流程工業卓越智能煉化建設的研究與實踐

吳 青

（中國海洋石油集團有限公司，北京100010）

經過幾十年的持續高速發展，中國煉油加工能力已穩居世界第二，其他如產業布局、加工原油適應性以及產品質量升級、加工工藝與技術、裝備與工程化等各個方面也取得了長足的進步［1］。在此期間，中國煉油行業綜合實力不斷增強，為國民經濟和社會發展做出了重要貢獻，也成為支撐世界經濟發展的重要力量與組成部分。但隨著經濟進入新常態，中國的煉油業也面臨著如何應對“資源、能源、環境與安全”的約束［2］，同時實現“資源高效化轉化、過程低碳綠色化”的重大挑戰。

中國煉油工業的信息化是隨著工業化的進程而逐漸發展起來的。工業化主要是通過技術進步實現大規模工業化生產，從而極大地創造財富。信息化則主要通過將先進的信息技術和其他技術通過集成、融合，從而大力提升、改造傳統產業，使企業達到“科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環境污染少、人力資源優勢得到充分發揮”等目標，即“資源高效化轉化、過程低碳綠色化”，最終實現跨越式發展。因此，煉油業面臨的“資源、能源、環境和安全”的約束，其根本原因是信息化發展滯后、信息化與工業化融合不深造成的［2］。

當今社會正處在一個由工業社會向信息社會過渡的加速轉型時期，加上互聯網時代、“德國工業4.0”，特別是“中國制造2025”等國家戰略的指引和推動，人類社會生產、生活方式開始大幅蛻變，傳統產業正發生革命性的變化。隨著工業化和信息化的深度融合、互聯網的廣泛使用，傳統制造業+互聯網+智能化不斷深化融合而形成的新一代智能制造［3］即“數字化、網絡化和智能化的制造”正闊步走來，流程工業煉化產業也因此而正在發生“生產模式、管控決策模式和營銷模式”的變革［4］。煉化企業從數字化起步并實施智能化轉型升級［2，5-6］，是提升煉化產業整體競爭力的核心技術與實現煉化產業“資源高效化轉化和過程低碳綠色化”的重要抓手，也是提質增效的有效途徑［7］。因此，煉化企業的智能工廠（即智能煉化）建設目前的發展方興未艾，其將使未來的煉化企業從根本上改頭換面，煉化智能化建設與智慧化發展有望重塑煉化產業的新未來。

1 智能煉化

最近幾年制造業的熱點和焦點是企業的數字化發展與轉型升級，即智能工廠建設問題。這不僅是國家的要求，更是企業為應對外部環境、競爭壓力而做出的正常應激反應。

流程工業的智能工廠建設與離散工業完全不同，為此本文采用“智能煉化”的說法。煉化企業生產過程由一系列不同的裝置、單元組成，其中原料（原油、中間物料）往往受到性質、加工工藝、反應機理、市場等復雜因素的影響，生產過程中各類參數需要隨時調整，但受限于復雜的因素條件難以做到實時或全面的監測與監控。其數字化、模型化以及管控與決策優化均較難，嚴重依賴富有經驗的知識型工程師。因此，流程工業煉化產業的智能工廠（即智能煉化建設）存在一定的特殊性。

通過對煉化產業特點的深入分析，并借鑒行業的相關研究成果與經驗［7-12］，筆者研究、實踐后認為：智能煉化是在數字煉化基礎上，以信息化為主導，將生產過程由自動化、數字化上升為知識化、最優化的過程［2，5-6］。 作為工廠信息化發展的新階段，智能煉化是在數字煉化的基礎上，利用物聯網技術、設備監控等技術加強信息管理和服務；清晰掌握產銷流程、提高生產過程可控性、減少生產流程各裝置、單元的人工干預；即時、正確采集裝置數據，合理編排并在線優化生產計劃與調度（進度），突出體現“高效化”。將綠色智能手段和智能系統等新技術集成，構建高效節能、綠色環保、環境舒適的人性化工廠，突出體現“低碳綠色化”。智能煉化已經具備了自主能力，可以完成采集、分析、判斷和規劃等工作。通過整體可視技術進行推理預測；利用仿真技術以及多媒體技術，將實境擴增展示設計與生產的過程。系統中各組成部分可以自行組成最佳系統結構，具備協調、重組、擴充的特性。系統也部分具備了自我學習、自行維護的能力。但是，本階段生產模式轉化期間所采用的信息化手段來改造或應用于生產模式時，還是更多地聚焦于分布式、網絡化、虛擬化的生產框架，生產系統的自治性、協同性還有待進一步提高。

2 卓越智能煉化建設的整體思路

智能煉化建設，首先應該明確建設的總體目標，企業將運用此技術達到什么樣的目的、取得怎樣的效益；接著規劃好頂層設計、實施的具體路線，因為智能工廠的建設涉及到諸多方面，規劃好步驟有利于穩步實踐；再次，需要制定好高效的建設策略，不同企業以及同一企業不同時期有不同的建設重點。最后，運用科學的實施方法論開展卓越實踐，確保項目實現預定目標。

中海石油煉化有限責任公司（簡稱“煉化公司”）采取了信息化規劃方法論和專題設計方法論相結合的方法，開展了中國海油煉化企業智能化發展與轉型升級的研究與實踐活動，圖1為流程工業智能煉化建設的方法論示意圖。

圖1 流程工業智能煉化建設的方法論示意圖

2.1 總體目標

總體目標可以簡述為“4-3-8-7-6”，即采用成熟的數字化、網絡化、智能化和集成化的“四化”技術，圍繞“工程建設、生產管控、產品營銷”（對應數字煉化建設中的“EMM”平臺［5，13］）三大方面、“八大”核心業務（即數字化交付、無缺陷開車、生產管控、設備運行、質量控制、能源供給、安全應急、產品營銷），采取工程項目信息化綜合系統、關鍵裝置優化控制、計劃調度操作一體化管控［8］、能源優化減排、安全風險分級管控、生產績效動態評估、產供銷存一體化系統等七大關鍵措施，著力提升企業工程項目數字資產集成能力、生產管控與產供銷存一體化的感知能力、預測能力、協同能力、分析優化能力及IT支撐能力等六種能力，為企業經營管理綜合效益和競爭力的提升提供了堅實的保障，最終助力企業實現高效、綠色、安全、最優的管理目標。

2.2 頂層設計

頂層設計可分為3個階段，如圖1所示。

第一階段為現狀調研與需求分析階段。通過解讀煉化公司“十三五”業務戰略，分析業務現狀和行業發展趨勢，結合行業最佳實踐的研究成果，分析得到煉化公司的業務需求；通過解讀煉化公司 “十三五”信息化規劃，分析煉化公司的信息化現狀，并結合新興技術的研究成果和煉化公司的業務需求，得到煉化公司信息化需求。同時開發了信息化智能化水平與能力及其升級的全局性信息化評估模型。

第二階段為藍圖設計階段。以信息化需求分析結果為依據，制定煉化公司信息化愿景目標，包括業務架構、應用架構、數據架構、技術架構和IT管控架構的設計。

第三階段是實施路線圖規劃階段。該階段基于信息化的愿景目標，在與先進系統進行差距分析的基礎上，進行項目框架設計，進而開展項目設計，并制定實施計劃。

2.3 專題設計

流程工業智能煉化建設中，需針對不同企業的現狀、能力水平和發展愿景的不同開展不同的專題設計。如煉化公司的專題設計就包括了“智慧煉化、產供銷存一體化平臺、數字化銷售、信息安全”等4個專題，從功能架構、技術架構、解決方案、系統實施及系統收益等方面細化設計。

2.4 實施策略

對于煉化企業這樣典型的流程工業，實事求是、科學的實施策略是分步實施法，即按照“數字化基礎，智能化核心和智慧化目標”的要求，首先建設并夯實數字煉化，經過“智能煉化”建設，最后實現“智慧煉化”［6］，達成新一代智能制造。

3 卓越智能煉化建設

對應企業信息化三層集成模型結構中的“PCS、MES 和 ERP”3 個層面［6］，結合智能煉化的定義，也可以將智能煉化簡要地理解為對應了這3個層面的智能化，即操作智能、運營智能和商業智能，這種對應關系也使煉化信息化體現了歷史繼承性和時代發展的創新性。這3個層面的卓越智能化實踐，構成了卓越智能煉化建設的核心。

綜合來說，通過智能煉化建設，面向煉化生產過程的控制系統將逐漸發展為智能、自主的控制系統，成為“QHSE監控與溯源”［6］的基礎。該系統能夠智能感知生產工況的變化并自適應決策控制回路的設定值，從而使得回路控制層的輸出對設定值的跟蹤及時、快捷，且對運營狀況和控制系統的性能能夠做到“可視化、遠程、移動式、自動”監測與監控，確保生產加工過程的安全、可靠、優化且綠色低碳化運營，與其他的智能自主控制系統相互協同，能夠實現全產業鏈協同優化。

而在企業的管控決策層面，也將逐步發展成為智能優化決策系統以及智能自主控制與智能優化決策一體化的先進系統，從而為資源敏捷優化和全產業鏈的協同優化［8］奠定堅實基礎。這2個系統除了具有上述智能自主的控制系統特點以外，由于它與智能決策系統實現了一體化成為一種新的先進系統，因此可以實現新一代的智能制造即智慧煉化目標：通過實時感知市場（原油、產品、能源等）信息、生產條件與實際運行工況等全局信息，按照“資源高效轉化、過程低碳綠色化”的總原則，對包括“規劃目標、計劃調度、生產運行、生產與控制指令”等在內的全部目標做系統優化。綜合應用“人、機”決策系統協同以及“可視化、遠程、移動”等手段監測、監控決策過程的動態變化，結合自學習和自動化決策，實現動態環境的精準、實時、優化的決策。

煉化公司綜合了上述要求后梳理出本階段的核心，即生產運營知識化、最優化和可追溯，具體實踐包括以下幾個方面。

1）智能生產管控。本建設的目標為基于生產系統優化模型，實現生產計劃、調度、操作的優化控制。智能生產管控旨在解決以下業務問題：①原油優選過程中沒有原油數據庫支持；②缺乏生產計劃執行情況數據的及時統計與分析，不能獲得每天的生產完成情況；③集團和各級管理部門缺乏對生產運營指標的全面了解和動態分析，影響生產過程決策；④缺乏物料平衡、能量平衡數據的自動采集，數據準確性與完整性差距大，影響日統計。

2）智能設備運維。本建設的目標為基于設備運行性能分析，實現預防性維護，延長設備生命周期。智能設備運維旨在解決以下業務問題：①缺乏對關鍵設備運行性能的分析，不能及時發現設備潛在故障，實施預防性維修，減少非正常停工時間；②設備備品備件的庫存不合理，部分產品備件庫存量大，備品備件庫存與采購急需優化，以降低成本；③生產控制中心操作人員需要對整個系統設備運行性能加以分析，該項工作得不到支持，影響生產指揮決策；④關鍵設備（例如大型機組）需要專家支持，但專家資源短缺。

3）智能物流。建設的目標為通過物流優化，實現油品庫存優化，降低物流成本，提高物流效率。

4）智能加油站。建設目標為基于生產系統優化模型，實現生產計劃、調度、操作的優化。智能加油站旨在解決以下業務問題：①由于地理與客流等原因，原油單站銷售量小，需要增加客流導入措施；②與車主交互方式單調，不能有效將營銷信息推送給有潛在市場價值的客戶；③客戶支付渠道單一 （如加油卡、現金、銀行卡等），缺乏互聯網渠道，對年輕群體吸引力不足；④缺乏非油品銷售與促銷手段，非油品銷售占比小，影響加油站銷售收入；⑤現金管理方式落后，管理成本高。

5）智能銷售。建設的目標為應用互聯網銷售，實現銷售模式創新，改善客戶體驗。智能銷售旨在解決以下業務問題：①互聯網銷售在各業務領域應用，使海油更多的B2B客戶需求B2C化油品批發利潤空間降低，需要直擊客戶，減少中間環節；②客戶要求更精細的服務，包括對物流的動態監控，需要實現配送計劃執行可視化。用戶需求隨市場變化波動大，需要實現用戶需求的預測，并指導生產與銷售計劃；③實現客戶價值管理，提供個性化服務，提升高價值客戶的忠誠度。

中海石油煉化公司下屬的惠州石化通過對其已有的信息系統數據進行規劃、整合，消除 “信息孤島”，在一體化數據中心的基礎上建立了統一的生產全流程協同信息管控平臺，信息整合、平臺結構示意圖分別見圖2、圖3。

圖2 惠州石化生產全流程協同信息整合示意圖

在該平臺上，實現了惠州石化生產管控系統5大主題25類161個功能模塊效用。例如，操作規程子模塊，按照公司“六有”工作法，建立操作規程管理模塊，對3 306項操作規程執行信息化管控，現場工作嚴格執行銷項作業，通過信息系統固化銷項操作理念和流程，使其高效規范運行。銷項作業理念［14］是指“風險評估、有效隔離、消項作業、清場恢復”，銷項作業主要包含標準作業庫、作業申請、作業確認、作業銷項、作業關閉等功能，其中數字化標準作業庫、通過網絡實時傳輸數據、內外協同審核確認等功能在中國處于先進水平。圖4是銷項作業功能業務流程圖。圖5是通過SAP與ERP實現集成的設備管理主題。

在具體實施、實踐過程中，必須根據本階段的實際建設目標、建設重點和應用需要，采取“管理者的決心、榜樣與要求；戰略規劃與頂層設計；技術選擇與試點示范；智能化評估模型和所需的能力；數據分析和互聯方面的領先者以及穩步實施智能化轉型升級”等六大方面［2］的要求，實現卓越智能煉化建設，進而實現“資源高效轉化、過程低碳綠色化”，邁向智慧煉化，從而達到新一代的智能制造。

圖3 惠州石化生產全流程協同信息平臺結構示意圖

圖4 惠州石化銷項作業功能業務流程圖

圖5 惠州石化通過SAP與ERP實現集成的設備管理主題

4 小結

應對煉化企業面臨的“資源、能源、環境與安全約束”挑戰、達到“資源高效化轉化、過程低碳綠色化”目標和新一代智能制造的重要手段和措施，是實施煉化企業的智能化發展與轉型升級，即卓越智能煉化建設。

實施卓越智能煉化建設，應明確建設總體目標；規劃好頂層設計和實施的具體路線；制定好高效的建設策略，不同企業以及同一企業不同時期采取不同的建設重點；運用科學的實施方法論，從數字煉化起步、瞄準智慧煉化目標并以智能煉化為核心的“三步曲”方式分步實施、開展卓越實踐，確保項目實現預定目標。