石化智能工廠研究與構(gòu)建

賈夢(mèng)達(dá)，李劍峰，宮向陽(yáng)

（1. 石化盈科信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100020；2. 中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司信息和數(shù)字化管理部，北京 100728）

智能制造在全球范圍內(nèi)快速發(fā)展，正在引發(fā)產(chǎn)業(yè)深度調(diào)整，在發(fā)展理念、制造模式等方面產(chǎn)生巨大變革[1]。世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛實(shí)施“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，將智能制造作為謀求競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)的戰(zhàn)略方向，不斷推出發(fā)展智能制造的新舉措，積極培育制造業(yè)未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。美國(guó)提出了《先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略》，明確了在先進(jìn)制造業(yè)領(lǐng)域繼續(xù)保持領(lǐng)先地位的目標(biāo)；德國(guó)發(fā)布了“工業(yè)4.0計(jì)劃”[2-3]，英國(guó)提出了“英國(guó)工業(yè)2025 戰(zhàn)略”[4]，日本提出了“新機(jī)器人戰(zhàn)略”[5]；中國(guó)則制定了《中國(guó)制造2025》[6-7]，提出了發(fā)展智能制造的“三步走”戰(zhàn)略。

我國(guó)石化行業(yè)的信息化建設(shè)始于20世紀(jì)90年代，經(jīng)歷了“起步和技術(shù)引進(jìn)”“分散建設(shè)”“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)”“深化應(yīng)用，集中集成”和“集成共享，協(xié)同創(chuàng)新”5 個(gè)階段的發(fā)展[8-9]，產(chǎn)量和能力有了大幅提升，產(chǎn)業(yè)規(guī)模已躋身世界石化大國(guó)前列[10]。但是與高質(zhì)量發(fā)展相比，仍然面臨著資源與能源利用率偏低、高端制造水平不高、信息化建設(shè)起步較晚等問(wèn)題[11-12]。在日益增長(zhǎng)的資源、環(huán)保、競(jìng)爭(zhēng)等挑戰(zhàn)下，開(kāi)展石化工業(yè)智能制造的建設(shè)、搭建石化行業(yè)智能工廠、構(gòu)建具有行業(yè)特色的智能場(chǎng)景，成為提升我國(guó)石化行業(yè)的智能制造水平的重要途徑。

我國(guó)高度重視智能工廠的發(fā)展，連續(xù)多年開(kāi)展智能制造試點(diǎn)示范、新模式應(yīng)用等專項(xiàng)行動(dòng)，推動(dòng)智能工廠的建設(shè)[13]。結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新和融合應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)家工業(yè)和信息化部凝練總結(jié)了15個(gè)環(huán)節(jié)、52個(gè)智能制造典型場(chǎng)景，作為智能制造示范工廠建設(shè)的參考。為了順應(yīng)國(guó)家發(fā)展智能制造、建設(shè)智能工廠的趨勢(shì)，石化行業(yè)亟需結(jié)合新一代信息技術(shù)，參考國(guó)家智能制造場(chǎng)景建設(shè)指南，構(gòu)建覆蓋石化工業(yè)全生命周期的典型智能場(chǎng)景，提高石化企業(yè)整體數(shù)字化水平。

1 國(guó)內(nèi)外石化智能工廠建設(shè)概況

1.1 國(guó)際石化智能工廠發(fā)展情況

智能工廠是智能制造系統(tǒng)的主體，是實(shí)現(xiàn)智能制造的最終載體。2018年起，世界經(jīng)濟(jì)論壇與麥肯錫咨詢公司聯(lián)合在世界范圍內(nèi)遴選燈塔工廠，評(píng)選出具有榜樣意義的“數(shù)字化制造”和“全球化4.0”示范者，以代表全球制造業(yè)領(lǐng)域智能制造和數(shù)字化最高水平。截至2023 年2 月，全球燈塔工廠中石油石化類企業(yè)共3 家。其中，沙特阿美是首個(gè)入選燈塔工廠的石化企業(yè)（2019 年），推動(dòng)了智能工廠的普及，特別是在庫(kù)拉伊斯魯?shù)峦踝邮烷_(kāi)發(fā)公司工廠中，使用先進(jìn)的過(guò)程控制來(lái)提高效率，并自動(dòng)優(yōu)化井驅(qū)動(dòng)泵的功耗。沙特阿美部署了無(wú)人駕駛飛行器，以對(duì)石油鉆井平臺(tái)和其他設(shè)施進(jìn)行更安全、更具成本效益的監(jiān)測(cè)。通過(guò)推廣智能工廠，沙特阿美的設(shè)備效率和生產(chǎn)率提高了30%。

2021 年土耳其STAR 煉油廠入選燈塔工廠。該煉油廠的規(guī)劃定位是成為“世界上技術(shù)最先進(jìn)的煉油廠”，投入資金7 000多萬(wàn)美元，利用資產(chǎn)數(shù)字化績(jī)效管理、數(shù)字孿生、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，在產(chǎn)品復(fù)雜性翻倍、電力和資源消耗不變的情況下，將工廠產(chǎn)量提高了40%，柴油和航空燃油產(chǎn)量提高10%，同時(shí)降低維護(hù)成本20%。

巴斯夫持續(xù)推動(dòng)智能工廠的發(fā)展，通過(guò)數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的增強(qiáng)。巴斯夫在“2025 數(shù)字化遠(yuǎn)景規(guī)劃”中指出，未來(lái)工廠的發(fā)展方向是虛實(shí)結(jié)合的數(shù)字孿生工廠，并提出了五大類舉措和18個(gè)具體用例。

1.2 我國(guó)石化智能工廠建設(shè)歷程

石化智能工廠概念最早由中國(guó)石化于2012年提出[14-15]。以中國(guó)石化為代表，我國(guó)石化智能工廠先后經(jīng)歷了規(guī)劃設(shè)計(jì)、試點(diǎn)建設(shè)、提升建設(shè)、推廣建設(shè)階段近10年的發(fā)展歷程（見(jiàn)圖1），形成了石化行業(yè)智能工廠框架體系，實(shí)現(xiàn)了面向生產(chǎn)、設(shè)備、能源、安全等專業(yè)領(lǐng)域的多個(gè)智能工廠解決方案。

圖1 中國(guó)石化智能工廠建設(shè)歷程

2 我國(guó)石化智能工廠建設(shè)評(píng)估

2.1 石化智能工廠成熟度評(píng)估依據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要技術(shù)基礎(chǔ)，中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院聯(lián)合有關(guān)單位共同研制并發(fā)布了《智能制造能力成熟度模型》[16]和《智能制造能力成熟度評(píng)估方法》[17]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，一方面用于開(kāi)展智能制造能力的差距識(shí)別、方案規(guī)劃和改進(jìn)提升；另一方面用于企業(yè)各項(xiàng)指標(biāo)成熟度等級(jí)的劃定。2項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)為企業(yè)識(shí)別智能制造現(xiàn)狀、規(guī)劃智能制造框架與提升智能制造能力水平提供了重要的方法支撐。

國(guó)家將智能制造分成了不同能力要素、能力域及子域，其中石化工廠涉及到的內(nèi)容主要集中在生產(chǎn)環(huán)節(jié)。當(dāng)前，石化行業(yè)存在智能工廠建設(shè)認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一、核心要素和特征不明確、智能工廠建設(shè)水平評(píng)估方面沒(méi)有統(tǒng)一衡量標(biāo)準(zhǔn)以及難以對(duì)石化行業(yè)智能工廠的能力成熟度進(jìn)行科學(xué)評(píng)估等問(wèn)題[18-19]。本文參考上述2 項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合石化行業(yè)業(yè)務(wù)特點(diǎn)，對(duì)石化工廠計(jì)劃與調(diào)度、操作、工藝、質(zhì)量、控制與優(yōu)化、設(shè)備、安全、環(huán)保、倉(cāng)儲(chǔ)、能源等十大業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)能力進(jìn)行評(píng)估，分析研究石化工廠智能制造能力成熟度。

2.2 以中國(guó)石化為例的石化智能工廠成熟度研究

對(duì)于國(guó)家智能制造能力成熟度評(píng)估的應(yīng)用，以中國(guó)石化某企業(yè)為例，該企業(yè)建立了進(jìn)出場(chǎng)全流程閉環(huán)無(wú)人化管理系統(tǒng)、無(wú)人立體倉(cāng)庫(kù)及無(wú)人叉車等智能場(chǎng)景，基本實(shí)現(xiàn)了倉(cāng)儲(chǔ)配送環(huán)節(jié)的無(wú)人化，成功減人60%，對(duì)照《智能制造能力成熟度模型》[18]中的倉(cāng)儲(chǔ)配送能力成熟度要求，滿足3級(jí)水平，具備了4級(jí)的部分能力，綜合認(rèn)為，該企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)配送業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)達(dá)到了國(guó)家智能制造能力成熟度模型的3.5級(jí)水平。

對(duì)中國(guó)石化的綜合評(píng)估結(jié)果顯示，中國(guó)石化智能工廠1.0階段整體達(dá)到了成熟度2級(jí)水平，智能工廠2.0階段整體達(dá)到了成熟度3級(jí)水平，在工藝、安全、環(huán)保及倉(cāng)儲(chǔ)配送環(huán)節(jié)領(lǐng)域相對(duì)較強(qiáng)，達(dá)到3.5級(jí)水平，在能源管理環(huán)節(jié)相對(duì)較弱，還處于2.5級(jí)。

以中國(guó)石化智能工廠1.0 和2.0 階段的發(fā)展現(xiàn)狀為代表，對(duì)10個(gè)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的智能制造能力進(jìn)行總結(jié)概況，體現(xiàn)其主要特征，并依據(jù)國(guó)家智能制造能力成熟度模型，對(duì)智能工廠3.0的業(yè)務(wù)特征進(jìn)行預(yù)測(cè)性分析（見(jiàn)圖2），以指導(dǎo)其建設(shè)。

圖2 中國(guó)石化智能工廠業(yè)務(wù)能力特征

3 智能工廠3.0 建設(shè)內(nèi)容

3.1 智能工廠3.0 建設(shè)藍(lán)圖

石化智能工廠3.0建設(shè)藍(lán)圖[22]按照“數(shù)據(jù)＋平臺(tái)＋應(yīng)用”信息化建設(shè)新模式，聚焦研發(fā)設(shè)計(jì)、工程建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、經(jīng)營(yíng)管理、邊緣云平臺(tái)、智能裝備與技術(shù)6個(gè)方面、14個(gè)重點(diǎn)任務(wù)，推進(jìn)新一代信息技術(shù)與石化先進(jìn)成套技術(shù)深度融合（見(jiàn)圖3）。

3.2 石化智能工廠3.0 建設(shè)內(nèi)容

1）實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度協(xié)同優(yōu)化

生產(chǎn)計(jì)劃方面，智能工廠3.0階段要以經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)，基于以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)的智能運(yùn)營(yíng)優(yōu)化模式，通過(guò)區(qū)域協(xié)同、計(jì)劃優(yōu)化、調(diào)度優(yōu)化，打通市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)、計(jì)劃調(diào)度和庫(kù)存管理等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度的集成優(yōu)化，動(dòng)態(tài)響應(yīng)市場(chǎng)變化，測(cè)算生產(chǎn)效益，實(shí)現(xiàn)業(yè)財(cái)融合。

2）實(shí)現(xiàn)裝置智能協(xié)調(diào)控制

裝置控制方面，針對(duì)煉油化工過(guò)程控制，基于機(jī)理模型、大數(shù)據(jù)模型和混合模型，采用常規(guī)控制、先進(jìn)控制（APC）、實(shí)時(shí)優(yōu)化（RTO）、智能控制等技術(shù)，提升煉油化工、精細(xì)化工裝置的生產(chǎn)運(yùn)行管控水平，滿足企業(yè)安全生產(chǎn)、平穩(wěn)操作、優(yōu)化創(chuàng)效的生產(chǎn)需求，實(shí)現(xiàn)煉化企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的全流程智能協(xié)調(diào)控制。

3）實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)執(zhí)行的智能化、無(wú)人化

裝置操作方面，要利用機(jī)器人、機(jī)器視覺(jué)、物聯(lián)網(wǎng)、AR/VR等技術(shù)，從操作管理、調(diào)度管理、實(shí)驗(yàn)室管理、操作培訓(xùn)等方面，全面提升生產(chǎn)管控環(huán)節(jié)的無(wú)人化、智能化水平，滿足企業(yè)安全生產(chǎn)、穩(wěn)定操作、高效控制的要求，延長(zhǎng)企業(yè)檢修周期、提升產(chǎn)品品質(zhì)、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)操控業(yè)務(wù)的整體智能化管控。

4）實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)測(cè)性維護(hù)

設(shè)備管理方面，要建設(shè)貫穿設(shè)備資產(chǎn)運(yùn)行、檢維修、改造、報(bào)廢的生命周期管理體系，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估、故障診斷、預(yù)測(cè)性維護(hù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的“安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)”。

5）實(shí)現(xiàn)能源介質(zhì)的持續(xù)可靠及節(jié)能優(yōu)化

能源管理與公用工程方面，要開(kāi)展能源的供應(yīng)、生產(chǎn)、輸送、轉(zhuǎn)換、消耗全流程精細(xì)化管理和在線優(yōu)化，綜合統(tǒng)籌水、電、汽、風(fēng)等能源介質(zhì)使用，監(jiān)控和優(yōu)化各類節(jié)能設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)多介質(zhì)能源優(yōu)化與能源梯級(jí)利用，做到“能效最大化，能流可視化，在線可優(yōu)化”。

6）實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)源頭管控

生產(chǎn)安全管理方面，要結(jié)合HSE 管理體系，運(yùn)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G、人工智能等新一代信息技術(shù)，在危險(xiǎn)源辨識(shí)、危險(xiǎn)預(yù)測(cè)、危險(xiǎn)應(yīng)急處置等方面，通過(guò)信息化、智能化手段增強(qiáng)石化工業(yè)安全生產(chǎn)的感知、監(jiān)測(cè)、預(yù)警、處置和評(píng)估能力，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急的事前提前預(yù)防與事后快速處置。

7）實(shí)現(xiàn)環(huán)?！a(chǎn)協(xié)同優(yōu)化

環(huán)保管理方面，要建立環(huán)境排放智能監(jiān)測(cè)與管控體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置及儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的廢水、廢氣、固廢的從源頭、過(guò)程到末端的全過(guò)程管理、可視化監(jiān)控及智能分析和溯源，建立大數(shù)據(jù)分析模型，預(yù)測(cè)生產(chǎn)排放，自動(dòng)提供生產(chǎn)優(yōu)化方案并執(zhí)行。

8）實(shí)現(xiàn)物流環(huán)節(jié)無(wú)人化、智能化

倉(cāng)儲(chǔ)物流方面，要建立基于客戶需求驅(qū)動(dòng)的敏捷供應(yīng)鏈，增強(qiáng)供應(yīng)鏈物流環(huán)節(jié)的安全、穩(wěn)定、順暢，實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、搬運(yùn)等關(guān)鍵物流環(huán)節(jié)的智能化水平提升，實(shí)現(xiàn)物流的價(jià)值增值，促進(jìn)降本增效、供需順暢和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

9）實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同制造

產(chǎn)業(yè)鏈方面，要圍繞產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化，推動(dòng)上下游企業(yè)聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)，支撐園區(qū)型、基地型石化企業(yè)的資源優(yōu)化調(diào)配。推動(dòng)上下游企業(yè)聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)上下游企業(yè)大宗原料和產(chǎn)品信息的線上發(fā)布、自動(dòng)匹配和線下對(duì)接。

10）實(shí)現(xiàn)基于人工智能的智慧決策

經(jīng)營(yíng)管理方面，要基于神經(jīng)語(yǔ)言規(guī)劃、語(yǔ)音識(shí)別、數(shù)據(jù)智能等先進(jìn)人工智能技術(shù)，結(jié)合大監(jiān)督、風(fēng)險(xiǎn)管控、招投標(biāo)、客戶服務(wù)等領(lǐng)域積累的大量文本、語(yǔ)音等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，開(kāi)展數(shù)據(jù)挖掘和智能分析語(yǔ)音，實(shí)現(xiàn)價(jià)值引領(lǐng)、科學(xué)決策、風(fēng)險(xiǎn)管控、高效協(xié)同，驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)創(chuàng)新發(fā)展，提高企業(yè)治理水平和風(fēng)險(xiǎn)防范能力；提升用戶滿意度，降低人工成本，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，助力平臺(tái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

11）實(shí)現(xiàn)自主石化成套技術(shù)軟件化

研發(fā)設(shè)計(jì)方面，要以石化成套技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建核心數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)鍵技術(shù)模型，并對(duì)其進(jìn)行適配平臺(tái)應(yīng)用的軟件化封裝，形成資源高效利用、生產(chǎn)操控優(yōu)化、設(shè)備可靠運(yùn)行和安全環(huán)保低碳等4 類工業(yè)應(yīng)用，賦能工廠的智能化運(yùn)營(yíng)中，確保工業(yè)技術(shù)的高效使用及信息安全。

12）建立數(shù)字化交付新模式

工程建設(shè)方面，建立以工廠對(duì)象為核心的涵蓋工程設(shè)計(jì)、采購(gòu)施工、試車開(kāi)車等工程階段的信息組織模式，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫、快捷、低成本的數(shù)字化交付，為業(yè)主智能化工廠建設(shè)奠定基礎(chǔ)。從一次性結(jié)果交付向漸進(jìn)式交付模式轉(zhuǎn)變、以工程公司主導(dǎo)向智能工廠需求轉(zhuǎn)變、固定資產(chǎn)交付向“固定資產(chǎn)＋無(wú)形資產(chǎn)”交付拓展，建立交付數(shù)字化新模式，打造智能工廠的數(shù)據(jù)孿生底座。

13）構(gòu)建云邊端協(xié)同的邊緣云平臺(tái)

平臺(tái)支撐方面，要構(gòu)建基于邊緣云平臺(tái)，利用其低時(shí)延、自組織、可定義等特性，提升企業(yè)物聯(lián)感知、數(shù)據(jù)資源管控、工業(yè)應(yīng)用能力，并與總部中心云在應(yīng)用、服務(wù)和資源方面相互協(xié)同，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)數(shù)字化，資源管理智能化。

14）提升基礎(chǔ)設(shè)施智能化水平

基礎(chǔ)設(shè)施方面，要進(jìn)行智能儀表、特種作業(yè)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信的升級(jí)改造，打造數(shù)字化生產(chǎn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速采集、傳輸與設(shè)備遠(yuǎn)程控制。

4 結(jié)語(yǔ)

發(fā)展智能制造、建設(shè)智能工廠、構(gòu)建智能場(chǎng)景是石化工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要路徑，下一步將以下一代石化智能工廠的建設(shè)為依托，參考國(guó)家《智能制造典型場(chǎng)景參考指南》，結(jié)合5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際業(yè)務(wù)需求，聚焦石化行業(yè)智能場(chǎng)景的構(gòu)建，進(jìn)一步豐富智能場(chǎng)景的種類及數(shù)量，加快智能場(chǎng)景在石化企業(yè)的推廣與復(fù)制，有效促進(jìn)石化企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能化升級(jí)，助力石化產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。