石油化工企業數字化工廠建設及其應用探索

劉明晶 鄭興周 毛麗娟 楊勃

摘 ?要：隨著油田智能化需求的不斷提高，網絡化、數字化、智能化已成為時代大潮，油田數字化、智能化將會改變我們的生產操作方式，油田生產設施的數字化和智能化是未來的發展趨勢。數字化工廠是實現油田生產設施數字化和智能化的重要途徑，數字化工廠在油田的深入應用，能夠評估油氣生產工藝的合理性，統籌規劃建造資源和生產計劃，基于虛擬模型仿真和驗證物理生產系統中各組成部分的數據交互及運行情況，對生產過程進行精準實時控制，從而優化生產工藝過程，降低生產成本。

關鍵詞：數字孿生 ?模型仿真 ?數字化 ?智能化

中圖分類號：F270.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）04（b）-0094-04

Construction and Application Exploration of Digital Factory in Oil and Chemical Industry

LIU Mingjing1 ?ZHENG Xingzhou2 ?MAO Lijuan2 ?YANG Bo2

（1.Tianjin BIKE Petroleum Equipment&Engineering Co.， Ltd.， Tianjin， 300452 China; 2.Offshore Oil Engineering Co.， Ltd.， Tianjin， 300452 ?China）

Abstract： With the continuous increasing requirement of the oilfield intellectualized， networking， digitalization and intellectualization have become the trend of era development. The way we operated in production will be changed by digitalization and intellectualization of the oilfield. The digitalization and intellectualization for the production facilities of oilfield will be the main developing direction in the future. Digital factory is an important approach to achieve the digitalization and intellectualization for the production facilities of oilfield. The thorough application of digital factory in oilfield can evaluate the rationality of oil and gas production process， and make overall arrangements of the construction resources and production plan. It also can provide an accurate real-time control of the production process， on the basis of the simulation of the virtual model as well as the verification result of the data interaction and operation of each component in the production system， so as to optimize the production process and reduce production costs.

Key Words： Digital twin; Model simulation; Digitalization; Intellectualization

隨著大數據時代的到來，數字化工廠作為智能制造的數據基礎。目前，世界知名石油化工企業已經開始著手于數字化交付與三維應用技術的建設，并取得了顯著的成效。埃克森美孚托倫斯市（洛杉磯）煉油廠，運用三維數字化技術，創建智能化三維實體模型，通過與工廠現有的可靠性管理系統、工藝和儀表流程系統、設備資產維護系統數據連接和集成，構建了三維數字化智能模型，主要應用在資產改造方面，改造流程得到了很大程度的改善和優化，并節省了至少10%的固定資產投入，大幅度加速工程改造時間周期，避免了返工;BP公司Whiting煉油廠，運用三維數字化技術，將裝置的PDS模型轉化為智能模型，主要應用在員工培訓，設備檢、維修等方面，顯著提高了工作效率，縮短了企業從事故中恢復的時間，極大降低了成本，其19套裝置單元3年節省成本達1000萬美元;Shell加拿大 Alberta 煉油廠（15 萬桶/天的原油煉制能力），采用三維數字化技術，通過三維實體模型與用戶現有的檢測、腐蝕管理數據庫等相關系統進行集成， 創建了腐蝕和厚度檢測等業務管理功能，在檢、維修方面，優化腐蝕檢測工作流程，平均每天可節約1～2h的工作時間，計劃外工作顯著減少，明顯提高了維護效率和精度。僅直接使用已有的數字化工廠3D模式，避免了起草圖紙的需求，僅此一項就節省成本超過100萬美元。Ameriven 煉油廠，通過三維數字化技術，實現資產實體的三維可視化并獲取資產的管理數據，將模型與檢測和腐蝕管理數據庫（Meridium 和Maximo 系統）進行集成，創建周期分析，檢測練習以及腐蝕點快速判斷定位功能，極大地改善了維護人員與檢測人員的溝通和協作能力。員工可在最短時間內隔離問題區域，在某些情況下可將整個時間縮短80%，檢測人員工作效率提高25%～30%。

國內項目中，中石油蘭州石化數字化工程項目、中石油云南石化三維數字化工廠項目、中石化鎮海煉化數字化工廠項目等，都已經投入正常運行。三維數字工廠實現了檢修計劃、方案編制、工單管理、檢修記錄、輔助計量、腐蝕管理、特種設備檢驗檢測、資產管理、動土管理以及設備運行管理、高清視頻集成、運維培訓管理等功能。中海油南海樂東油氣田也已經開始儀表設備數字化管理的嘗試。

1 ?數字化工廠的意義

1.1 市場與業主的需求

首先在現代科技的推動下，智能化制造、數字化工廠必然會替代傳統制造業應運而生，這是社會自然發展的走向，人力不可改變[1]。其次，在經濟全球化，產業國際化的大背景下，諸多生產建設項目中的參與者越來越多元化、異域化，而傳統的生產模式和管理模式在此背景下必然會極大地增加項目運行成本，同時也降低項目管理效率。任何企業如果想增強自身競爭力，都將別無選擇地往數字化方向轉型，以求適應市場潮流和滿足業主需求。

1.2 數字化工廠的優勢

數字化工廠的優勢就是將原始的生產資料參數（機械設備、物資材料等參數）轉化成模型，將原始的生產力（人工）轉化成計算機，通過特定的軟件、平臺和程序用計算機代替人工來處理數據。同時，其強大的查詢管理能力，設備運營監測能力、預警反饋能力又遠遠超過人工處理水平。因此在降低成本的同時，又提高了工作效率，實現了智能化管理，減少了誤差，推動了企業的高質量發展[2]。

2 ?數字化工廠建設路線

數字化工廠是利用創新的虛擬現實的方法獲得代表工廠現狀的全熱點三維模型，以該模型為核心集成工廠全生命周期（如設計、安裝、生產、檢維修、腐蝕等）的動靜態數據，形成工廠資產、生產、安全管理的數據生態環境，實現對企業生產運營維護的各個領域提供數據、模型服務，以及對企業管理與維護過程提供仿真、評估和優化的技術支持，是流程行業新型生產組織與管理方式。數字化工廠模型建設有兩條技術路線，如圖1所示分別為：逆向建模和數字化交付。其中逆向建模是利用激光掃描技術獲得精確代表工廠現狀的三維模型;數字化移交是把不可編輯的三維設計模型轉換為可編輯的三維數字工廠模型。

2.1 逆向建模

在石油化工領域，針對于老舊設施數字化工廠建設，獲取老舊設施的數字模型是關鍵，但存在以下三種困難：因年代原因，設計手段停留在二維形態，一旦在三維空間內建模會出現管線碰撞等錯誤;設施被改造多次，且沒有及時對資料進行升級更新，導致圖紙與實際工程設施不一致;因設計年代久遠導致資料品相劣化，甚至殘缺丟失。逆向建模又稱三維掃描是指集光、機、電和計算機技術于一體的高新技術，主要利用三維掃描設備對物體空間外形和結構及色彩進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標，可以擺脫對原設計圖紙的過度依賴。逆向建模技術是最近新興起的一種高精度立體掃描技術，主要用在高精度逆向工程的三維建模上面，及時通過三維的坐標方式，把掃描所獲得的點精確的投影在計算機模型中，從而達到三維復制，逆向建模的效果，而現有的傳統測繪技術主要是進行單點精確測量，獲得坐標多為二維坐標，難以滿足精確建模對三維的需要，三維激光掃描技術成功地解決了這一難題。其使用獨特的測量手段，進行三維坐標獲取，根據測量所得數據，通過三維幾何建模方法重構實物模型。其原理是根據存在的產品實物模型，通過各種測量手段及三維幾何建模方法，將原有實物轉化為計算機可識別的三維數字化模型，反向推導產品設計模型的過程[3]。

三維掃描可以對復雜的現場環境進行多方位的掃描取點，通過不同角度的掃描取點，將各種大型、復雜、不規則的實體的三維數據完整地采集到電腦中，通過點云處理軟件，去除干擾點，從而快速重構實體三維模型，實現實體和三維模型對應，極大地方便了各種后續工程的跟蹤進行。張德海等人[4]在逆向工程中，使用可以將三維物體幾何信息轉換為計算機能直接處理的二維數字信號的三維光學掃描技術，對三維逆向建模進行模擬，結果表明三維掃描設備掃描建模相似度達到原始數模的98%，基本滿足在逆向建模中的應用。

三維掃描測量數據的獲取，受周圍環境影響較大，原始點云在三維掃描的獲取過程中，因為受環境因素的客觀條件限制，不可避免的存在噪聲點、飛點、重疊點云等現象，這就導致逆向建模過程中點云密度大、計算周期長、過程運算復雜等問題，所以在逆向建模過程中最大的挑戰就是如何保證點云的處理精度和處理時間問題，如何在最短的時間內獲得盡量多的準確的點云數據，是衡量和評價掃描數據是否成功的根本。

2.2 數字化交付

狹義的數字化交付是將業主所需的生產建設項目設計數據模型、采辦信息數據、設備單元可分解數據模型、項目改造數據、項目管理信息等各項工程數據加載到可兼容多元化數據的交付平臺，實現結構化、有序化的數據移交。而廣義的數字化交付是幫助業主實現對項目建設過程中全部信息的采集、整合以及生產運營過程中對數據的輸入輸出、雙向檢驗、實時監測、運維操控等功能的系統性交付[5]。

2.3 數字化交付標準的制定

由于項目參與者（設計方、施工方、供貨商、工藝分包商等）的多樣性，技術（結構專業、工藝配管專業、電氣專業、暖通專業、舾裝防腐專業）的多專業性，過程（EPCI或者EPC等）的多階段性，導致各方的交付數據存在差異性，所以制定統一的交付標準對于打通數據關聯性和提高數據兼容性至關重要。目前國標有《GB/T 51296-2018石油化工工程數字化交付標準》[6]，但為了增強市場競爭力，打造個性化服務，我們應該根據我們的服務理念和技術水平制定自己的企業標準。

2.4 搭建數字化交付平臺

數字化交付平臺是從源頭上實現對生產建設項目的數據資產進行全生命周期的精準管控。不能只停留在整合竣工數據的層面上，必須保證后期運維改造的數據能及時準確地反饋到平臺上。所以必須要求其平臺上每一個孤島數據的完整性、準確性、與現場一致性以及操作的可靠性、合規性。數字化交付平臺需要供開放的數據接口，接收工程后期運行、維護、改造等工廠全生命周期的信息數據[7]。目前國際主流的數字化交付平臺有海克斯康SPF（Smart Plant Foundation）平臺、AVEVA平臺、西門子數字化平臺COMOS等，國內也有北京綏通的SeaLINx平臺等，這些平臺均支持多種主流文件格式，可將不同的數字模型組合在一起。

2.5 建立統一的通訊協議接口

數字化工廠需要獲取物理工廠的靜態數據和動態數據，靜態數據主要通過逆向建模或者數字化交付獲得，動態數據主要通過與物理工廠中的PCS、ESD、F&G、PLC等系統的通訊聯系，但現役物理工廠的中控、EMS（能量管理系統）、防腐監測、結構震動監測等，各系統之間互不聯系或聯系較少。品牌不同，使用的接口協議不同，無法實現相互通信。因此需要建立一套統一的接口協議，為各系統與本平臺的監控從站之間通信提供統一的軟硬件基礎。

3 ?數字化工廠的總體架構

如圖2，數字化工廠技術應該包含數據保障層、建模計算層、數字孿生功能層和沉浸式體驗層[8]。數據保障層是整個數字化工廠的基礎，主要包含數字化交付、逆向建模、傳感器數據采集、工廠數據維護等為數字工廠提供靜態和動態數據。數據采集的準確性和及時性直接影響到數字化工廠的應用深度和準度。建模計算層是數字工廠的核心，在企業全生命周期內由數據保障層輸入的數據格式是多樣性的，需要數字工廠平臺需要支持多種數據源的導入，需要考慮多尺度三維數據集成與融合，數字孿生內涵特征、運行機制與模型的融合技術。數字孿生功能層與沉浸式體驗層屬于數字化工廠的應用，數字化工廠可為企業提供高效的數據管理、遠程診斷、腐蝕管理、虛擬培訓等智能管理。

4 ?數字化工廠的應用探索

4.1 資產實物管理

數字化工廠是物理工廠的數字投影，在虛擬的數字世界里，可以瀏覽、查詢每一個設備的資產屬性、設備信息以及設備部件的基本信息，可以動態的維護設備部件的基本信息，查看所有部件的歷史維護記錄等。數字化工廠以“資產”為核心，集成了工程設計資料、供應商文件、建筑施工文件、安裝調試資料、運行維護數據等，可以實現基于資產的一站式數據查詢。

4.2 腐蝕風險管理

基于三維數字化工廠可以極大的簡化RBI分析，并可以三維展示RBI分析結果。在三維腐蝕回路知識視圖上，根據風險等級、檢測點數量規劃等，規劃設計檢測點的位置;檢測后，數字化工廠保存腐蝕檢測數據，可以根據歷史壁厚、腐蝕速率、剩余壽命等數據，對資產的腐蝕情況進行分析研究。

4.3 VR場景應用

利用VR技術在三維數字化工廠中，依據用戶應急預案制作應急演練計劃，可通過多角色場景同步協同演練，聯機演練過程中，不同用戶扮演不同角色，系統分配不同任務，通過演練可以讓用戶熟悉應急操作流程，演練互相配合流程。另外利用三維數字化工廠模型以及VR技術可以對動設備拆裝進行仿真培訓。

4.4 工程仿真

基于與現場完全一致的三維模型，可在辦公室內實現設備拆裝工程、腳手架搭設工程、設備吊裝等方案的仿真，評估方案的可行性，優化方案，記錄并分發解決方案。

參考文獻

[1] 孫發亮.數字化交付在智能制造中的位置及發展趨勢[J].中國儀器儀表，2019（5）：32-36.

[2] 安啟玲.三維數字化技術用于數字化工廠建設中的應用[J].電子技術與軟件工程，2020（20）：161-163.

[3] 鄭臣.葉尖間隙光學影像檢測系統的圖像信息處理技術研究[D].綿陽：西南科技大學，2015.

[4] 張德海，李艷芹，謝貴重，等.三維光學掃描技術逆向工程應用研究[J].應用光學，2015，36（4）：519-525.

[5] 楊娜，賀宏偉，王立凱.數字化交付在智能制造中的位置及發展趨勢[J].時代農機，2019，46（9）：13-14.

[6] GB/T51296-2018，石油化工工程數字化交付標準[S].北京：中國計劃出版社，2018.

[7] 肖龍.淺談油氣地面建設工程數字化交付[J].化工管理，2018（36）：218-219.

[8] 劉大同，郭凱，王本寬，等.數字孿生技術綜述與展望[J].儀器儀表學報，2018，39（11）：1-10.