智能煉化工廠建設(shè)架構(gòu)的研究

李婧，于小茜

(1.中國寰球工程有限公司，北京 100012；2.中國寰球工程有限公司北京分公司，北京 100012)

0 引言

隨著“工業(yè)4.0”概念的提出，美國的“先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計(jì)劃”，日本的“科技工業(yè)聯(lián)盟”，英國的“工業(yè)2050戰(zhàn)略”都對(duì)工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展方向提出了明確目標(biāo)。“中國制造2025”的戰(zhàn)略實(shí)施已經(jīng)過半，以互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)智能化為代表的全球信息化革命正悄悄影響著能源生產(chǎn)和消費(fèi)格局的變化，引領(lǐng)傳統(tǒng)石化行業(yè)進(jìn)行新一輪洗牌。智能煉廠在此形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生，意圖在數(shù)字化交付的基礎(chǔ)上，利用新興信息技術(shù)手段，構(gòu)建一個(gè)高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適的人性化智能煉廠。

1 研究背景及研究進(jìn)展

總體來說，國內(nèi)外傳統(tǒng)石化行業(yè)的信息化發(fā)展經(jīng)歷了以生產(chǎn)為導(dǎo)向的基礎(chǔ)建設(shè)階段、以自動(dòng)控制為手段的自動(dòng)化階段、以數(shù)據(jù)自動(dòng)采集為特征的數(shù)字化階段，并最終進(jìn)入以大數(shù)據(jù)分析和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)為依托的智能化階段(圖1)。

圖1 石化企業(yè)組織模式的發(fā)展

2012年，中國石化啟動(dòng)智能工廠總體規(guī)劃設(shè)計(jì)，選擇燕山石化、鎮(zhèn)海煉化、茂名石化、九江石化4家企業(yè)試點(diǎn)實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)控制投用率、生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)數(shù)采率分別提升10%、20%，均達(dá)到90%以上，外排污染源自動(dòng)監(jiān)控率達(dá)到100%，勞動(dòng)生產(chǎn)率提高10%以上[1]。2018年，中國石化選擇齊魯石化、天津石化、上海石化、金陵石化、海南煉化、青島煉化6家成熟的煉化企業(yè)完成智能工廠2.0版，企業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率提高20%，萬元產(chǎn)值綜合能耗下降6%。2021年，海南煉化大型國產(chǎn)化芳烴智能工廠建設(shè)項(xiàng)目順利驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)效率提高20%以上，運(yùn)營成本降低20%以上，單位產(chǎn)值能耗降低10%以上的綜合指標(biāo)。

2 總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

智能煉廠的建設(shè)基于數(shù)字化交付這一前提，以工廠對(duì)象為核心，建立煉廠與其屬性數(shù)據(jù)、專業(yè)文檔和三維模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)的快速檢索及可視化表達(dá)。智能煉廠設(shè)計(jì)工作的第一步是獲取完備的工程資料和數(shù)字化交付成果，而最終交付給用戶(業(yè)主)的是一整套符合標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，設(shè)計(jì)過程的關(guān)鍵在于數(shù)字化交付數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和一致性。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，智能煉化工廠的總體架構(gòu)可以分為四層，自上而下分別為業(yè)務(wù)層、功能層、數(shù)據(jù)層和設(shè)備層。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

業(yè)務(wù)層為系統(tǒng)前端設(shè)計(jì)，直接與用戶交互。根據(jù)傳統(tǒng)煉廠的業(yè)務(wù)需求分析結(jié)果，業(yè)務(wù)層可以劃分為生產(chǎn)運(yùn)行、經(jīng)營決策、安全環(huán)保和VR煉廠四個(gè)核心子系統(tǒng)。

功能層包括更細(xì)粒度的業(yè)務(wù)功能單元，用于響應(yīng)用戶提交的業(yè)務(wù)功能請(qǐng)求，在工作流執(zhí)行的各個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與用戶的交互。通過功能層中各功能單元的組合可以完成從原料投入到產(chǎn)品生產(chǎn)再到儲(chǔ)備運(yùn)輸?shù)娜鞒绦畔⒒芾恚豢梢酝ㄟ^RFID實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中設(shè)備或庫房中物料的互聯(lián)或定位；可以在突發(fā)安全或者環(huán)保事件后迅速形成應(yīng)急預(yù)案并提供救援指導(dǎo)；可以自動(dòng)檢測(cè)登記輸出產(chǎn)品的質(zhì)量；可以通過建立VR煉廠，實(shí)現(xiàn)虛擬漫游巡檢等。

數(shù)據(jù)層用來組織業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫按照煉化工廠的業(yè)務(wù)類型，劃分為計(jì)劃調(diào)度數(shù)據(jù)庫、工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫、儀表監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫、設(shè)備操控?cái)?shù)據(jù)庫、物料管理數(shù)據(jù)庫、產(chǎn)品管理數(shù)據(jù)庫、通信日志數(shù)據(jù)庫、用戶管理數(shù)據(jù)庫。其中，數(shù)據(jù)庫中與生產(chǎn)運(yùn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)可以從分布在物聯(lián)網(wǎng)中的各設(shè)備或儀表終端直接采集獲得。設(shè)備層中的手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備用于完成線上人-人對(duì)話和人-機(jī)對(duì)話，手持設(shè)備用于在線操控集成管理系統(tǒng)，傳感器用于監(jiān)測(cè)并回傳環(huán)境參數(shù)和污染參數(shù)等，監(jiān)控?cái)z像頭用于全廠性全天候視頻監(jiān)視，各類數(shù)據(jù)傳至中央控制室完成分析和處理，并最終滿足智能業(yè)務(wù)管理需求。

2.2 功能模塊設(shè)計(jì)

功能模塊設(shè)計(jì)是以業(yè)務(wù)工作流需求分析的結(jié)果為基礎(chǔ)完成的。各子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了煉廠業(yè)務(wù)全方位的信息化管理，所有交互功能只需在中央控制室的集成系統(tǒng)中即可完成。

生產(chǎn)運(yùn)行子系統(tǒng)用于全流程生產(chǎn)管理，智能化技術(shù)的應(yīng)用體現(xiàn)在以下六個(gè)方面：一是在裝置生產(chǎn)能力評(píng)估、生產(chǎn)進(jìn)度控制、訂單交期預(yù)測(cè)和人力負(fù)荷配備等工作場(chǎng)景中，研制了能夠自我學(xué)習(xí)、訓(xùn)練優(yōu)化的計(jì)劃調(diào)度方案模型，建立了模型數(shù)據(jù)庫，從而實(shí)現(xiàn)了智能化的生產(chǎn)組織與實(shí)施；二是產(chǎn)品從投料控制到合格產(chǎn)出的流水線智能化管理，同時(shí)對(duì)接物料管理模塊、產(chǎn)品儲(chǔ)運(yùn)模塊、電儀設(shè)備管理模塊和質(zhì)量管理模塊，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的全周期、全過程、全流程的智能管控；三是在物料管理模塊中建立無人值守庫房，用于管理調(diào)度輸入物料的體量、反應(yīng)時(shí)間、催化劑等信息，及時(shí)記錄備案數(shù)據(jù)，以備追溯統(tǒng)計(jì)分析；四是在產(chǎn)品儲(chǔ)運(yùn)模塊中實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的標(biāo)簽化管理及庫存的優(yōu)化管理，通過外接第三方物流系統(tǒng)完成出庫運(yùn)輸流程；五是在電儀設(shè)備管理模塊中，利用DCS控制系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)儀表和設(shè)備的在線管理，并在檢維修過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的登記跟蹤和干預(yù)控制；六是在質(zhì)量管理模塊中實(shí)現(xiàn)煉化反應(yīng)過程控制和產(chǎn)品抽樣質(zhì)檢的優(yōu)化管理，對(duì)于早期缺陷開展預(yù)測(cè)并持續(xù)改善產(chǎn)品質(zhì)量和品質(zhì)。

經(jīng)營決策子系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，統(tǒng)計(jì)分析煉廠生產(chǎn)經(jīng)營情況，為生產(chǎn)經(jīng)營者提供決策依據(jù)，從采購、銷售、財(cái)務(wù)、資金等多個(gè)層面進(jìn)行管理，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，充分分析行業(yè)市場(chǎng)需求，決策部署采購生產(chǎn)及銷售計(jì)劃，控制經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)，形成良性管理；系統(tǒng)自動(dòng)生成生產(chǎn)經(jīng)營報(bào)表，發(fā)布企業(yè)現(xiàn)金流和負(fù)債及銷售情況，通過部門級(jí)企業(yè)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)全口徑、多維度經(jīng)營管理，提升決策者的管理效率和質(zhì)量[2]。同時(shí)與ERP系統(tǒng)、財(cái)務(wù)系統(tǒng)、OA系統(tǒng)、檔案管理系統(tǒng)等第三方平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接集成，形成經(jīng)營管理一體化智能管理平臺(tái)。

安全環(huán)保子系統(tǒng)通過分布在廠區(qū)的視頻智能監(jiān)控設(shè)備，建立物聯(lián)網(wǎng)關(guān)聯(lián)，并通過手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備或中央控制室的控制終端來實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的安全隱患和事故實(shí)時(shí)監(jiān)控、聯(lián)動(dòng)指揮、人員定位、異常預(yù)警和應(yīng)急處置，并對(duì)污染指數(shù)進(jìn)行評(píng)估、監(jiān)測(cè)和治理，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物和能源產(chǎn)耗的實(shí)時(shí)智能分析和監(jiān)控，大大提高突發(fā)事件的應(yīng)急處理水平和作戰(zhàn)能力，持續(xù)推動(dòng)廠區(qū)HSE管理，由事后管理向事前預(yù)警、事中控制轉(zhuǎn)變。

VR煉廠子系統(tǒng)將三維工廠模型與VR(虛擬現(xiàn)實(shí))、AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))技術(shù)相結(jié)合，在數(shù)字化交付的前提下，使操作人員在中央控制室即可漫游于虛擬煉廠之中，配以可穿戴沉浸式設(shè)備，達(dá)到虛擬巡檢的目的，實(shí)現(xiàn)設(shè)備儀表狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備可視化維護(hù)、組織檢修維修等。利用GIS技術(shù)、室內(nèi)室外導(dǎo)航技術(shù)、基于大比例尺LBS服務(wù)，VR煉廠可以實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景中的設(shè)備定位、人員定位、物料定位、產(chǎn)品定位等功能需求。同時(shí)，利用AI技術(shù)建設(shè)人機(jī)對(duì)話平臺(tái)，通過對(duì)話按照操作者意圖執(zhí)行特定功能、展現(xiàn)特定內(nèi)容，或通過問答輸入信息進(jìn)行響應(yīng)。

3 結(jié)語

面對(duì)即將駛?cè)氲闹悄芑燔嚨?，新興的技術(shù)將帶領(lǐng)煉化企業(yè)構(gòu)建出功能更強(qiáng)大的智能化工廠。借助全三維數(shù)字化煉廠、集中集成平臺(tái)、各類機(jī)理模型和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)等，分析、改造、優(yōu)化傳統(tǒng)石化企業(yè)的業(yè)務(wù)流程，不斷提高各環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)感知能力、機(jī)理分析能力、模型預(yù)測(cè)能力、優(yōu)化協(xié)同能力，持續(xù)提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)科學(xué)有效可持續(xù)發(fā)展[3]，將是我國未來煉化工業(yè)發(fā)展的必由之路。