石油化工企業(yè)數(shù)字化工廠建設(shè)及其應(yīng)用探索

劉明晶 鄭興周 毛麗娟 楊勃

摘 ?要：隨著油田智能化需求的不斷提高，網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化已成為時(shí)代大潮，油田數(shù)字化、智能化將會(huì)改變我們的生產(chǎn)操作方式，油田生產(chǎn)設(shè)施的數(shù)字化和智能化是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。數(shù)字化工廠是實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)設(shè)施數(shù)字化和智能化的重要途徑，數(shù)字化工廠在油田的深入應(yīng)用，能夠評(píng)估油氣生產(chǎn)工藝的合理性，統(tǒng)籌規(guī)劃建造資源和生產(chǎn)計(jì)劃，基于虛擬模型仿真和驗(yàn)證物理生產(chǎn)系統(tǒng)中各組成部分的數(shù)據(jù)交互及運(yùn)行情況，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)實(shí)時(shí)控制，從而優(yōu)化生產(chǎn)工藝過(guò)程，降低生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生 ?模型仿真 ?數(shù)字化 ?智能化

中圖分類(lèi)號(hào)：F270.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）04（b）-0094-04

Construction and Application Exploration of Digital Factory in Oil and Chemical Industry

LIU Mingjing1 ?ZHENG Xingzhou2 ?MAO Lijuan2 ?YANG Bo2

（1.Tianjin BIKE Petroleum Equipment&Engineering Co.， Ltd.， Tianjin， 300452 China; 2.Offshore Oil Engineering Co.， Ltd.， Tianjin， 300452 ?China）

Abstract： With the continuous increasing requirement of the oilfield intellectualized， networking， digitalization and intellectualization have become the trend of era development. The way we operated in production will be changed by digitalization and intellectualization of the oilfield. The digitalization and intellectualization for the production facilities of oilfield will be the main developing direction in the future. Digital factory is an important approach to achieve the digitalization and intellectualization for the production facilities of oilfield. The thorough application of digital factory in oilfield can evaluate the rationality of oil and gas production process， and make overall arrangements of the construction resources and production plan. It also can provide an accurate real-time control of the production process， on the basis of the simulation of the virtual model as well as the verification result of the data interaction and operation of each component in the production system， so as to optimize the production process and reduce production costs.

Key Words： Digital twin; Model simulation; Digitalization; Intellectualization

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，數(shù)字化工廠作為智能制造的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。目前，世界知名石油化工企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始著手于數(shù)字化交付與三維應(yīng)用技術(shù)的建設(shè)，并取得了顯著的成效。?？松梨谕袀愃故校迳即墸捰蛷S，運(yùn)用三維數(shù)字化技術(shù)，創(chuàng)建智能化三維實(shí)體模型，通過(guò)與工廠現(xiàn)有的可靠性管理系統(tǒng)、工藝和儀表流程系統(tǒng)、設(shè)備資產(chǎn)維護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)連接和集成，構(gòu)建了三維數(shù)字化智能模型，主要應(yīng)用在資產(chǎn)改造方面，改造流程得到了很大程度的改善和優(yōu)化，并節(jié)省了至少10%的固定資產(chǎn)投入，大幅度加速工程改造時(shí)間周期，避免了返工;BP公司W(wǎng)hiting煉油廠，運(yùn)用三維數(shù)字化技術(shù)，將裝置的PDS模型轉(zhuǎn)化為智能模型，主要應(yīng)用在員工培訓(xùn)，設(shè)備檢、維修等方面，顯著提高了工作效率，縮短了企業(yè)從事故中恢復(fù)的時(shí)間，極大降低了成本，其19套裝置單元3年節(jié)省成本達(dá)1000萬(wàn)美元;Shell加拿大 Alberta 煉油廠（15 萬(wàn)桶/天的原油煉制能力），采用三維數(shù)字化技術(shù)，通過(guò)三維實(shí)體模型與用戶現(xiàn)有的檢測(cè)、腐蝕管理數(shù)據(jù)庫(kù)等相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行集成， 創(chuàng)建了腐蝕和厚度檢測(cè)等業(yè)務(wù)管理功能，在檢、維修方面，優(yōu)化腐蝕檢測(cè)工作流程，平均每天可節(jié)約1～2h的工作時(shí)間，計(jì)劃外工作顯著減少，明顯提高了維護(hù)效率和精度。僅直接使用已有的數(shù)字化工廠3D模式，避免了起草圖紙的需求，僅此一項(xiàng)就節(jié)省成本超過(guò)100萬(wàn)美元。Ameriven 煉油廠，通過(guò)三維數(shù)字化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)實(shí)體的三維可視化并獲取資產(chǎn)的管理數(shù)據(jù)，將模型與檢測(cè)和腐蝕管理數(shù)據(jù)庫(kù)（Meridium 和Maximo 系統(tǒng)）進(jìn)行集成，創(chuàng)建周期分析，檢測(cè)練習(xí)以及腐蝕點(diǎn)快速判斷定位功能，極大地改善了維護(hù)人員與檢測(cè)人員的溝通和協(xié)作能力。員工可在最短時(shí)間內(nèi)隔離問(wèn)題區(qū)域，在某些情況下可將整個(gè)時(shí)間縮短80%，檢測(cè)人員工作效率提高25%～30%。

國(guó)內(nèi)項(xiàng)目中，中石油蘭州石化數(shù)字化工程項(xiàng)目、中石油云南石化三維數(shù)字化工廠項(xiàng)目、中石化鎮(zhèn)海煉化數(shù)字化工廠項(xiàng)目等，都已經(jīng)投入正常運(yùn)行。三維數(shù)字工廠實(shí)現(xiàn)了檢修計(jì)劃、方案編制、工單管理、檢修記錄、輔助計(jì)量、腐蝕管理、特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)、資產(chǎn)管理、動(dòng)土管理以及設(shè)備運(yùn)行管理、高清視頻集成、運(yùn)維培訓(xùn)管理等功能。中海油南海樂(lè)東油氣田也已經(jīng)開(kāi)始儀表設(shè)備數(shù)字化管理的嘗試。

1 ?數(shù)字化工廠的意義

1.1 市場(chǎng)與業(yè)主的需求

首先在現(xiàn)代科技的推動(dòng)下，智能化制造、數(shù)字化工廠必然會(huì)替代傳統(tǒng)制造業(yè)應(yīng)運(yùn)而生，這是社會(huì)自然發(fā)展的走向，人力不可改變[1]。其次，在經(jīng)濟(jì)全球化，產(chǎn)業(yè)國(guó)際化的大背景下，諸多生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目中的參與者越來(lái)越多元化、異域化，而傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式和管理模式在此背景下必然會(huì)極大地增加項(xiàng)目運(yùn)行成本，同時(shí)也降低項(xiàng)目管理效率。任何企業(yè)如果想增強(qiáng)自身競(jìng)爭(zhēng)力，都將別無(wú)選擇地往數(shù)字化方向轉(zhuǎn)型，以求適應(yīng)市場(chǎng)潮流和滿足業(yè)主需求。

1.2 數(shù)字化工廠的優(yōu)勢(shì)

數(shù)字化工廠的優(yōu)勢(shì)就是將原始的生產(chǎn)資料參數(shù)（機(jī)械設(shè)備、物資材料等參數(shù)）轉(zhuǎn)化成模型，將原始的生產(chǎn)力（人工）轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)，通過(guò)特定的軟件、平臺(tái)和程序用計(jì)算機(jī)代替人工來(lái)處理數(shù)據(jù)。同時(shí)，其強(qiáng)大的查詢管理能力，設(shè)備運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)能力、預(yù)警反饋能力又遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人工處理水平。因此在降低成本的同時(shí)，又提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)了智能化管理，減少了誤差，推動(dòng)了企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展[2]。

2 ?數(shù)字化工廠建設(shè)路線

數(shù)字化工廠是利用創(chuàng)新的虛擬現(xiàn)實(shí)的方法獲得代表工廠現(xiàn)狀的全熱點(diǎn)三維模型，以該模型為核心集成工廠全生命周期（如設(shè)計(jì)、安裝、生產(chǎn)、檢維修、腐蝕等）的動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)，形成工廠資產(chǎn)、生產(chǎn)、安全管理的數(shù)據(jù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)維護(hù)的各個(gè)領(lǐng)域提供數(shù)據(jù)、模型服務(wù)，以及對(duì)企業(yè)管理與維護(hù)過(guò)程提供仿真、評(píng)估和優(yōu)化的技術(shù)支持，是流程行業(yè)新型生產(chǎn)組織與管理方式。數(shù)字化工廠模型建設(shè)有兩條技術(shù)路線，如圖1所示分別為：逆向建模和數(shù)字化交付。其中逆向建模是利用激光掃描技術(shù)獲得精確代表工廠現(xiàn)狀的三維模型;數(shù)字化移交是把不可編輯的三維設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換為可編輯的三維數(shù)字工廠模型。

2.1 逆向建模

在石油化工領(lǐng)域，針對(duì)于老舊設(shè)施數(shù)字化工廠建設(shè)，獲取老舊設(shè)施的數(shù)字模型是關(guān)鍵，但存在以下三種困難：因年代原因，設(shè)計(jì)手段停留在二維形態(tài)，一旦在三維空間內(nèi)建模會(huì)出現(xiàn)管線碰撞等錯(cuò)誤;設(shè)施被改造多次，且沒(méi)有及時(shí)對(duì)資料進(jìn)行升級(jí)更新，導(dǎo)致圖紙與實(shí)際工程設(shè)施不一致;因設(shè)計(jì)年代久遠(yuǎn)導(dǎo)致資料品相劣化，甚至殘缺丟失。逆向建模又稱三維掃描是指集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)，主要利用三維掃描設(shè)備對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)及色彩進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)，可以擺脫對(duì)原設(shè)計(jì)圖紙的過(guò)度依賴。逆向建模技術(shù)是最近新興起的一種高精度立體掃描技術(shù)，主要用在高精度逆向工程的三維建模上面，及時(shí)通過(guò)三維的坐標(biāo)方式，把掃描所獲得的點(diǎn)精確的投影在計(jì)算機(jī)模型中，從而達(dá)到三維復(fù)制，逆向建模的效果，而現(xiàn)有的傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)主要是進(jìn)行單點(diǎn)精確測(cè)量，獲得坐標(biāo)多為二維坐標(biāo)，難以滿足精確建模對(duì)三維的需要，三維激光掃描技術(shù)成功地解決了這一難題。其使用獨(dú)特的測(cè)量手段，進(jìn)行三維坐標(biāo)獲取，根據(jù)測(cè)量所得數(shù)據(jù)，通過(guò)三維幾何建模方法重構(gòu)實(shí)物模型。其原理是根據(jù)存在的產(chǎn)品實(shí)物模型，通過(guò)各種測(cè)量手段及三維幾何建模方法，將原有實(shí)物轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的三維數(shù)字化模型，反向推導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型的過(guò)程[3]。

三維掃描可以對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行多方位的掃描取點(diǎn)，通過(guò)不同角度的掃描取點(diǎn)，將各種大型、復(fù)雜、不規(guī)則的實(shí)體的三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，通過(guò)點(diǎn)云處理軟件，去除干擾點(diǎn)，從而快速重構(gòu)實(shí)體三維模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)體和三維模型對(duì)應(yīng)，極大地方便了各種后續(xù)工程的跟蹤進(jìn)行。張德海等人[4]在逆向工程中，使用可以將三維物體幾何信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的二維數(shù)字信號(hào)的三維光學(xué)掃描技術(shù)，對(duì)三維逆向建模進(jìn)行模擬，結(jié)果表明三維掃描設(shè)備掃描建模相似度達(dá)到原始數(shù)模的98%，基本滿足在逆向建模中的應(yīng)用。

三維掃描測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取，受周?chē)h(huán)境影響較大，原始點(diǎn)云在三維掃描的獲取過(guò)程中，因?yàn)槭墉h(huán)境因素的客觀條件限制，不可避免的存在噪聲點(diǎn)、飛點(diǎn)、重疊點(diǎn)云等現(xiàn)象，這就導(dǎo)致逆向建模過(guò)程中點(diǎn)云密度大、計(jì)算周期長(zhǎng)、過(guò)程運(yùn)算復(fù)雜等問(wèn)題，所以在逆向建模過(guò)程中最大的挑戰(zhàn)就是如何保證點(diǎn)云的處理精度和處理時(shí)間問(wèn)題，如何在最短的時(shí)間內(nèi)獲得盡量多的準(zhǔn)確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，是衡量和評(píng)價(jià)掃描數(shù)據(jù)是否成功的根本。

2.2 數(shù)字化交付

狹義的數(shù)字化交付是將業(yè)主所需的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型、采辦信息數(shù)據(jù)、設(shè)備單元可分解數(shù)據(jù)模型、項(xiàng)目改造數(shù)據(jù)、項(xiàng)目管理信息等各項(xiàng)工程數(shù)據(jù)加載到可兼容多元化數(shù)據(jù)的交付平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化、有序化的數(shù)據(jù)移交。而廣義的數(shù)字化交付是幫助業(yè)主實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中全部信息的采集、整合以及生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)的輸入輸出、雙向檢驗(yàn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、運(yùn)維操控等功能的系統(tǒng)性交付[5]。

2.3 數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)的制定

由于項(xiàng)目參與者（設(shè)計(jì)方、施工方、供貨商、工藝分包商等）的多樣性，技術(shù)（結(jié)構(gòu)專業(yè)、工藝配管專業(yè)、電氣專業(yè)、暖通專業(yè)、舾裝防腐專業(yè)）的多專業(yè)性，過(guò)程（EPCI或者EPC等）的多階段性，導(dǎo)致各方的交付數(shù)據(jù)存在差異性，所以制定統(tǒng)一的交付標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于打通數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性和提高數(shù)據(jù)兼容性至關(guān)重要。目前國(guó)標(biāo)有《GB/T 51296-2018石油化工工程數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)》[6]，但為了增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，打造個(gè)性化服務(wù)，我們應(yīng)該根據(jù)我們的服務(wù)理念和技術(shù)水平制定自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 搭建數(shù)字化交付平臺(tái)

數(shù)字化交付平臺(tái)是從源頭上實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)資產(chǎn)進(jìn)行全生命周期的精準(zhǔn)管控。不能只停留在整合竣工數(shù)據(jù)的層面上，必須保證后期運(yùn)維改造的數(shù)據(jù)能及時(shí)準(zhǔn)確地反饋到平臺(tái)上。所以必須要求其平臺(tái)上每一個(gè)孤島數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性、與現(xiàn)場(chǎng)一致性以及操作的可靠性、合規(guī)性。數(shù)字化交付平臺(tái)需要供開(kāi)放的數(shù)據(jù)接口，接收工程后期運(yùn)行、維護(hù)、改造等工廠全生命周期的信息數(shù)據(jù)[7]。目前國(guó)際主流的數(shù)字化交付平臺(tái)有?？怂箍礢PF（Smart Plant Foundation）平臺(tái)、AVEVA平臺(tái)、西門(mén)子數(shù)字化平臺(tái)COMOS等，國(guó)內(nèi)也有北京綏通的SeaLINx平臺(tái)等，這些平臺(tái)均支持多種主流文件格式，可將不同的數(shù)字模型組合在一起。

2.5 建立統(tǒng)一的通訊協(xié)議接口

數(shù)字化工廠需要獲取物理工廠的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，靜態(tài)數(shù)據(jù)主要通過(guò)逆向建模或者數(shù)字化交付獲得，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)主要通過(guò)與物理工廠中的PCS、ESD、F&G、PLC等系統(tǒng)的通訊聯(lián)系，但現(xiàn)役物理工廠的中控、EMS（能量管理系統(tǒng)）、防腐監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)震動(dòng)監(jiān)測(cè)等，各系統(tǒng)之間互不聯(lián)系或聯(lián)系較少。品牌不同，使用的接口協(xié)議不同，無(wú)法實(shí)現(xiàn)相互通信。因此需要建立一套統(tǒng)一的接口協(xié)議，為各系統(tǒng)與本平臺(tái)的監(jiān)控從站之間通信提供統(tǒng)一的軟硬件基礎(chǔ)。

3 ?數(shù)字化工廠的總體架構(gòu)

如圖2，數(shù)字化工廠技術(shù)應(yīng)該包含數(shù)據(jù)保障層、建模計(jì)算層、數(shù)字孿生功能層和沉浸式體驗(yàn)層[8]。數(shù)據(jù)保障層是整個(gè)數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)，主要包含數(shù)字化交付、逆向建模、傳感器數(shù)據(jù)采集、工廠數(shù)據(jù)維護(hù)等為數(shù)字工廠提供靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和及時(shí)性直接影響到數(shù)字化工廠的應(yīng)用深度和準(zhǔn)度。建模計(jì)算層是數(shù)字工廠的核心，在企業(yè)全生命周期內(nèi)由數(shù)據(jù)保障層輸入的數(shù)據(jù)格式是多樣性的，需要數(shù)字工廠平臺(tái)需要支持多種數(shù)據(jù)源的導(dǎo)入，需要考慮多尺度三維數(shù)據(jù)集成與融合，數(shù)字孿生內(nèi)涵特征、運(yùn)行機(jī)制與模型的融合技術(shù)。數(shù)字孿生功能層與沉浸式體驗(yàn)層屬于數(shù)字化工廠的應(yīng)用，數(shù)字化工廠可為企業(yè)提供高效的數(shù)據(jù)管理、遠(yuǎn)程診斷、腐蝕管理、虛擬培訓(xùn)等智能管理。

4 ?數(shù)字化工廠的應(yīng)用探索

4.1 資產(chǎn)實(shí)物管理

數(shù)字化工廠是物理工廠的數(shù)字投影，在虛擬的數(shù)字世界里，可以瀏覽、查詢每一個(gè)設(shè)備的資產(chǎn)屬性、設(shè)備信息以及設(shè)備部件的基本信息，可以動(dòng)態(tài)的維護(hù)設(shè)備部件的基本信息，查看所有部件的歷史維護(hù)記錄等。數(shù)字化工廠以“資產(chǎn)”為核心，集成了工程設(shè)計(jì)資料、供應(yīng)商文件、建筑施工文件、安裝調(diào)試資料、運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)等，可以實(shí)現(xiàn)基于資產(chǎn)的一站式數(shù)據(jù)查詢。

4.2 腐蝕風(fēng)險(xiǎn)管理

基于三維數(shù)字化工廠可以極大的簡(jiǎn)化RBI分析，并可以三維展示RBI分析結(jié)果。在三維腐蝕回路知識(shí)視圖上，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量規(guī)劃等，規(guī)劃設(shè)計(jì)檢測(cè)點(diǎn)的位置;檢測(cè)后，數(shù)字化工廠保存腐蝕檢測(cè)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)歷史壁厚、腐蝕速率、剩余壽命等數(shù)據(jù)，對(duì)資產(chǎn)的腐蝕情況進(jìn)行分析研究。

4.3 VR場(chǎng)景應(yīng)用

利用VR技術(shù)在三維數(shù)字化工廠中，依據(jù)用戶應(yīng)急預(yù)案制作應(yīng)急演練計(jì)劃，可通過(guò)多角色場(chǎng)景同步協(xié)同演練，聯(lián)機(jī)演練過(guò)程中，不同用戶扮演不同角色，系統(tǒng)分配不同任務(wù)，通過(guò)演練可以讓用戶熟悉應(yīng)急操作流程，演練互相配合流程。另外利用三維數(shù)字化工廠模型以及VR技術(shù)可以對(duì)動(dòng)設(shè)備拆裝進(jìn)行仿真培訓(xùn)。

4.4 工程仿真

基于與現(xiàn)場(chǎng)完全一致的三維模型，可在辦公室內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)備拆裝工程、腳手架搭設(shè)工程、設(shè)備吊裝等方案的仿真，評(píng)估方案的可行性，優(yōu)化方案，記錄并分發(fā)解決方案。

參考文獻(xiàn)

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