石油化工智能工廠工程設(shè)計(jì)階段工作的探討

李德剛，謝騰騰

(中海油石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

《中國制造2025》指出： 推進(jìn)制造過程智能化，在重點(diǎn)領(lǐng)域試點(diǎn)建設(shè)智能工廠、數(shù)字化車間，加速智能工廠在工業(yè)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣?！秶抑悄苤圃鞓?biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》(2018版)進(jìn)一步完善了智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系，其中涉及石油化工行業(yè)的重點(diǎn)是： 智能工廠工程設(shè)計(jì)、智能工廠交付、智能生產(chǎn)和集成優(yōu)化等標(biāo)準(zhǔn)，主要用于規(guī)定石油化工智能工廠工程設(shè)計(jì)、建造和交付等建設(shè)過程。

石油化工智能工廠(下文簡(jiǎn)稱智能工廠)是以現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用成熟的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)，圍繞生產(chǎn)管理控制、設(shè)備運(yùn)行、質(zhì)量控制、能源供給、安全應(yīng)急等五項(xiàng)核心業(yè)務(wù)，采取關(guān)鍵裝置優(yōu)化控制，計(jì)劃調(diào)度操作一體化管控，能源優(yōu)化減排，安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控、生產(chǎn)績效動(dòng)態(tài)評(píng)估等關(guān)鍵措施，著力提升企業(yè)生產(chǎn)管控的感知能力、預(yù)測(cè)能力、協(xié)同能力、分析優(yōu)化能力，為企業(yè)經(jīng)營管理綜合效益和競(jìng)爭(zhēng)力提升提供了堅(jiān)實(shí)的保障，并能夠最終幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)高效、綠色、安全、良好的管理目標(biāo)。

智能工廠區(qū)別于常規(guī)工廠，具有數(shù)字化、模型化、自動(dòng)化、集成化、智能化等特征，現(xiàn)階段智能工廠的建設(shè)絕大部分采用先實(shí)施工程建設(shè)，投產(chǎn)后再進(jìn)行智能工廠改造的逆向建模過程，是一個(gè)從設(shè)計(jì)—施工安裝—運(yùn)行的過程，本文根據(jù)智能工廠的特征，探討智能工廠工程設(shè)計(jì)階段各要素包含的內(nèi)容。智能工廠的主要特征如圖1所示。

通過對(duì)智能工廠各設(shè)計(jì)要素的研究，以智能工廠的主要應(yīng)用為主線，首先將智能工廠各功能模塊與各專業(yè)設(shè)計(jì)聯(lián)系到一起，找出它們之間的關(guān)系，讓智能工廠繼承設(shè)計(jì)階段的成果，交付可繼承和重復(fù)應(yīng)用的工藝模型和三維模型及數(shù)據(jù)；根據(jù)智能工廠對(duì)數(shù)據(jù)及接口的需要完善設(shè)計(jì)，避免或減少工廠建成后再進(jìn)行智能化改造。其次，從正向建模出發(fā)，以智能工廠的特征為目標(biāo)，在設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)合理的智能檢測(cè)儀表，獲得足夠的工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)、安全環(huán)保數(shù)據(jù)。對(duì)于智能工廠，工程公司除按常規(guī)進(jìn)行設(shè)計(jì)外，在設(shè)計(jì)階段還需要探討各主要專業(yè)包含的技術(shù)要點(diǎn)[1-3]。

圖1 智能工廠的主要特征示意

1 工藝系統(tǒng)專業(yè)主要工作探討

1.1 工藝系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)

智能工廠工程設(shè)計(jì)以數(shù)字化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，使用一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)。常用的一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)有COMOS一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)、SmartPlant Foundation集成平臺(tái)和AVEVA設(shè)計(jì)平臺(tái)。根據(jù)智能工廠數(shù)字化設(shè)計(jì)及交付的總體要求，選擇使用的軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)[4-5]。

1.2 工藝模擬優(yōu)化

工藝模擬軟件主要有Pro/II，Aspen Plus，Aspen HYSYS等，用于工藝流程模擬計(jì)算。智能工廠模式下的工藝流程模擬結(jié)果不僅為工藝、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且該數(shù)據(jù)和模型同樣可以應(yīng)用到運(yùn)營階段。模擬軟件不僅為工程技術(shù)人員優(yōu)化生產(chǎn)及設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的工具、模型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，而且在設(shè)計(jì)優(yōu)化、故障診斷、新產(chǎn)品開發(fā)、裝置生產(chǎn)能力標(biāo)定、產(chǎn)品質(zhì)量提高、尋找裝置“瓶頸”、制定合理的改造方案、優(yōu)化操作和方案評(píng)估等方面也有很好的應(yīng)用。

1.3 提出工藝過程的智能化需求

在工程設(shè)計(jì)階段，需要考慮智能工廠中工藝過程的需要，提出工藝檢測(cè)參數(shù)條件。例如： 工藝管道的腐蝕監(jiān)測(cè)，根據(jù)同類裝置易發(fā)生腐蝕的具體位置，設(shè)置腐蝕監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)參數(shù)，同時(shí)還要考慮環(huán)境的影響。因此，檢測(cè)點(diǎn)的設(shè)置依據(jù)是根據(jù)裝置及設(shè)備腐蝕機(jī)理、工藝操作參數(shù)、介質(zhì)相態(tài)及介質(zhì)關(guān)鍵區(qū)域流體特性等確定檢測(cè)參數(shù)和位置[6]。

在工廠運(yùn)行時(shí)需進(jìn)行設(shè)備健康診斷即設(shè)備監(jiān)控與預(yù)警。對(duì)每一類設(shè)備，根據(jù)其特點(diǎn)設(shè)置溫度、壓力、流量、振動(dòng)、泄漏、腐蝕等關(guān)鍵參數(shù)信息。其中設(shè)備本體的泄漏、腐蝕等參數(shù)由設(shè)備專業(yè)提供給工藝系統(tǒng)專業(yè)，再由工藝系統(tǒng)專業(yè)體現(xiàn)在管道和儀表流程圖及下游專業(yè)條件中。

2 信息工程專業(yè)主要工作探討

智能工廠信息管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)符合GB/T 50609—2010《石油化工工廠信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB/T 26335—2010《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)規(guī)范》的要求。系統(tǒng)總體架構(gòu)應(yīng)具備可擴(kuò)展性，按照工廠的實(shí)際需要，選擇和優(yōu)化所需功能模塊設(shè)計(jì)信息系統(tǒng)，其重點(diǎn)是基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃。確定系統(tǒng)間接口和集成方法，總體架構(gòu)規(guī)劃應(yīng)按照工程架構(gòu)整體的層次化結(jié)構(gòu)，分別按基礎(chǔ)設(shè)施、信息服務(wù)及信息化應(yīng)用進(jìn)行展開。智能工廠信息管理系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示[7-8]。

信息工程專業(yè)在智能工廠信息化中起主導(dǎo)作用，目前信息工程專業(yè)工程設(shè)計(jì)中應(yīng)主要包括： 信息系統(tǒng)的總體架構(gòu)及子管理系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)、信息系統(tǒng)硬件及軟件工程設(shè)計(jì)、信息系統(tǒng)安全工程設(shè)計(jì)、信息機(jī)房工程設(shè)計(jì)等。各應(yīng)用系統(tǒng)、應(yīng)用子系統(tǒng)按規(guī)劃設(shè)計(jì)，可避免重復(fù)設(shè)計(jì)并符合長期發(fā)展的整合要求[8-9]。在規(guī)劃與設(shè)計(jì)工廠信息系統(tǒng)工程中，可適當(dāng)調(diào)整相關(guān)內(nèi)容，滿足業(yè)務(wù)需要。智能工廠應(yīng)建立全廠性骨干網(wǎng)局域網(wǎng)系統(tǒng)，用于企業(yè)資源管理信息的傳輸。

智能工廠信息管理系統(tǒng)采用控制和信息管理系統(tǒng)一體化架構(gòu)，應(yīng)與自控、電信、電氣等專業(yè)設(shè)計(jì)相互協(xié)調(diào)。辦公和生產(chǎn)管理網(wǎng)、電信網(wǎng)、安保網(wǎng)、工控網(wǎng)、電氣自動(dòng)化網(wǎng)等在物理、鏈路、網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)層面實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，避免重復(fù)建設(shè)、降低成本。

圖2 智能工廠信息管理系統(tǒng)總體架構(gòu)示意

3 自控專業(yè)主要工作探討

自控專業(yè)在智能工廠工程設(shè)計(jì)中占有重要地位，是生產(chǎn)過程信息數(shù)據(jù)的主要來源，是實(shí)現(xiàn)智能工廠過程控制的關(guān)鍵。主要工作包括： 智能儀表選型規(guī)定、過程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及選型、基于集成工作平臺(tái)的設(shè)計(jì)和數(shù)字化移交。

自控設(shè)計(jì)需考慮選擇一體化的過程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)DCS，SIS，GDS，CCS，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等既相互獨(dú)立、又互聯(lián)互通。一體化控制系統(tǒng)應(yīng)具有高度智能化，不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)過程數(shù)據(jù)的采集，對(duì)智能設(shè)備本身具有自我分析、判斷、規(guī)劃能力，在充分實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)集成的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠生產(chǎn)控制設(shè)備管理系統(tǒng)的集成[9-12]。

基于智能工廠的儀表選型，確定儀表采用的通信協(xié)議。目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集大體可以分為有線和無線兩類。有線方式主要通過4～20 mA+HART，F(xiàn)F-Hl，Profibus PA等協(xié)議的智能儀表完成；無線方式主要有基于GPRS方式、基于WirelessHART協(xié)議、WIA-PA協(xié)議等實(shí)現(xiàn)。

智能工廠框架下，各種智能設(shè)備的數(shù)字化信息應(yīng)符合GB/Z 32235—2015《工業(yè)過程測(cè)量、控制和自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)施表示用參考模型(數(shù)字工廠)》，IEC/TR 62794： 2012標(biāo)準(zhǔn)的要求。

根據(jù)智能工廠數(shù)字化交付的總體要求，選擇不同軟件平臺(tái)進(jìn)行交付。目前石油化工廠的自控設(shè)計(jì)主要有基于SmartPlant和AVEVA集成平臺(tái)。自控專業(yè)應(yīng)用AVEVA設(shè)計(jì)平臺(tái)，主要采用三種工具： 與工藝系統(tǒng)專業(yè)配合使用AVEVA Diagrams完成PID的設(shè)計(jì)，采用AVEVA Instrumentation(AI)完成自控設(shè)計(jì)，采用AVEVA PDMS完成三維設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容及使用深度有專門的文件做規(guī)定。自控專業(yè)還可應(yīng)用SmartPlant設(shè)計(jì)工具軟件，主要包括三種： SmartPlant PID， SmartPlant Instrument (SPI)與Smart3D。

4 電信專業(yè)主要工作探討

智能工廠的電信設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮企業(yè)信息管理系統(tǒng)建設(shè)和發(fā)展的需要，應(yīng)綜合考慮各類通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)置，并為其他信息系統(tǒng)提供傳輸通道或應(yīng)用平臺(tái)。

智能化系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)要素包括： 智能化集成、信息化應(yīng)用、信息設(shè)施、設(shè)備管理、公共安全、信息機(jī)房等工程設(shè)計(jì)[13]。

智能工廠電信系統(tǒng)包括但不限于以下系統(tǒng)： 行政電話系統(tǒng)、調(diào)度電話系統(tǒng)、骨干網(wǎng)局域網(wǎng)系統(tǒng)、廣播及報(bào)警系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、會(huì)議系統(tǒng)、電視監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、周界安防系統(tǒng)、無線專網(wǎng)及融合系統(tǒng)、無人機(jī)及反無人機(jī)主動(dòng)防御系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)。因此，智能工廠的電信系統(tǒng)的設(shè)置，應(yīng)與企業(yè)的發(fā)展規(guī)劃相結(jié)合，根據(jù)智能工廠的實(shí)際需要，綜合考慮選擇和設(shè)置相應(yīng)系統(tǒng)，組成智能工廠的電信系統(tǒng)。技術(shù)方案、系統(tǒng)選型應(yīng)以企業(yè)近期建設(shè)為依據(jù)，適當(dāng)考慮遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃的要求并預(yù)留集成接口。由于不同的系統(tǒng)往往屬于不同設(shè)備生產(chǎn)廠家，各個(gè)廠家的產(chǎn)品間存在著兼容性的問題，往往造成系統(tǒng)間集成、融合程度不高的情況，因此需要對(duì)產(chǎn)品有足夠的了解，更好地完成電信系統(tǒng)的規(guī)劃和集成。

5 電氣專業(yè)主要工作探討

在智能工廠中，電氣專業(yè)在保障可靠供電、節(jié)約能源方面起著重要作用。在智能工廠工程應(yīng)用中，電氣設(shè)計(jì)主要包括： 數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化交付、電氣設(shè)備選型、電氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)搭建等工作。

隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，電氣設(shè)備也在邁向智能化。從大到變壓器、中壓柜到低壓柜，小到空氣斷路器、塑殼斷路器甚至到微型斷路器，以及接地電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等目前均已研發(fā)出智能型產(chǎn)品。各廠商從硬件、軟件等各個(gè)層面研發(fā)出適應(yīng)數(shù)字化、智能化的產(chǎn)品，充實(shí)了中低壓智能變配電站產(chǎn)品的選擇范圍，可以實(shí)現(xiàn)智能變電站的設(shè)計(jì)。

電能質(zhì)量治理方面，已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)從“被動(dòng)式防御”到“主動(dòng)式防護(hù)”。電能能耗檢測(cè)實(shí)現(xiàn)智能化后，可提供用戶變電站繼電保護(hù)、測(cè)量與控制、電能統(tǒng)計(jì)等功能，幫助用戶實(shí)現(xiàn)用電信息化，降低運(yùn)維成本，形成完整的用戶智能配電方案。同時(shí)，可以作為能效管理平臺(tái)的子系統(tǒng)。

可根據(jù)需要選擇電力電纜在線監(jiān)測(cè)與故障測(cè)距技術(shù)，為智能工廠電力線路安全可靠提供保障。

可根據(jù)需要選擇智能型燈具，每個(gè)燈具均有自己的地址，可網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)照明的智能控制。

6 管道專業(yè)主要工作探討

目前主流的工程公司管道設(shè)計(jì)都是采用三維模型，與常規(guī)設(shè)計(jì)差別不大。三維模型一般包含兩個(gè)方面： 一是三維模型及相關(guān)圖形數(shù)據(jù)；二是與其相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)信息。對(duì)于這兩方面，不同三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的處理的方式有所不同，有的是兩者嚴(yán)格分開，圖形文件與數(shù)據(jù)文件應(yīng)配合使用(如PDS)；另一種是以不同格式同時(shí)存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，外形以數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)(如S3D)。

管道計(jì)算及智能化應(yīng)用。在智能工廠的設(shè)計(jì)中還需要考慮管道振動(dòng)和管道及管架位移的檢測(cè)和報(bào)警。根據(jù)“管道振動(dòng)分析報(bào)告”和“管道及管架位移分析報(bào)告”兩個(gè)文件，提出管道運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的要求。

管道振動(dòng)分析報(bào)告主要是標(biāo)示存在振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的重要管道，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)控，如果檢測(cè)出其存在異常振動(dòng)，需要在系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行檢修和整改。同樣管道及管架位移分析報(bào)告可標(biāo)示存在較大位移的管道，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)控，如果檢測(cè)出其存在異常位移，需要對(duì)其檢修和整改。

7 設(shè)備專業(yè)主要工作探討

基于設(shè)備全生命周期管理體系概念出發(fā)，研究分析動(dòng)設(shè)備性能預(yù)測(cè)方法。從設(shè)計(jì)、采購、維護(hù)等方面優(yōu)化選擇動(dòng)設(shè)備。以已有技術(shù)為支持，分析在線監(jiān)測(cè)、預(yù)知維修軟件在智能工廠中的應(yīng)用，并編寫相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)定。設(shè)計(jì)文件包括機(jī)械設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與預(yù)知維修設(shè)計(jì)說明及監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置數(shù)據(jù)表，其中溫度、壓力、流量、振動(dòng)、泄漏、腐蝕等關(guān)鍵參數(shù)信息與工藝系統(tǒng)專業(yè)密切配合提出設(shè)計(jì)條件。

從設(shè)備全生命周期管理的角度對(duì)靜設(shè)備的機(jī)械數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、匯總、提醒，使數(shù)據(jù)在線采集、預(yù)知維修的內(nèi)容加入到智能工廠的軟件系統(tǒng)中。

腐蝕是鋼制儲(chǔ)罐及其輔助設(shè)備失效、損傷的主要原因。智能工廠需要設(shè)置腐蝕檢測(cè)，確定設(shè)備的腐蝕程度，查找腐蝕位置，發(fā)現(xiàn)并消除缺陷，防止泄漏、降低損失、減少危害和環(huán)境污染。根據(jù)損傷機(jī)理設(shè)置腐蝕模型進(jìn)行預(yù)測(cè)維護(hù)。

8 結(jié)構(gòu)專業(yè)主要工作探討

根據(jù)智能工廠的要求，結(jié)構(gòu)專業(yè)應(yīng)提出設(shè)置地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備、儲(chǔ)罐等設(shè)計(jì)地基沉降監(jiān)測(cè)等要求。

9 結(jié)束語

智能工廠是在科學(xué)管理實(shí)踐的基礎(chǔ)上，以自動(dòng)化、信息化技術(shù)為基本框架，深度融合人工智能技術(shù)，圍繞數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)建立的更智能、更敏捷、更高效、更安全、更綠色、更和諧和可持續(xù)的新一代工廠及其生態(tài)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的縱橫向集成和全生命周期的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)集成。

智能工廠工程設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及多個(gè)系統(tǒng)、多個(gè)專業(yè)，在技術(shù)更新周期愈來愈快的情況下，系統(tǒng)融合、專業(yè)配合及設(shè)計(jì)模式創(chuàng)新等方面已開始產(chǎn)生滯后現(xiàn)象。相對(duì)于智能化產(chǎn)品方案更新?lián)Q代的速度而言，國家管理標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)相對(duì)滯后，廠商對(duì)產(chǎn)品的定位和研發(fā)處于隨意發(fā)展的狀態(tài)，在增加了產(chǎn)品多樣性的同時(shí)，也為設(shè)計(jì)、安裝和應(yīng)用的統(tǒng)一性帶來了困難。各個(gè)專業(yè)的交叉點(diǎn)既是智能工廠工程設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，又是重點(diǎn)。當(dāng)前在專業(yè)配合上存在著分界模糊，專業(yè)工程師缺乏交叉復(fù)合知識(shí)的問題。