“大數(shù)據(jù)”智能煉油廠之路

王少勇，王倍春

(1. 中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086；2. 中海殼牌石油化工有限公司，廣東 惠州 516086)

工業(yè)4.0概念自2013年4月在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上由德國(guó)政府首次正式提出后，便確立了其作為影響人類發(fā)展的第四次工業(yè)革命的重要地位，在世界范圍內(nèi)引起強(qiáng)烈反應(yīng)。中國(guó)也于2016年相應(yīng)地提出了“中國(guó)制造2025”強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略[1]，作為國(guó)家經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的煉化企業(yè)自然身?yè)?dān)重任，尤其是千萬(wàn)噸級(jí)以上的現(xiàn)代化煉化企業(yè)更有能力、也更需要擔(dān)當(dāng)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的先鋒。

1 現(xiàn)代化煉油廠的自動(dòng)化水平

截至2017年底，國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)的千萬(wàn)噸級(jí)煉化企業(yè)近30家，同時(shí)新增或在建的有10個(gè)千萬(wàn)噸級(jí)煉化項(xiàng)目，煉化企業(yè)大型化、現(xiàn)代化是國(guó)內(nèi)煉化行業(yè)的主流和生力軍，同時(shí)也是國(guó)際石化企業(yè)的典型代表。千萬(wàn)噸級(jí)現(xiàn)代化煉油廠在過(guò)程控制層均采用了先進(jìn)的分散控制系統(tǒng)DCS(distributed control system)、安全儀表系統(tǒng)SIS(safety instrumented system)、包設(shè)備控制系統(tǒng)PECS(packaged equipment control system)等，通過(guò)OPC與生產(chǎn)管理系統(tǒng)MES(manufacturing execution system)數(shù)據(jù)聯(lián)通[2-3]，并結(jié)合生產(chǎn)信息平臺(tái)LIMS(laboratory information management system)實(shí)現(xiàn)和強(qiáng)化生產(chǎn)管理[4]，同時(shí)通過(guò)企業(yè)資源規(guī)劃ERP(enterprise resource planning)將采辦、維修、計(jì)劃、財(cái)務(wù)、人力、銷售等全流程驅(qū)動(dòng)，基本的自動(dòng)化系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

現(xiàn)代化煉油廠控制系統(tǒng)配置的先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)扎實(shí)，但從生產(chǎn)效益和效率來(lái)看，目前的發(fā)展明顯遇到了瓶頸或者說(shuō)尚未趕上工業(yè)4.0的技術(shù)潮流。現(xiàn)代化煉油廠從自動(dòng)化、數(shù)字化煉油廠轉(zhuǎn)型升級(jí)為信息化、智能化煉油廠，是煉油廠升級(jí)發(fā)展的必由之路。

圖1 自動(dòng)化系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)示意

2 智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)

基于過(guò)程控制系統(tǒng)PCS(process control system)，MES，ERP自動(dòng)化集成系統(tǒng)的煉油廠，不僅過(guò)程數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)龐大，而且日臻成熟的ERP貫穿于原料及設(shè)備采購(gòu)、生產(chǎn)維護(hù)、生產(chǎn)計(jì)劃、產(chǎn)品銷售等煉油廠運(yùn)行的全過(guò)程。因此，充分挖掘提煉現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源并通過(guò)ERP管理平臺(tái)進(jìn)行信息化處理和驅(qū)動(dòng)，是現(xiàn)代化煉油廠智能化升級(jí)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。

2.1 大數(shù)據(jù)信息化

大數(shù)據(jù)信息化是智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵，智能工廠是工業(yè)4.0的工廠體現(xiàn)，具有數(shù)據(jù)透明化、信息處理智能化、發(fā)展協(xié)調(diào)一致化的特點(diǎn)，具體到智能煉油廠還體現(xiàn)在控制實(shí)時(shí)化、信息一體化、效益最大化等方面。ERP的廣泛應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了煉油廠經(jīng)營(yíng)管理的數(shù)字化，但煉油廠運(yùn)行過(guò)程的各個(gè)層面和階段尚缺乏時(shí)效性與一致性，不僅存在生產(chǎn)控制與煉油廠管理脫節(jié)的弊端，而且高層決策無(wú)法得到實(shí)時(shí)響應(yīng)。以某公司為例，過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有20多萬(wàn)點(diǎn)，每天的各種生產(chǎn)管理報(bào)警信息也有千余條，如何及時(shí)高效地提取并響應(yīng)這些信息，同時(shí)做出生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)決策是轉(zhuǎn)型升級(jí)的第一步。

煉油廠的海量數(shù)據(jù)(以下簡(jiǎn)稱大數(shù)據(jù))只是數(shù)據(jù)信息量巨大，且為煉油廠智能化轉(zhuǎn)型的前提與基礎(chǔ)，與作為工業(yè)4.0核心技術(shù)的大數(shù)據(jù)不同。智能儀表與先進(jìn)控制系統(tǒng)的不斷更新、應(yīng)用，現(xiàn)代化煉油廠的大數(shù)據(jù)越來(lái)越龐大，在確保生產(chǎn)安全的前提下，通過(guò)預(yù)測(cè)管理、報(bào)警管理等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的處理、分類、分級(jí)、驅(qū)動(dòng)，將大數(shù)據(jù)充分地進(jìn)行信息化轉(zhuǎn)化與應(yīng)用，進(jìn)而使煉油廠的自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)升級(jí)為智能化集成控制系統(tǒng)。

2.2 以ERP驅(qū)動(dòng)為引擎建設(shè)智能化集成系統(tǒng)

PCS的過(guò)程大數(shù)據(jù)，一方面經(jīng)過(guò)OPC服務(wù)器轉(zhuǎn)化為MES可以接受處理的數(shù)據(jù)，進(jìn)而可通過(guò)ERP調(diào)整生產(chǎn)過(guò)程或計(jì)劃；另一方面設(shè)備相關(guān)的過(guò)程大數(shù)據(jù)可以直接通過(guò)ERP驅(qū)動(dòng)設(shè)備維修及設(shè)備采購(gòu)。MES作為生產(chǎn)執(zhí)行層的信息化管理平臺(tái)和數(shù)據(jù)處理中心，不僅是優(yōu)化生產(chǎn)、提高效率及效益的核心，也是新增智能化管控系統(tǒng)或智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的切入點(diǎn)。MES大數(shù)據(jù)信息化建設(shè)是智能化集成控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，本文以該公司為例，具體闡述大數(shù)據(jù)信息化的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，包括以ERP驅(qū)動(dòng)為引擎的智能化集成控制系統(tǒng)建設(shè)情況。

2.3 智能化升級(jí)案例

該公司于2014年開始實(shí)施智能化升級(jí)工程，主要從豐富提煉實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、優(yōu)化驅(qū)動(dòng)管理數(shù)據(jù)著手，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化到信息化的轉(zhuǎn)變。

2.3.1豐富提煉實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是煉油廠控制的基礎(chǔ)，DCS與SIS等過(guò)程控制系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)基本為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)獨(dú)立數(shù)據(jù)，智能化儀表設(shè)備所包含的儀表設(shè)備參數(shù)及診斷信息等大量對(duì)生產(chǎn)維護(hù)非常有用的數(shù)據(jù)并沒(méi)有被采集和利用。該公司現(xiàn)場(chǎng)均采用支持HART或FF的智能儀表，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量以百萬(wàn)計(jì)。該次智能化升級(jí)主要從以下幾個(gè)方面豐富提煉過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息化。

1) 安裝投用儀表設(shè)備診斷軟件。以控制閥為例，作為控制執(zhí)行器的控制閥在煉油廠生產(chǎn)過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用，一旦誤動(dòng)作將造成不可估量的損失。自安裝ValveLink控制診斷軟件后，不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制閥的運(yùn)行情況及存在隱患，而且還可以及時(shí)給出維護(hù)、維修建議，做到防患于未然。ValveLink診斷示意如圖2所示。

圖2 ValveLink診斷示意

2) 無(wú)線專家診斷系統(tǒng)。關(guān)鍵機(jī)泵的良好運(yùn)轉(zhuǎn)是平穩(wěn)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)RDAS(rotating equipment data acquisition system)雖然可以監(jiān)測(cè)分析機(jī)泵的運(yùn)行狀況，但缺乏時(shí)效性，基本是事后分析。該公司煉油三部以SKF機(jī)泵專家診斷系統(tǒng)為平臺(tái)，通過(guò)無(wú)線HART將現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵機(jī)泵的振動(dòng)、溫度等數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)采集到專家診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)關(guān)鍵機(jī)泵的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、高效診斷、維護(hù)指導(dǎo)等智能化管理。

3) 無(wú)線PAD巡檢實(shí)時(shí)反饋。開發(fā)投用了無(wú)線PAD手持巡檢儀，生產(chǎn)操作人員及維護(hù)人員定時(shí)巡檢，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的故障、隱患可及時(shí)記錄在無(wú)線PAD中，并將巡檢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到LIMS或E化平臺(tái)，供相關(guān)人員進(jìn)行生產(chǎn)管理或做出決策。

4) 優(yōu)化設(shè)備管理系統(tǒng)AMS(asset management system)，強(qiáng)化預(yù)測(cè)管理。AMS是設(shè)備預(yù)防性及計(jì)劃性維修維護(hù)的重要管理工具，該公司一期為基于HART的AMS，二期為基于FF的故障診斷系統(tǒng)PRM，均為功能豐富的智能儀表設(shè)備監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)。在優(yōu)化診斷系統(tǒng)配置與功能的基礎(chǔ)上，實(shí)施故障診斷的ERP驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而提高了預(yù)防性維修和計(jì)劃性維修的效率，不僅收效明顯，而且提升了智能的預(yù)測(cè)管理。

2.3.2優(yōu)化驅(qū)動(dòng)管理數(shù)據(jù)

該公司在投產(chǎn)初期就開始以LIMS和E化平臺(tái)為核心進(jìn)行生產(chǎn)管理，生產(chǎn)操作、維護(hù)維修，基本實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、無(wú)紙化，然而生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)涉及的范圍偏窄且流動(dòng)性不強(qiáng)。2014年以來(lái)，從以下幾個(gè)方面提升了管理數(shù)據(jù)的廣度，增強(qiáng)了流程驅(qū)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)化到信息化的轉(zhuǎn)變。

1) 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警響應(yīng)管理，涉及以下幾方面的內(nèi)容：

a) 按系統(tǒng)報(bào)警、過(guò)程報(bào)警對(duì)報(bào)警進(jìn)行分類和分級(jí)管理。開發(fā)了應(yīng)用于DCS，SIS等的PCS現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)警跟蹤軟件，及時(shí)跟蹤并統(tǒng)計(jì)全廠的報(bào)警信息，提醒相關(guān)部門或操作人員處理，同時(shí)定期對(duì)過(guò)程報(bào)警集中清理檢查，逐步把報(bào)警信息數(shù)量降到最低，為報(bào)警的及時(shí)處理創(chuàng)造了條件。對(duì)于系統(tǒng)報(bào)警，主要通過(guò)控制系統(tǒng)維護(hù)人員一天兩次的巡檢以及順序事件記錄SOE(sequence of event)輔助分析等手段監(jiān)測(cè)。

b) 報(bào)警響應(yīng)及異常自動(dòng)驅(qū)動(dòng)。關(guān)鍵的生產(chǎn)指標(biāo)、環(huán)保指標(biāo)、大機(jī)組等重要過(guò)程數(shù)據(jù)均設(shè)置了過(guò)程報(bào)警，并按照重要性設(shè)置為部門級(jí)、公司級(jí)報(bào)警，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)MES實(shí)時(shí)傳送到OA辦公系統(tǒng)，一旦報(bào)警可自動(dòng)發(fā)送郵件到相關(guān)部門負(fù)責(zé)人并提醒處理，如果報(bào)警發(fā)生2 h內(nèi)沒(méi)有消除，將自動(dòng)發(fā)郵件到公司級(jí)相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)督促處理。

2) 資產(chǎn)管理關(guān)聯(lián)庫(kù)存動(dòng)態(tài)。設(shè)備物資的采購(gòu)、入庫(kù)、使用、維修、報(bào)廢全流程均通過(guò)ERP驅(qū)動(dòng)管理，例如生產(chǎn)操作人員反映1臺(tái)壓力儀表顯示不正確，儀表維護(hù)人員確認(rèn)該儀表故障無(wú)法使用，即可通過(guò)ERP生成儀表故障更換通知單，相關(guān)工程師收到郵件通知單后轉(zhuǎn)化為ERP工單，工單審核下達(dá)后維護(hù)人員領(lǐng)用庫(kù)存?zhèn)浼鼡Q，儀表故障消除，同時(shí)庫(kù)存?zhèn)溆脡毫x表數(shù)量減少。庫(kù)存?zhèn)淦穫浼鶕?jù)訂購(gòu)周期由ERP系統(tǒng)自動(dòng)生成新的采購(gòu)訂單并通知相關(guān)部門采購(gòu)，實(shí)現(xiàn)了采購(gòu)、使用、最優(yōu)庫(kù)存的良性循環(huán)。

3) 原料評(píng)價(jià)、市場(chǎng)評(píng)價(jià)納入企業(yè)決策。應(yīng)用原油評(píng)價(jià)及市場(chǎng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，根據(jù)采購(gòu)原油的情況調(diào)整進(jìn)料加工比例及各裝置產(chǎn)能；依據(jù)成品油及化工產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)，分析、評(píng)估產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，進(jìn)而及時(shí)調(diào)整全廠生產(chǎn)加工的工藝路線。

至2017年底，該公司已基本建成了基于ERP驅(qū)動(dòng)的智能化集成控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 智能化集成控制系統(tǒng)示意

3 效益與發(fā)展

2017年以來(lái)，該公司生產(chǎn)平穩(wěn)率達(dá)到99.9%，產(chǎn)品合格率為100%，以ERP驅(qū)動(dòng)為引擎的信息化管理將生產(chǎn)效率提高了20%，噸油能耗降低了17%，使該公司生產(chǎn)效率和生產(chǎn)效益提升明顯。

進(jìn)入2018年，該公司繼續(xù)優(yōu)化推廣報(bào)警驅(qū)動(dòng)、專家診斷、預(yù)測(cè)管理等先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)及措施，并計(jì)劃開發(fā)PLM以及異常事件實(shí)時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)等智能化信息系統(tǒng)，進(jìn)一步向智能化煉油廠邁進(jìn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

煉油廠生產(chǎn)運(yùn)行的前提是安全，核心是控制；煉油廠升級(jí)發(fā)展的基礎(chǔ)是詳實(shí)的過(guò)程數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)，升級(jí)發(fā)展的標(biāo)志是控制的升級(jí)： 過(guò)程自動(dòng)化控制—信息化控制—智能化控制。該公司以大數(shù)據(jù)信息化為切入點(diǎn)的煉油廠智能化升級(jí)實(shí)踐，為工業(yè)4.0和智能化工廠建設(shè)提供了有益的嘗試。