化工園區(qū)實(shí)現(xiàn)智能工廠的思考與探索

聶存良(萬華化學(xué)(福建)有限公司，福建 福州 350311)

0 引言

化工類生產(chǎn)公司，作業(yè)控制層面為基礎(chǔ)層面(一線操作人員)，涉及原料收貨、質(zhì)量管理、庫存管理、生產(chǎn)操作(交接班、取樣、巡檢、設(shè)備監(jiān)控、參數(shù)調(diào)整、操作績(jī)效等)、產(chǎn)品倉儲(chǔ)、包裝、發(fā)運(yùn)；上一層面是現(xiàn)場(chǎng)管理層(工程師/經(jīng)理)，主要依據(jù)于現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)在線上做各種一線操作支持業(yè)務(wù)；再上一層級(jí)是運(yùn)營(yíng)層面(生產(chǎn)管理人員)，依據(jù)于滿足公司戰(zhàn)略、客戶需求及綜合考慮生產(chǎn)狀態(tài)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析最優(yōu)排產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)成本最優(yōu)、效率最高，如圖1 所示。

圖1 化工類生產(chǎn)公司的架構(gòu)

生產(chǎn)動(dòng)作背后，是大量的數(shù)據(jù)采集、分析、利用過程，其中涉及許多系統(tǒng)，尤其是以MES 為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)管理管控平臺(tái)，可進(jìn)行知識(shí)管理、相關(guān)記錄追溯；在操作層面實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)執(zhí)行、黑屏操作，工程師層面實(shí)現(xiàn)專家遠(yuǎn)程診斷、實(shí)時(shí)分析、主動(dòng)監(jiān)控，管理層面實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)實(shí)時(shí)管控、智能決策的效果[1]。數(shù)字工廠由產(chǎn)品生命周期管理、企業(yè)資源計(jì)劃管理、MES 生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、生產(chǎn)管理平臺(tái)和物流管理組成。其中基于MES 的生產(chǎn)管理管控平臺(tái)，是化工生產(chǎn)企業(yè)一線操作人員、工程師和生產(chǎn)管理人員的重要工作平臺(tái)，也是運(yùn)用大數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析、智能決策、產(chǎn)生指令的重要平臺(tái)。

本文就實(shí)現(xiàn)智能工廠的探索進(jìn)行闡述。

1 數(shù)字化研發(fā)設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)字化工廠、模塊化交付

作為工廠唯一、真實(shí)、完整的數(shù)據(jù)資產(chǎn)倉庫和工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)，數(shù)字化工廠平臺(tái)建設(shè)是智能工廠發(fā)展的重要基礎(chǔ)。對(duì)前承接項(xiàng)目建設(shè)期的工程數(shù)據(jù)成果，對(duì)后支撐工廠運(yùn)營(yíng)期的業(yè)務(wù)數(shù)字化需求[2]。對(duì)下具備對(duì)現(xiàn)有和未來發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施兼容性。對(duì)上支撐企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)挖掘、分析和輔助決策(圖2)。

圖2 數(shù)字化工廠、模塊化平臺(tái)

1.2 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)流體數(shù)字模擬

CFD 流體模擬研究進(jìn)入硝基苯硫酸閃蒸罐流體分布，解決人孔附近腐蝕問題，提升裝置產(chǎn)能。

1.3 基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的公共管廊管理系統(tǒng)

使管廊管理步入定量化、數(shù)字化，三維顯示的管廊可以更直觀的對(duì)任意管線進(jìn)行信息查詢與作業(yè)管理。

2 電子信息技術(shù)應(yīng)用

2.1 腐蝕管理和預(yù)警平臺(tái)

實(shí)現(xiàn)對(duì)各類設(shè)備腐蝕狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，數(shù)字化集成預(yù)警數(shù)據(jù)管理，通過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)、腐蝕評(píng)定，進(jìn)一步將設(shè)備數(shù)據(jù)歸檔管理，同時(shí)根據(jù)評(píng)定等級(jí)，數(shù)字化判定設(shè)備壽命，如圖3 所示。

2.2 高溫發(fā)熱異常數(shù)據(jù)化

在配電室電纜間使用紅外熱成像儀，數(shù)據(jù)化判定配電柜、電纜等局部高溫發(fā)熱異常，及早發(fā)現(xiàn)隱患，開展預(yù)防性維修。

2.3 裝卸螺栓數(shù)據(jù)化，裝卸螺栓數(shù)據(jù)化

使用扭矩扳手對(duì)檢修作業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)化控制，實(shí)現(xiàn)精密檢修。開車氣密一次合格(氣密標(biāo)準(zhǔn)3)，開車后設(shè)備不用進(jìn)行冷緊和熱緊，從根本上減少泄漏和返工。后續(xù)檢修也不會(huì)產(chǎn)生所謂的“困難螺栓”，檢修效率得到進(jìn)一步提高。

2.4 旋轉(zhuǎn)設(shè)備對(duì)中數(shù)據(jù)化，激光對(duì)中精度高、重復(fù)性及穩(wěn)定性好

數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、計(jì)算與處理，所有數(shù)據(jù)上傳至PM 系統(tǒng)，可追溯[3]。減少磨損、降低停機(jī)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

3 生產(chǎn)設(shè)備、過程數(shù)控化

3.1 數(shù)字立體倉庫、自動(dòng)包裝線

目前國(guó)內(nèi)企業(yè)倉庫貨架設(shè)置為傳統(tǒng)的閣樓式貨架，只能依靠人力操作，效率低、貨架利用率低、空間浪費(fèi)、庫容限制，部分物資無法實(shí)現(xiàn)上架，露天堆放。自動(dòng)化立體倉庫主體由貨架，巷道式堆垛起重機(jī)、入(出)庫工作臺(tái)和自動(dòng)運(yùn)入(出)及操作控制系統(tǒng)組成。入庫、檢驗(yàn)、分類整理、上架、盤點(diǎn)、補(bǔ)貨、出庫等功能，都是由計(jì)算機(jī)管理控制的機(jī)械設(shè)備來完成，并結(jié)合與條碼系統(tǒng)使用，完全實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)作，大幅提升勞動(dòng)效率和庫容量。

立體倉儲(chǔ)、產(chǎn)品全自動(dòng)包裝、不同牌號(hào)產(chǎn)品系統(tǒng)指令切換等，大幅降低對(duì)勞動(dòng)力的依賴，與條碼系統(tǒng)結(jié)合使用，不僅占地面積小，同時(shí)大幅提升庫容量(圖4)。

圖4 立體倉儲(chǔ)、產(chǎn)品全自動(dòng)包裝、不同牌號(hào)產(chǎn)品系統(tǒng)

3.2 在線質(zhì)量分析儀表大量使用

降低生產(chǎn)成本、減少固廢產(chǎn)生、提升本質(zhì)安全、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，更快捷有效的提升過程質(zhì)量管控。

3.3 先進(jìn)過程控制(APC)

生產(chǎn)基地使用先進(jìn)過程控制，在“三率”完好 +常規(guī)控制完好前提下，使用模型預(yù)測(cè)+前饋控制+多變量控制，通過DCS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)卡邊控制、穩(wěn)定控制和優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化，降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.4 危險(xiǎn)固廢管理數(shù)據(jù)化

生產(chǎn)裝置日常運(yùn)行及檢修產(chǎn)生固廢，在裝置進(jìn)行分類，轉(zhuǎn)移時(shí)貼上二維碼標(biāo)識(shí)，在網(wǎng)上固廢處置系統(tǒng)上提報(bào)處置單，場(chǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)移至園區(qū)固廢中心稱重，定期在攝像頭監(jiān)控下外運(yùn)出廠到有處置資質(zhì)的固廢處理廠家，運(yùn)輸途中全程后臺(tái)監(jiān)控運(yùn)行路線，直至到廠家處置完畢，形成固廢管理閉環(huán)管理。

3.5 應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)(SAFER Systems)

應(yīng)急響應(yīng)使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合園區(qū)氣象站和氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)，每5 秒鐘更新一次數(shù)據(jù)，在地理信息系統(tǒng)和實(shí)際地形信息界面上，準(zhǔn)確地展示事故的發(fā)展及預(yù)測(cè)趨勢(shì)，反算功能、復(fù)雜地形計(jì)算等功能，為事故應(yīng)急決策正確性提供支持，如圖5 所示。

圖5 應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)

3.6 園區(qū)環(huán)保數(shù)據(jù)中心

實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)保設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)預(yù)警，信息自動(dòng)手機(jī)或郵件發(fā)送至相關(guān)管理人員。

3.7 安全氣象指數(shù)的應(yīng)用

以生產(chǎn)大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照安全防護(hù)層的理念，包含園區(qū)應(yīng)急消防出警、SIS 動(dòng)作、安全閥起跳等防護(hù)層動(dòng)作，工藝三率、MOC、未整改的工藝隱患等日常工藝安全管理，全面的反映公司安全風(fēng)險(xiǎn)的變化趨勢(shì)。

3.8 使用報(bào)警數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

對(duì)生產(chǎn)基地各裝置報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)每人小時(shí)處理報(bào)警數(shù)量，分析TOP5 報(bào)警原因并處理。

3.9 自控回路、聯(lián)鎖投用數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

使用自控回路、聯(lián)鎖投用數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)基地各裝置自控回路投用率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)時(shí)展示未投用回路TOP10。對(duì)各裝置任意時(shí)期的聯(lián)鎖投用情況，未投用聯(lián)鎖回路及未投用時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

3.10 復(fù)雜控制回路提升自動(dòng)化水平

裝置積極采用復(fù)雜控制回路，提高控制穩(wěn)定性和效率，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.11 順控/批量自動(dòng)化

對(duì)于間歇工藝/多牌號(hào)生產(chǎn)裝置，步驟、設(shè)定、操作多的裝置實(shí)行順控/批量自動(dòng)化。

4 自動(dòng)化向智能化轉(zhuǎn)變

4.1 智能設(shè)備管理系統(tǒng)(AMS)

用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備及非智能設(shè)備進(jìn)行在線組態(tài)、調(diào)試、校驗(yàn)管理、診斷及數(shù)據(jù)庫事件紀(jì)錄的一體化解決方案。實(shí)現(xiàn)預(yù)維護(hù)和前瞻性維護(hù)的先進(jìn)管理方式。閥門自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Valve link)，自動(dòng)采集閥門動(dòng)態(tài)誤差數(shù)據(jù)，并進(jìn)行自動(dòng)分析，實(shí)現(xiàn)儀表預(yù)防性維護(hù)，大幅降低儀表故障率，如圖6 所示。

圖6 智能設(shè)備管理系統(tǒng)

4.2 端到端信息化平臺(tái)使用，打通各系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口

上線電商采購平臺(tái)，除大宗原料、設(shè)備外大部分物資線上下單采購，價(jià)格透明、大幅降低庫存。

4.3 應(yīng)急指揮系統(tǒng)(ECP)

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生應(yīng)急事件后，平臺(tái)由“日常模式”切至“應(yīng)急模式”，啟動(dòng)事發(fā)裝置應(yīng)急預(yù)案，攝像頭自動(dòng)轉(zhuǎn)向事發(fā)位置，平臺(tái)自動(dòng)向應(yīng)急領(lǐng)導(dǎo)小組群發(fā)短信、自動(dòng)撥打電話，平臺(tái)上自動(dòng)顯示附近應(yīng)急物資及周圍消防設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)控、應(yīng)急響應(yīng)、應(yīng)急指揮的智能決策功能。

4.4 高級(jí)計(jì)劃優(yōu)化器(APO)

銷售與運(yùn)營(yíng)計(jì)劃通過在線兩日滾動(dòng)產(chǎn)銷平衡數(shù)據(jù)，自動(dòng)分解為N 大類產(chǎn)品，然后通過N 大類產(chǎn)品日生產(chǎn)計(jì)劃自動(dòng)匹配銷售計(jì)劃，通過按單和按庫兩種方案自動(dòng)排產(chǎn)[4]。訂單所需要的不同型號(hào)包裝物，系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)采購訂單，包材按時(shí)間到廠后進(jìn)行自動(dòng)化包裝。

4.5 智能物流

深化橫向集成打通供應(yīng)鏈和物流，實(shí)現(xiàn)智慧物流。覆蓋所有銷售業(yè)務(wù)、液體化學(xué)品采購業(yè)務(wù)。覆蓋汽運(yùn)、船運(yùn)、鐵運(yùn)運(yùn)輸方式，形成兩系統(tǒng)、一中心。

對(duì)現(xiàn)有業(yè)務(wù)進(jìn)行平臺(tái)式的統(tǒng)一管理，引入供應(yīng)鏈和物流管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自有業(yè)務(wù)、承運(yùn)商管理、客戶三方信息的交互、查詢和管理[5]。對(duì)于公司的業(yè)務(wù)部門，如市場(chǎng)部和生產(chǎn)管理部可實(shí)現(xiàn)計(jì)劃管理、庫存管理、檔案管理、客戶服務(wù)管理及運(yùn)費(fèi)管理等業(yè)務(wù)。同時(shí)承運(yùn)商和客戶也可登錄該平臺(tái)，查看相應(yīng)權(quán)限下的信息。最終，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈全流程信息打通。LMS：物流管理系統(tǒng)，園區(qū)以及所有集散中心、倉庫均使用LMS系統(tǒng)發(fā)貨/卸貨計(jì)劃傳遞、多方共享、在線實(shí)時(shí)結(jié)算。PLS：廠內(nèi)物流系統(tǒng)，園區(qū)車輛無人智能排隊(duì)入廠、自助辦理進(jìn)出廠業(yè)務(wù)。LSC：物流服務(wù)中心，園區(qū)一站式物流服務(wù)中心，集中辦理業(yè)務(wù)。

5 結(jié)語

(1)實(shí)現(xiàn)化工智能工廠的先進(jìn)過程控制能力，通過裝置、儀表、控制系統(tǒng)的升級(jí)改造以及關(guān)鍵生產(chǎn)裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)的建設(shè)，在這個(gè)基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)的不斷積累形成數(shù)據(jù)資產(chǎn)，通過對(duì)數(shù)據(jù)資產(chǎn)的深入挖掘發(fā)現(xiàn)潛在的管理改善和新的效益增長(zhǎng)點(diǎn)。

(2)安全生產(chǎn)和應(yīng)急指揮全程化、全局化。通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)事故發(fā)生后，快速掌握事故的發(fā)展趨勢(shì)、定位事故地點(diǎn)，以及快速匹配應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急資源、?；坊拘畔?。

(3)跨平臺(tái)多系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)“四鏈融合”，以CPS、APC、MES、ERP、智能倉儲(chǔ)系統(tǒng)、智能物流平臺(tái)等多源異構(gòu)系統(tǒng)的跨平臺(tái)多系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈、生產(chǎn)鏈、管控鏈、價(jià)值鏈高效融合。

(4)通過數(shù)據(jù)全面采集、應(yīng)用系統(tǒng)集成、和智能管控建設(shè)、智能制造標(biāo)準(zhǔn)研制和實(shí)施，實(shí)現(xiàn)化工企業(yè)智能制造工廠的數(shù)字孿生。