三維數(shù)字化技術(shù) 在化工智能工廠中的應(yīng)用研究

張 劍

(安徽省合肥市東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

化學(xué)工業(yè)一直是我國核心的工業(yè)組成部分之一，它不僅為各個(gè)領(lǐng)域提供充足的能源供應(yīng)，也是現(xiàn)代高分子材料的支柱，其副產(chǎn)品更是可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供化肥、農(nóng)藥等化工產(chǎn)物和農(nóng)用塑料薄膜等有機(jī)材料，始終是我國發(fā)展的重點(diǎn)。然而，隨著現(xiàn)代建設(shè)走向高質(zhì)化和產(chǎn)業(yè)鏈化，傳統(tǒng)化工企業(yè)大多出現(xiàn)產(chǎn)能過剩、結(jié)構(gòu)性過剩，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致企業(yè)的能源效率較低等問題。為此，在信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上，以計(jì)算機(jī)3D建模和數(shù)字化模擬為基礎(chǔ)，對化工領(lǐng)域的傳統(tǒng)制造技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以進(jìn)一步提高產(chǎn)能，并對整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行合理創(chuàng)新，最終達(dá)到產(chǎn)業(yè)鏈智能化，是化工企業(yè)新的發(fā)展方向。

1 三維數(shù)字化工廠

1.1 三維數(shù)字化工廠的概念

在傳統(tǒng)的化工企業(yè)工廠中，相關(guān)的統(tǒng)計(jì)工作都是由人工完成，通過手寫或大量的EXCEL表格來記錄數(shù)據(jù)，效率低下且容易出錯(cuò)，并且工作人員每一次的工作交接都會(huì)有隱藏的數(shù)據(jù)流失或文檔損壞的危險(xiǎn)，人員的流動(dòng)是企業(yè)不可避免的問題，這些因素都會(huì)對工廠數(shù)據(jù)保存有著潛在的威脅。

數(shù)字化工廠的建立基礎(chǔ)就是以數(shù)字化模型、方法和工具構(gòu)成的綜合網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)將其他擴(kuò)展技術(shù)如仿真模擬和虛擬現(xiàn)實(shí)等有機(jī)結(jié)合在一起，通過強(qiáng)大的信息系統(tǒng)將工廠中所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類呈現(xiàn)，并將連續(xù)的數(shù)據(jù)鏈集成式管理，以提高整體產(chǎn)品生產(chǎn)鏈在整個(gè)生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)效率和設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能。以數(shù)字化工程和信息工程對企業(yè)和工廠進(jìn)行輔助式的新發(fā)展模式被稱為“三維數(shù)字化工廠(DF)”。

三維數(shù)字化工廠在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用改變了工廠原本的工作模式，包括工廠的設(shè)備數(shù)據(jù)管理，更為便捷的安全、維護(hù)和檢修工作等。并且，三維數(shù)字化工廠與傳統(tǒng)的二維規(guī)劃不同，三維建模的存在使得物理空間的表達(dá)更為清晰和精準(zhǔn)，對于任何出現(xiàn)的變化都可以在原來數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行直接模擬和評估。數(shù)字化工程為工程的設(shè)備、生產(chǎn)線等系統(tǒng)提供了多方位的精確數(shù)據(jù)庫，為高效便捷的生產(chǎn)需求提供了有力保障。

1.2 三維數(shù)字化工廠的主要技術(shù)

工廠數(shù)字化的建成是計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)分析等多種信息技術(shù)的交叉運(yùn)用結(jié)果，通過對工廠生產(chǎn)和運(yùn)營等環(huán)節(jié)進(jìn)行建模模擬，來實(shí)現(xiàn)對工廠全方位、多角度的在線同步觀測和管理，其中，所使用到的技術(shù)包括數(shù)字化建模、優(yōu)化仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、軟件編輯與集成等多種技術(shù)，具體如圖1所示。

圖1 三維數(shù)字化工廠建設(shè)應(yīng)用技術(shù)Fig.1 Main technologies of 3D digital factory construction

在三維數(shù)字化工廠建成所應(yīng)用的諸多技術(shù)中，數(shù)字化建模技術(shù)無疑是最為核心的模塊，數(shù)字化建?？梢詫S進(jìn)行比例縮小，并按照設(shè)備參數(shù)和工藝流程在計(jì)算機(jī)中模擬重現(xiàn)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過程中的要求改變模擬的外部條件，還可以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)生產(chǎn)流程的1∶1重現(xiàn)。優(yōu)化仿真則主要用于對生產(chǎn)流程的時(shí)間、工序和不同工作流程之間的管理進(jìn)行調(diào)整和模擬，如減少設(shè)備待機(jī)時(shí)間、緊湊生產(chǎn)工藝流程，減少生產(chǎn)過程中的無效時(shí)間，使得生產(chǎn)流程的效率達(dá)到最高。虛擬現(xiàn)實(shí)是在傳感器和感知設(shè)備的工作下，加強(qiáng)監(jiān)管人員對生產(chǎn)流程的沉浸式體驗(yàn)感，便于控制設(shè)備與工序。軟件編輯與集成則是對設(shè)備的對接進(jìn)行優(yōu)化以降低資源的浪費(fèi)。

1.3 三維數(shù)字化技術(shù)在智能工廠中的應(yīng)用優(yōu)勢

..專業(yè)的數(shù)據(jù)模型

在化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域中，設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)是最能完整、真實(shí)地體現(xiàn)設(shè)備狀況和生產(chǎn)流程情況的直接渠道。完整的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)具有精準(zhǔn)、直接、全面3個(gè)最為基礎(chǔ)的特征，當(dāng)工廠出現(xiàn)需要更換或維修設(shè)備情況時(shí)，一般對設(shè)備的調(diào)整時(shí)間要達(dá)到30 d以上，而通過三維數(shù)字化平臺(tái)對設(shè)備的相關(guān)參數(shù)和以往的工作信息，可以大幅度加快信息采集的進(jìn)程，提高工作效率。

三維數(shù)字化工廠的建立具有特定的標(biāo)準(zhǔn)，在我國頒布的ISO 15926《工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)與集成及流程工廠》設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)框架標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了工程級(jí)三維數(shù)字化工廠的技術(shù)路線和數(shù)據(jù)模型建立流程。其工作范圍涵蓋大到工廠裝置系統(tǒng)，小到設(shè)備零件之間的連接關(guān)系，很好的保存了設(shè)備信息，為以后設(shè)備的調(diào)整和工藝的優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

..行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范

三維數(shù)字化技術(shù)建立的基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)據(jù)工程，經(jīng)過多年的發(fā)展與完善，數(shù)字化技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)趨于成熟，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范性使得不同工廠之間的交流和數(shù)據(jù)對接減少了許多風(fēng)險(xiǎn)，在設(shè)備的更新和工藝交流過程中保證了雙方數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

..直觀的交互方

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用使得操作人員對設(shè)備數(shù)據(jù)具有很高的可視性和體驗(yàn)感，即使不懂得計(jì)算機(jī)技術(shù)的設(shè)備管理人員也可直觀的體感數(shù)據(jù)的交互，減少了程序語言帶來的繁雜感。

2 三維數(shù)字化技術(shù)在智能工廠中的應(yīng)用

2.1 三維數(shù)字化技術(shù)在地下設(shè)施管理應(yīng)用

我國化工工廠的運(yùn)輸系統(tǒng)都有部分鋪設(shè)在地下，具有分布廣、年代久的特點(diǎn)，對地下管道的管理和維護(hù)就變得相當(dāng)困難，同時(shí)具有較大的工程隱患。利用三維數(shù)字化工程對地下管路進(jìn)行建模重現(xiàn)，并通過信息化管理管道的信息，可以簡單明了地對地下管道的服役情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，減少人力物力的消耗。利用三維數(shù)字化技術(shù)對地下管路系統(tǒng)進(jìn)行建模管理還有地下設(shè)施工程數(shù)據(jù)整合、預(yù)設(shè)作業(yè)方案、管理施工、故障預(yù)警及評估等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 三維數(shù)字化技術(shù)在安環(huán)管控中的應(yīng)用

由于化工行業(yè)的特殊性質(zhì)，石油、天然氣、煤粉以及它們的加工產(chǎn)品均具有易燃易爆的特性，石油、天然氣中還含有有機(jī)硫、硫化氫等有毒物質(zhì)，不僅如此，高溫、高壓也是石油化工企業(yè)諸多設(shè)備的常見工作環(huán)境。所以，“安全第一”在化工企業(yè)中絕不僅僅只是口號(hào)。為了保證安全生產(chǎn)，化工企業(yè)都制定了嚴(yán)格的安全制度及具體的安全措施。而相對其他領(lǐng)域而言，化工工廠的安全管理范圍較廣，事故情況復(fù)雜，一旦出現(xiàn)問題，需要在極短的時(shí)間內(nèi)快速反應(yīng)并針對性的處理。三維數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用則將工廠內(nèi)各個(gè)設(shè)備參數(shù)和工藝流程的信息進(jìn)行統(tǒng)籌，有助于對事故設(shè)備信息、相關(guān)流程的運(yùn)行情況和危險(xiǎn)性、人員疏散等多個(gè)方面進(jìn)行分析和匯總，為安全防范和處理提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)幫助。

2.3 三維數(shù)字化技術(shù)在腐蝕監(jiān)測和管理中的應(yīng)用

在化工行業(yè)中，由于液相物料中經(jīng)?；祀s硫化氫、二氧化碳等酸性介質(zhì)，管道和設(shè)備的腐蝕問題較為嚴(yán)重；而一旦運(yùn)輸管道等設(shè)備失效，則可能導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重的液相物料泄露的問題。所以，設(shè)備和管道的腐蝕防護(hù)與管理是不可忽視的一部分。然而，石化工廠的生產(chǎn)流程繁多，管道運(yùn)輸系統(tǒng)極為復(fù)雜，且在運(yùn)輸石油的過程中，在液相物料的沖擊或酸性介質(zhì)的影響下，管道和設(shè)備的腐蝕問題受到很多因素影響。

利用三維數(shù)字化系統(tǒng)對液相物料的流速、pH值的檢測等信息進(jìn)行模擬，在對相關(guān)裝置進(jìn)行三維建模和條件施加的基礎(chǔ)上，同步使用傳感器則可以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)工廠管道設(shè)備的在線腐蝕監(jiān)測與防護(hù)，指導(dǎo)腐蝕排查，還能做到預(yù)防腐蝕失效。

2.4 三維數(shù)字化技術(shù)在智能工廠應(yīng)用展望

傳統(tǒng)化工工廠的信息處理方式不僅耗費(fèi)巨大的人力、物力，準(zhǔn)確率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及三維數(shù)字化技術(shù)在智能工廠的應(yīng)用，并且，在虛擬現(xiàn)實(shí)和軟件編輯與集成系統(tǒng)的支持下，工作人員可以更為簡單、便捷地對整個(gè)工廠流程進(jìn)行在線監(jiān)控和管理，然而隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息工程的發(fā)展，三維數(shù)字化技術(shù)給化工工廠帶來的將不僅僅是設(shè)備系統(tǒng)的全面信息支持，也為工廠的管理提供更為流暢的優(yōu)化管理和應(yīng)用前景，對工廠中繁雜的系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)整合和調(diào)整，等比例按照實(shí)際的物理空間實(shí)景展現(xiàn)給管理人員，更為便捷地實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的檢測、維護(hù)與管理。

3 結(jié)語

三維數(shù)字化工廠的建立對傳統(tǒng)化工企業(yè)的產(chǎn)業(yè)效率提升和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整有重大意義，其不僅可對實(shí)際工廠中的產(chǎn)業(yè)流程提供模擬重現(xiàn)和動(dòng)態(tài)演示，使得工作人員可在電腦觀察到整個(gè)工廠中產(chǎn)品生產(chǎn)過程；也能對工廠生產(chǎn)流程進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，減少系統(tǒng)的無用時(shí)間，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的提升；內(nèi)置的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用更是可以提供生產(chǎn)流程的動(dòng)態(tài)演示，加深員工對工作的了解。簡而言之，三維數(shù)字化智能工廠可以有效提高化工產(chǎn)業(yè)的效率，有著準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，和廣闊的應(yīng)用前景及技術(shù)優(yōu)勢。