淺析化工智能工廠的建設

張宗飛，湯連英

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

淺析化工智能工廠的建設

張宗飛，湯連英

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

針對化工行業(yè)生產裝置設備及管線分布復雜、工序連續(xù)性強等特點，提出了基于信息物理系統(tǒng)(CPS)的智能工廠體系結構，結合智能工廠建設現狀，對化工智能工廠的建設模式和關鍵技術進行了探討。

智能工廠；信息物理系統(tǒng)；建設模式；關鍵技術

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.002

在最近的幾十年間，工業(yè)技術得到了高速發(fā)展，市場競爭日益激烈，以前單純依靠企業(yè)規(guī)模和企業(yè)資產的優(yōu)勢已不能滿足企業(yè)持續(xù)發(fā)展的要求，而社會的共識是：智能化水平的高低決定了企業(yè)實力的強弱。近年來，物聯網、大數據、云計算等新型信息技術的涌現和跨越式發(fā)展，推動了工業(yè)企業(yè)向智能化方向轉型升級，世界上大部分發(fā)達國家和部分發(fā)展中國家(以中國為代表)紛紛推出了提高國家制造競爭力的戰(zhàn)略計劃，如“德國工業(yè)4.0”、“美國工業(yè)互聯網”、“中國制造2025”等。

受經濟危機余波的影響，我國經濟形勢仍然嚴峻。2015年全年GDP實際增速為6.9%，六年來首度“破7”，2016年全年GDP實際增速更是下滑到了6.7%?；ば袠I(yè)作為國家工業(yè)經濟體系的重要支柱之一，必然成為“供給側改革”的重點。根據《中國制造2025》的要求，化工行業(yè)也應試點建設和使用智能工廠，盡快完成企業(yè)的轉型升級。

立足于 “供給側改革”的浪潮，結合化工行業(yè)自身發(fā)展特點以及順應世界范圍內的發(fā)展趨勢，智能工廠作為工業(yè)智能化發(fā)展的一種重要實踐模式勢在必行，其發(fā)展也關系到化工行業(yè)能否擺脫寒冬，迎來新機。

1 化工智能工廠的體系結構

目前，關于智能工廠暫無統(tǒng)一的標準和定義[1]。作為流程制造業(yè)的化工行業(yè)，由于裝置之間相互關聯，如某個裝置出現問題，很可能會對相關聯的其他裝置產生影響。為及時處理這種影響，通過建設化工智能工廠，運用其智能感知生產條件變化，通過自助決策系統(tǒng)發(fā)出控制指令，實現自動控制設備，以使故障得以排除，最終實現生產的安全優(yōu)化運行。為了達到上述效果，如何從理念和概念設計層面轉向具體的方法實施層面，并且實現切實應用十分重要。通過建立信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical System，CPS)(見圖1)，可為化工智能工廠的實現提供解決方案[2]。

圖1 基于CPS的化工智能工廠體系結構

1.1 智能連接層

此層為基礎層，通過智能傳感器建立一個相互連接、無紙化的數據管理環(huán)境，實時采集工廠生產運行和經營過程中的各種數據，包括物料狀態(tài)(從原料進廠到產品出廠整個過程的全方位管理及跟蹤)、工藝參數(溫度、壓力、物料組成及配比、關鍵設備的操作參數、公用工程用量消耗等)、設備狀態(tài)(設備使用年限、健康狀態(tài)、劣化趨勢以及維護記錄等)等，并能利用在線質量檢測系統(tǒng)完成對產品質量及成分實時、在線和連續(xù)地分析；利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)掌握化工廠生產現場情況等。

1.2 數據到信息轉化層

此層為轉化層，將獲取的數據轉化為有效信息。以設備故障管理為例，從海量的相關數據中提取故障征兆數據，采用預測與相關管理算法進行計算，從而生成該設備將要或已經發(fā)生故障的相關信息，使得設備元件(泵、精餾塔等)具備“自我感知”能力，能分析預測自身狀態(tài)，給出結果；使得系統(tǒng)能夠分析、記錄化工廠系統(tǒng)的健康數據，像管理人體健康一樣，對工廠整體進行健康管理。

1.3 網絡層

此層為交互層，基于大數據平臺的信息集成與處理?；S所有壓縮機、泵、容器、管道、換熱器等設備以及各種物料的信息在此匯總、共享以及相互比較?；贑PS強大的運算能力，通過實時處理海量數據，保證了信息價值。信息通信不再只發(fā)生在單一設備與服務器之間，不同設備之間也可進行協同通信。以泵設備單元為例，任何一臺泵可以與工廠中的其他類似泵或是相關泵進行性能比較，從而預測即將出現的各種狀況。另一方面，大數據平臺通過儲存工廠的歷史數據，可以將任何一臺泵當前的運行狀態(tài)數據實時與其歷史數據進行相似度計算，從而預測該泵可能出現的故障。

1.4 認識層

此層為實現層，生成一個基于全廠的“知識庫”，根據不同用戶的需求，該知識庫通過推理將不同設備信息進行關聯、組織并呈現給專家用戶，借助專家的力量，科學高效地輔助其作決策。此外，認識層可以采用信息圖像APP應用將工廠運營信息與易操作移動設備終端(例如智能手機)整合在一起，專家用戶可以方便快捷地了解工廠實時運營狀態(tài)，給出建議。

1.5 配置層

此層控制調節(jié)層，智能化工廠的管理者將所做的矯正或預防決策反饋回實際工廠中，通過彈性控制系統(tǒng)(Resilient Control System，RSC)進行執(zhí)行，在化工廠整體的自我配置中，實現相關設備的自我調整、自我維護。

2 智能工廠建設現狀

智能工廠的建設在國際和國內都是一項全新的實踐活動。對于化工行業(yè)而言，自2013年開始，中國石化以九江石化、燕山石化、鎮(zhèn)海石化、茂名石化4家企業(yè)作為試點，推廣智能工廠，通過對原有裝置的改進升級，利用大數據、云計算、物聯網等技術，完成了員工工廠的管理以及控制系統(tǒng)的集成和提升，大大提高了工廠內資源利用效率和安全生產水平[3]。

目前，4家試點企業(yè)的先進控制(APC)投用率提高了10%左右，生產數據自動數采率提升10%～20%，均在90%以上；外排污染源自動監(jiān)控率達到100%；生產過程優(yōu)化由局部優(yōu)化、離線優(yōu)化逐步提升為一體化優(yōu)化和在線優(yōu)化。企業(yè)生產組織模式也發(fā)生了重大變化，如九江石化員工總數減少12%，班組數量減少13%，外操室數量更是削減了35%，大大節(jié)約了人力成本。

3 化工智能工廠建設模式

雖然已有以中石化為代表的部分企業(yè)建成了智能工廠應用框架，信息化水平初具規(guī)模，并取得了較好效果，但距智能工廠建設的目標還有一段距離，特別是在預測、分析優(yōu)化方面還有待進一步加強[4]。

從行業(yè)發(fā)展現狀和智能工廠建設目標來看，現階段應大力發(fā)展以下關鍵技術。

3.1 數字化工程設計

隨著智能工廠的應用和發(fā)展，業(yè)主對數字化的要求越來越高，以電子文件或文檔、工程數據、三維模型為主的數字化工程設計移交，已成為化工工程設計領域的一項新興業(yè)務和發(fā)展方向，且已經得到全面實施[5]?？衫肧mart-Plant 3D、PDS、PDMS等三維設計軟件建立起一個實時與項目信息數據一致的虛擬項目模型，為最終實現全生命周期數字化管理創(chuàng)造了有利條件，其最終交付的數字化成功應用于智能工廠的運行與管理。

3.2 在線分析技術

采用如核磁共振分析、微波、近紅外光譜分析技術，可以大大提高測量分析儀表的分辨率和靈敏度，同時也可以將分析周期縮短到十至幾十分之一[6]。

3.3 智能儀表和現場總線技術

在智能工廠中，儀器和儀表不僅僅是測量工具，更是工廠信息的源頭。利用具有微型化、高精度、低功耗、智能化、集成化的傳感器，將全廠的信息進行完全收集，同時通過全數字式的現場總線控制系統(tǒng)(FCS)，將現場進行危險分散、控制分散、信息集中和監(jiān)控集中。

我們可以想象未來化工智能工廠的場景：槽罐、換熱器、塔器、反應器、風機、壓縮機、泵等通過實時通信網絡來相互連接，它們不僅執(zhí)行其本身的生產功能，同時為其他設備提供反饋或預測信息，并提供參考數據；在生產現場，每隔幾秒就收集一次數據，系統(tǒng)自動利用這些數據進行多種形式的分析，并直觀呈現給管理者，管理者通過電腦、智能手機或其他終端遠程掌握工廠實時信息并進行決策，工廠根據管理者指令進行自我配置與調整。通過人與機器的相互協調合作，實現科學化、精細化、智能化的管理。

3.4 工藝優(yōu)化方面

通過智能工廠分析系統(tǒng)，對整個工廠的生產流程進行分析和控制。一旦有某個流程和指標偏離了規(guī)定的標準工藝設定范圍，就給出報警信號，這樣可以幫助操作人員以及管理人員更快地發(fā)現錯誤或者問題，確保在最短的時間內進行糾偏，生產出高品質產品。

3.5 能耗分析方面

通過對全廠的生產流程和運行狀態(tài)進行分析，找出能耗異?；蜉^高的工況，在此基礎上對能耗進行優(yōu)化，使得全流程的能耗大大降低。

3.6 設備管理方面

系統(tǒng)可掌握所有生產設備的健康狀況，提前預知將要發(fā)生故障的時間和位置，提高維修的準確性，以避免事故發(fā)生[7]。

3.7 工廠安防方面

通過自動識別煙霧、火光、人車流等特殊信息流，隨時開啟預警預報相關功能；當廠區(qū)發(fā)生重大環(huán)境污染或化工原料泄漏時，可迅速定位，并能從預案數據庫中選擇相對合理的解決方案供管理者選擇和決策。

3.8 環(huán)保監(jiān)測方面

政府或相關監(jiān)管部門通過實時監(jiān)測工廠的排污數據，利用遠程控制技術，對排污口進行開啟和關閉動作，以防止突發(fā)性的環(huán)境污染事故發(fā)生。

3.9 經營管理方面

對企業(yè)的運行風險進行一定程度的預判，可預測市場原料供應，解決“供需錯位”、“供需錯配”等問題，使市場供需對接通道暢通，促進“供給側”與“需求側”高效耦合和精準對接，使經濟效益最大化[8]。

4 結語

綜上所述，化工企業(yè)正朝著大型化、一體化、智能化和清潔化的方向發(fā)展，智能工廠是實現這些目標的必要手段之一。智能工廠建設貫穿工廠的設計、施工、生產運行、經營管理全過程，是一項非常復雜和艱巨的任務。化工智能工廠的建設并不是一蹴而就，其需要一個過程，應以信息物理系統(tǒng)為核心進行整體籌劃，在項目實施過程中分步實施，并應用先進的信息技術，最終實現智能工廠。

[1]覃偉中，馮王仲，等.面向智能工廠的煉化企業(yè)生產運營信息化集成模式研究[J].清華大學學報(自然科學版)，2015，5(4)：373-377.[2]Jay Lee.Smart Factory System[J].Informatic Spektrum，2015，38(3)：230-235.

[3]李德芳，索寒生.加快智能工廠進程，促進生態(tài)文明建設[J].化工學報，2014，65(2)：374-380.

[4]楊春立.我國智能工廠發(fā)展趨勢分析 [J].中國工業(yè)評論，2016(1)：56-63.

[5]田文濤，鄭勇，等.三維數字化移交技術在化工工程設計中的應用 [J].化工設計，2015，25(2)：23-26.

[6]張志檀.世界石油化工智能化生產技術的發(fā)展與展望 [J].當代石油石化，2005，13(12)：7-10.

[7]韓廣新.大數據技術助力煉化企業(yè)智能工廠建設 [J].設備管理與維修，2015(12)：10-12.

[8]王晶.淺析石油化工企業(yè)智能工廠建設的基本思路[J].中國科技信息，2013(14)：118-119.

修改稿日期：2017-06-27

Analysis on the Construction of “Smart Chemical Factory”

ZHANG Zong-fei，TANG Lian-ying

(Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223，China)

In the chemical industry，production facilities，equipment and pipelines are often complicatedly distributed；the chemical processes are often of strong continuity.Considering such characteristics，this essay proposes a concept of “smart chemical factory” which is based on Cyber Physical Systems (CPS).By referring to the current situation of “smart factory”，the essay discusses the construction model and crucial technologies for smart chemical factory.

smart factory；Cyber Physical Systems；construction model；crucial technology

張宗飛(1983年—)，男，湖北洪湖人，2006年畢業(yè)于南京工業(yè)大學化學工程與工藝專業(yè)，碩士，高級工程師，現主要從事化工工程項目的技術管理和工程設計等工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.002

F426.72

B

1004-8901(2017)04-0004-03