發(fā)展，中國煉油加工能力已穩(wěn)居世界第二，其他如產(chǎn)業(yè)布局、加工原油適應(yīng)性以及產(chǎn)品質(zhì)量升級、加工工藝與技術(shù)、裝備與工程化等各個方面也取得了長足的進步［1］。在此期間，中國煉油行業(yè)綜合實力不斷增強，為國民經(jīng)濟和社會發(fā)展做出了重要貢獻，也成為支撐世界經(jīng)濟發(fā)展的重要力量與組成部分。但隨著經(jīng)濟進入新常態(tài)，中國的煉油業(yè)也面臨著如何應(yīng)對“資源、能源、環(huán)境與安全”的約束［2］，同時實現(xiàn)“資源高效化轉(zhuǎn)化、過程低碳綠色化”的重大挑戰(zhàn)。

中國煉油工業(yè)的信息化是隨著工業(yè)化的進程而逐漸發(fā)展起來的。工業(yè)化主要是通過技術(shù)進步實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，從而極大地創(chuàng)造財富。信息化則主要通過將先進的信息技術(shù)和其他技術(shù)通過集成、融合，從而大力提升、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，使企業(yè)達到“科技含量高、經(jīng)濟效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、人力資源優(yōu)勢得到充分發(fā)揮”等目標，即“資源高效化轉(zhuǎn)化、過程低碳綠色化”，最終實現(xiàn)跨越式發(fā)展。因此，煉油業(yè)面臨的“資源、能源、環(huán)境和安全”的約束，其根本原因是信息化發(fā)展滯后、信息化與工業(yè)化融合不深造成的［2］。

當今社會正處在一個由工業(yè)社會向信息社會過渡的加速轉(zhuǎn)型時期，加上互聯(lián)網(wǎng)時代、“德國工業(yè)4.0”，特別是“中國制造2025”等國家戰(zhàn)略的指引和推動，人類社會生產(chǎn)、生活方式開始大幅蛻變，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)正發(fā)生革命性的變化。隨著工業(yè)化和信息化的深度融合、互聯(lián)網(wǎng)的廣泛使用，傳統(tǒng)制造業(yè)+互聯(lián)網(wǎng)+智能化不斷深化融合而形成的新一代智能制造［3］即“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的制造”正闊步走來，流程工業(yè)煉化產(chǎn)業(yè)也因此而正在發(fā)生“生產(chǎn)模式、管控決策模式和營銷模式”的變革［4］。煉化企業(yè)從數(shù)字化起步并實施智能化轉(zhuǎn)型升級［2，5-6］，是提升煉化產(chǎn)業(yè)整體競爭力的核心技術(shù)與實現(xiàn)煉化產(chǎn)業(yè)“資源高效化轉(zhuǎn)化和過程低碳綠色化”的重要抓手，也是提質(zhì)增效的有效途徑［7］。因此，煉化企業(yè)的智能工廠（即智能煉化）建設(shè)目前的發(fā)展方興未艾，其將使未來的煉化企業(yè)從根本上改頭換面，煉化智能化建設(shè)與智慧化發(fā)展有望重塑煉化產(chǎn)業(yè)的新未來。

1 智能煉化

最近幾年制造業(yè)的熱點和焦點是企業(yè)的數(shù)字化發(fā)展與轉(zhuǎn)型升級，即智能工廠建設(shè)問題。這不僅是國家的要求，更是企業(yè)為應(yīng)對外部環(huán)境、競爭壓力而做出的正常應(yīng)激反應(yīng)。

流程工業(yè)的智能工廠建設(shè)與離散工業(yè)完全不同，為此本文采用“智能煉化”的說法。煉化企業(yè)生產(chǎn)過程由一系列不同的裝置、單元組成，其中原料（原油、中間物料）往往受到性質(zhì)、加工工藝、反應(yīng)機理、市場等復(fù)雜因素的影響，生產(chǎn)過程中各類參數(shù)需要隨時調(diào)整，但受限于復(fù)雜的因素條件難以做到實時或全面的監(jiān)測與監(jiān)控。其數(shù)字化、模型化以及管控與決策優(yōu)化均較難，嚴重依賴富有經(jīng)驗的知識型工程師。因此，流程工業(yè)煉化產(chǎn)業(yè)的智能工廠（即智能煉化建設(shè)）存在一定的特殊性。

通過對煉化產(chǎn)業(yè)特點的深入分析，并借鑒行業(yè)的相關(guān)研究成果與經(jīng)驗［7-12］，筆者研究、實踐后認為：智能煉化是在數(shù)字煉化基礎(chǔ)上，以信息化為主導(dǎo)，將生產(chǎn)過程由自動化、數(shù)字化上升為知識化、最優(yōu)化的過程［2，5-6］。 作為工廠信息化發(fā)展的新階段，智能煉化是在數(shù)字煉化的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、設(shè)備監(jiān)控等技術(shù)加強信息管理和服務(wù)；清晰掌握產(chǎn)銷流程、提高生產(chǎn)過程可控性、減少生產(chǎn)流程各裝置、單元的人工干預(yù)；即時、正確采集裝置數(shù)據(jù)，合理編排并在線優(yōu)化生產(chǎn)計劃與調(diào)度（進度），突出體現(xiàn)“高效化”。將綠色智能手段和智能系統(tǒng)等新技術(shù)集成，構(gòu)建高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適的人性化工廠，突出體現(xiàn)“低碳綠色化”。智能煉化已經(jīng)具備了自主能力，可以完成采集、分析、判斷和規(guī)劃等工作。通過整體可視技術(shù)進行推理預(yù)測；利用仿真技術(shù)以及多媒體技術(shù)，將實境擴增展示設(shè)計與生產(chǎn)的過程。系統(tǒng)中各組成部分可以自行組成最佳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具備協(xié)調(diào)、重組、擴充的特性。系統(tǒng)也部分具備了自我學習、自行維護的能力。但是，本階段生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)化期間所采用的信息化手段來改造或應(yīng)用于生產(chǎn)模式時，還是更多地聚焦于分布式、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化的生產(chǎn)框架，生產(chǎn)系統(tǒng)的自治性、協(xié)同性還有待進一步提高。

2 卓越智能煉化建設(shè)的整體思路

智能煉化建設(shè)，首先應(yīng)該明確建設(shè)的總體目標，企業(yè)將運用此技術(shù)達到什么樣的目的、取得怎樣的效益；接著規(guī)劃好頂層設(shè)計、實施的具體路線，因為智能工廠的建設(shè)涉及到諸多方面，規(guī)劃好步驟有利于穩(wěn)步實踐；再次，需要制定好高效的建設(shè)策略，不同企業(yè)以及同一企業(yè)不同時期有不同的建設(shè)重點。最后，運用科學的實施方法論開展卓越實踐，確保項目實現(xiàn)預(yù)定目標。

中海石油煉化有限責任公司（簡稱“煉化公司”）采取了信息化規(guī)劃方法論和專題設(shè)計方法論相結(jié)合的方法，開展了中國海油煉化企業(yè)智能化發(fā)展與轉(zhuǎn)型升級的研究與實踐活動，圖1為流程工業(yè)智能煉化建設(shè)的方法論示意圖。

圖1 流程工業(yè)智能煉化建設(shè)的方法論示意圖

2.1 總體目標

總體目標可以簡述為“4-3-8-7-6”，即采用成熟的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和集成化的“四化”技術(shù)，圍繞“工程建設(shè)、生產(chǎn)管控、產(chǎn)品營銷”（對應(yīng)數(shù)字煉化建設(shè)中的“EMM”平臺［5，13］）三大方面、“八大”核心業(yè)務(wù)（即數(shù)字化交付、無缺陷開車、生產(chǎn)管控、設(shè)備運行、質(zhì)量控制、能源供給、安全應(yīng)急、產(chǎn)品營銷），采取工程項目信息化綜合系統(tǒng)、關(guān)鍵裝置優(yōu)化控制、計劃調(diào)度操作一體化管控［8］、能源優(yōu)化減排、安全風險分級管控、生產(chǎn)績效動態(tài)評估、產(chǎn)供銷存一體化系統(tǒng)等七大關(guān)鍵措施，著力提升企業(yè)工程項目數(shù)字資產(chǎn)集成能力、生產(chǎn)管控與產(chǎn)供銷存一體化的感知能力、預(yù)測能力、協(xié)同能力、分析優(yōu)化能力及IT支撐能力等六種能力，為企業(yè)經(jīng)營管理綜合效益和競爭力的提升提供了堅實的保障，最終助力企業(yè)實現(xiàn)高效、綠色、安全、最優(yōu)的管理目標。

2.2 頂層設(shè)計

頂層設(shè)計可分為3個階段，如圖1所示。

第一階段為現(xiàn)狀調(diào)研與需求分析階段。通過解讀煉化公司“十三五”業(yè)務(wù)戰(zhàn)略，分析業(yè)務(wù)現(xiàn)狀和行業(yè)發(fā)展趨勢，結(jié)合行業(yè)最佳實踐的研究成果，分析得到煉化公司的業(yè)務(wù)需求；通過解讀煉化公司 “十三五”信息化規(guī)劃，分析煉化公司的信息化現(xiàn)狀，并結(jié)合新興技術(shù)的研究成果和煉化公司的業(yè)務(wù)需求，得到煉化公司信息化需求。同時開發(fā)了信息化智能化水平與能力及其升級的全局性信息化評估模型。

第二階段為藍圖設(shè)計階段。以信息化需求分析結(jié)果為依據(jù)，制定煉化公司信息化愿景目標，包括業(yè)務(wù)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)和IT管控架構(gòu)的設(shè)計。

第三階段是實施路線圖規(guī)劃階段。該階段基于信息化的愿景目標，在與先進系統(tǒng)進行差距分析的基礎(chǔ)上，進行項目框架設(shè)計，進而開展項目設(shè)計，并制定實施計劃。

2.3 專題設(shè)計

流程工業(yè)智能煉化建設(shè)中，需針對不同企業(yè)的現(xiàn)狀、能力水平和發(fā)展愿景的不同開展不同的專題設(shè)計。如煉化公司的專題設(shè)計就包括了“智慧煉化、產(chǎn)供銷存一體化平臺、數(shù)字化銷售、信息安全”等4個專題，從功能架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)、解決方案、系統(tǒng)實施及系統(tǒng)收益等方面細化設(shè)計。

2.4 實施策略

對于煉化企業(yè)這樣典型的流程工業(yè)，實事求是、科學的實施策略是分步實施法，即按照“數(shù)字化基礎(chǔ)，智能化核心和智慧化目標”的要求，首先建設(shè)并夯實數(shù)字煉化，經(jīng)過“智能煉化”建設(shè)，最后實現(xiàn)“智慧煉化”［6］，達成新一代智能制造。

3 卓越智能煉化建設(shè)

對應(yīng)企業(yè)信息化三層集成模型結(jié)構(gòu)中的“PCS、MES 和 ERP”3 個層面［6］，結(jié)合智能煉化的定義，也可以將智能煉化簡要地理解為對應(yīng)了這3個層面的智能化，即操作智能、運營智能和商業(yè)智能，這種對應(yīng)關(guān)系也使煉化信息化體現(xiàn)了歷史繼承性和時代發(fā)展的創(chuàng)新性。這3個層面的卓越智能化實踐，構(gòu)成了卓越智能煉化建設(shè)的核心。

綜合來說，通過智能煉化建設(shè)，面向煉化生產(chǎn)過程的控制系統(tǒng)將逐漸發(fā)展為智能、自主的控制系統(tǒng)，成為“QHSE監(jiān)控與溯源”［6］的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)能夠智能感知生產(chǎn)工況的變化并自適應(yīng)決策控制回路的設(shè)定值，從而使得回路控制層的輸出對設(shè)定值的跟蹤及時、快捷，且對運營狀況和控制系統(tǒng)的性能能夠做到“可視化、遠程、移動式、自動”監(jiān)測與監(jiān)控，確保生產(chǎn)加工過程的安全、可靠、優(yōu)化且綠色低碳化運營，與其他的智能自主控制系統(tǒng)相互協(xié)同，能夠?qū)崿F(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同優(yōu)化。

而在企業(yè)的管控決策層面，也將逐步發(fā)展成為智能優(yōu)化決策系統(tǒng)以及智能自主控制與智能優(yōu)化決策一體化的先進系統(tǒng)，從而為資源敏捷優(yōu)化和全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同優(yōu)化［8］奠定堅實基礎(chǔ)。這2個系統(tǒng)除了具有上述智能自主的控制系統(tǒng)特點以外，由于它與智能決策系統(tǒng)實現(xiàn)了一體化成為一種新的先進系統(tǒng)，因此可以實現(xiàn)新一代的智能制造即智慧煉化目標：通過實時感知市場（原油、產(chǎn)品、能源等）信息、生產(chǎn)條件與實際運行工況等全局信息，按照“資源高效轉(zhuǎn)化、過程低碳綠色化”的總原則，對包括“規(guī)劃目標、計劃調(diào)度、生產(chǎn)運行、生產(chǎn)與控制指令”等在內(nèi)的全部目標做系統(tǒng)優(yōu)化。綜合應(yīng)用“人、機”決策系統(tǒng)協(xié)同以及“可視化、遠程、移動”等手段監(jiān)測、監(jiān)控決策過程的動態(tài)變化，結(jié)合自學習和自動化決策，實現(xiàn)動態(tài)環(huán)境的精準、實時、優(yōu)化的決策。

煉化公司綜合了上述要求后梳理出本階段的核心，即生產(chǎn)運營知識化、最優(yōu)化和可追溯，具體實踐包括以下幾個方面。

1）智能生產(chǎn)管控。本建設(shè)的目標為基于生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化模型，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃、調(diào)度、操作的優(yōu)化控制。智能生產(chǎn)管控旨在解決以下業(yè)務(wù)問題：①原油優(yōu)選過程中沒有原油數(shù)據(jù)庫支持；②缺乏生產(chǎn)計劃執(zhí)行情況數(shù)據(jù)的及時統(tǒng)計與分析，不能獲得每天的生產(chǎn)完成情況；③集團和各級管理部門缺乏對生產(chǎn)運營指標的全面了解和動態(tài)分析，影響生產(chǎn)過程決策；④缺乏物料平衡、能量平衡數(shù)據(jù)的自動采集，數(shù)據(jù)準確性與完整性差距大，影響日統(tǒng)計。

2）智能設(shè)備運維。本建設(shè)的目標為基于設(shè)備運行性能分析，實現(xiàn)預(yù)防性維護，延長設(shè)備生命周期。智能設(shè)備運維旨在解決以下業(yè)務(wù)問題：①缺乏對關(guān)鍵設(shè)備運行性能的分析，不能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在故障，實施預(yù)防性維修，減少非正常停工時間；②設(shè)備備品備件的庫存不合理，部分產(chǎn)品備件庫存量大，備品備件庫存與采購急需優(yōu)化，以降低成本；③生產(chǎn)控制中心操作人員需要對整個系統(tǒng)設(shè)備運行性能加以分析，該項工作得不到支持，影響生產(chǎn)指揮決策；④關(guān)鍵設(shè)備（例如大型機組）需要專家支持，但專家資源短缺。

3）智能物流。建設(shè)的目標為通過物流優(yōu)化，實現(xiàn)油品庫存優(yōu)化，降低物流成本，提高物流效率。

4）智能加油站。建設(shè)目標為基于生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化模型，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃、調(diào)度、操作的優(yōu)化。智能加油站旨在解決以下業(yè)務(wù)問題：①由于地理與客流等原因，原油單站銷售量小，需要增加客流導(dǎo)入措施；②與車主交互方式單調(diào)，不能有效將營銷信息推送給有潛在市場價值的客戶；③客戶支付渠道單一 （如加油卡、現(xiàn)金、銀行卡等），缺乏互聯(lián)網(wǎng)渠道，對年輕群體吸引力不足；④缺乏非油品銷售與促銷手段，非油品銷售占比小，影響加油站銷售收入；⑤現(xiàn)金管理方式落后，管理成本高。

5）智能銷售。建設(shè)的目標為應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)銷售，實現(xiàn)銷售模式創(chuàng)新，改善客戶體驗。智能銷售旨在解決以下業(yè)務(wù)問題：①互聯(lián)網(wǎng)銷售在各業(yè)務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用，使海油更多的B2B客戶需求B2C化油品批發(fā)利潤空間降低，需要直擊客戶，減少中間環(huán)節(jié)；②客戶要求更精細的服務(wù)，包括對物流的動態(tài)監(jiān)控，需要實現(xiàn)配送計劃執(zhí)行可視化。用戶需求隨市場變化波動大，需要實現(xiàn)用戶需求的預(yù)測，并指導(dǎo)生產(chǎn)與銷售計劃；③實現(xiàn)客戶價值管理，提供個性化服務(wù)，提升高價值客戶的忠誠度。

中海石油煉化公司下屬的惠州石化通過對其已有的信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行規(guī)劃、整合，消除 “信息孤島”，在一體化數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)上建立了統(tǒng)一的生產(chǎn)全流程協(xié)同信息管控平臺，信息整合、平臺結(jié)構(gòu)示意圖分別見圖2、圖3。

圖2 惠州石化生產(chǎn)全流程協(xié)同信息整合示意圖

在該平臺上，實現(xiàn)了惠州石化生產(chǎn)管控系統(tǒng)5大主題25類161個功能模塊效用。例如，操作規(guī)程子模塊，按照公司“六有”工作法，建立操作規(guī)程管理模塊，對3 306項操作規(guī)程執(zhí)行信息化管控，現(xiàn)場工作嚴格執(zhí)行銷項作業(yè)，通過信息系統(tǒng)固化銷項操作理念和流程，使其高效規(guī)范運行。銷項作業(yè)理念［14］是指“風險評估、有效隔離、消項作業(yè)、清場恢復(fù)”，銷項作業(yè)主要包含標準作業(yè)庫、作業(yè)申請、作業(yè)確認、作業(yè)銷項、作業(yè)關(guān)閉等功能，其中數(shù)字化標準作業(yè)庫、通過網(wǎng)絡(luò)實時傳輸數(shù)據(jù)、內(nèi)外協(xié)同審核確認等功能在中國處于先進水平。圖4是銷項作業(yè)功能業(yè)務(wù)流程圖。圖5是通過SAP與ERP實現(xiàn)集成的設(shè)備管理主題。

在具體實施、實踐過程中，必須根據(jù)本階段的實際建設(shè)目標、建設(shè)重點和應(yīng)用需要，采取“管理者的決心、榜樣與要求；戰(zhàn)略規(guī)劃與頂層設(shè)計；技術(shù)選擇與試點示范；智能化評估模型和所需的能力；數(shù)據(jù)分析和互聯(lián)方面的領(lǐng)先者以及穩(wěn)步實施智能化轉(zhuǎn)型升級”等六大方面［2］的要求，實現(xiàn)卓越智能煉化建設(shè)，進而實現(xiàn)“資源高效轉(zhuǎn)化、過程低碳綠色化”，邁向智慧煉化，從而達到新一代的智能制造。

圖3 惠州石化生產(chǎn)全流程協(xié)同信息平臺結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 惠州石化銷項作業(yè)功能業(yè)務(wù)流程圖

圖5 惠州石化通過SAP與ERP實現(xiàn)集成的設(shè)備管理主題

4 小結(jié)

應(yīng)對煉化企業(yè)面臨的“資源、能源、環(huán)境與安全約束”挑戰(zhàn)、達到“資源高效化轉(zhuǎn)化、過程低碳綠色化”目標和新一代智能制造的重要手段和措施，是實施煉化企業(yè)的智能化發(fā)展與轉(zhuǎn)型升級，即卓越智能煉化建設(shè)。

實施卓越智能煉化建設(shè)，應(yīng)明確建設(shè)總體目標；規(guī)劃好頂層設(shè)計和實施的具體路線；制定好高效的建設(shè)策略，不同企業(yè)以及同一企業(yè)不同時期采取不同的建設(shè)重點；運用科學的實施方法論，從數(shù)字煉化起步、瞄準智慧煉化目標并以智能煉化為核心的“三步曲”方式分步實施、開展卓越實踐，確保項目實現(xiàn)預(yù)定目標。