智能工厂建设中的数字化应用
2022-11-22 来源：新工业网
导语：本文基于化工行业特点及现状结合长庆乙烷制乙烯项目智能化工厂建设中数字化工厂数字化交付的实践展望石化行业智能工厂前景
近年来，物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的迅猛发展，推动经济社会各领域从数字化、网络化向智能化加速跃升。石化行业属于传统工业，具有资金、技术、劳动、风险密集的特点，随着供给侧结构性改革的深化和安全环保要求的提高，智能化成为石化企业转型升级的必然选择。本文基于化工行业特点及现状，结合长庆乙烷制乙烯项目智能化工厂建设中数字化工厂、数字化交付的实践，展望石化行业智能工厂前景。
1 智能工厂背景
21世纪20年代，世界各国在经历国际金融危机后不约而同地将制造业作为经济发展的重中之重，2011年，德国在汉诺威工业博览会中提出“工业4．0”概念，美国随后提出“国家制造业创新网络”(NNMI)计划，拟通过“互联网+工业”驱动工业变革，实现再工业化发展，重振美国制造业竞争力。2015年，立足国际产业变革大势，国务院正式印发“中国制造2025”计划，旨在实现制造强国的战略目标。
化工行业属于相对传统的流程工业领域，具备投资大、风险大和环保监测要求严等特点。同时，由于化工行业工艺复杂，自动化程度要求高，生产流程长，生产过程弹性大，且产品运营受市场影响因素多，因此，化工行业对信息化与智能化的要求相对较高。兰州石化长庆乙烷制乙烯项目作为国家示范性工程，其智能化工厂建设对整个石化行业智能化转型升级有着重要意义。
2 长庆乙烷制乙烯项目智能化目标
长庆乙烷制乙烯项目智能工厂建设旨在通过自动化控制、互联网、物联网、新型传感器、云计算和信息系统提供的支持，将自动化生产、一体化应用、精细化管理、可视化监控、合理化调度有机整合，提供全面感知、分析预测、优化生产、协同执行四项能力。建立覆盖供应链管理、生产管控、生产操作管理、设备管理、HSE管理、能源管理等主要业务流程的新型闭环优化运营模式，建成具备较强自动化、网络化、数字化、可视化、模型化和集成化优势能力的智能化工厂。图1、图2为长庆乙烷制乙烯项目智能化工厂架构及应用。
3 数字化交付和实现
数字化工厂是智能工厂建设的基石，而数字化交付又是构建数字化工厂过程中必经的第一步。
区别于传统工程设计(以纸介质为主体)的交付方式，通过数字化集成平台，将相关设计成品以标准数据格式提交给业主的成品交付方式，也称为数字化移交。当下数字化交付的应用逐渐在不同的化工工程研发中予以实行，并且逐步提升相应的系统产值空间，使得整体的应用更为细节和智能。
全数字化交付的最大意义，在于能够大幅缩短数字炼化的智能化转型升级的时间和具体路线。实施高效的全数字化移交，可以有效提升EPC承包商的竞争力，帮助业主消除工程信息孤岛，方便业主后期的生产管理、运维和改扩建。同时，全数字交付有助于业主、监理、供应商提升工程建设项目的管理效率，增强工程建设项目的管控力度，且今后运维中更加高效，成本更为节约。
图 1 长庆乙烷制乙烯项目智能工厂核心业务架构
数字化交付的内容和范围根据工程项目类型的差异而不同，但核心内容、范围还是工程数据，如工程文档图纸、数据、参数、3D模型、采办、工程建设信息等。实现数字化交付，根据深度不同，需要满足的条件也不同，但对设计公司来说，归根结底是提供一个完善的数字化模型，成品的质量则完全取决于该模型的设计水平，而且该模型涵盖的相关专业越多，数字化集成度就越高。
图 2 长庆乙烷制乙烯项目智能工厂应用示意
长庆乙烷制乙烯项目数字化交付管理规定中指出，总体院将提供工程工具/软件的种子文件，装置承包商使用总体院为工程工具软件和数据库指定的版本。
SmartPlant P＆ID、Smart3D、SPI分别是用于工艺、模型、仪表设计的数据库软件，统称SmartPlant Enterprise软件。承包商通过SmartPlant Enterprise软件来实现项目中文件数字化交付，具体要求如:
1)承包商使用SmartPlant P＆ID软件来创建P＆ID图纸，设备表和管道表。
2)承包商按附件的要求在软件中填写设备、管道、管道特殊件和仪表的属性。这些对象属性数据以及各类对象间的关联关系应发布到数字交付平台当中。
3)承包商应使用数字交付平台作为集成环境数据仓库。
4)承包商应在集成设计中遵循设计流程，确保工厂对象在不同专业软件中的数据一致性。如，在SPI发布仪表索引或仪表规格书之前，应接受SPPID并消除TDL;进行二三维校验。
5)承包商应使用SmartPlant Instrument软件进行仪表设计，以便建立和管理仪表数据库并交付设计成果。
6)承包商需按装置工厂对象编号规定，为成套包整体编制一个工程位号。成套包在装置内P＆ID上以黑盒子(BLACKBOX)表示。包内P＆ID和仪表设计不强制要求使用SmartPlant软件，三维部分以设计院为主体责任在S3D内完成。
图3为乙烯装置设计使用SmartPlantEnter-prise软件后，整个装置设备布置、管道布局实现了3D模型审查。
4 数字化工厂
数字化工厂建设的目标是运用三维建模和数据集成技术，建立与现实工厂匹配的三维虚拟数字化工厂。通过数字化工厂建设，将项目建设和运营各阶段孤立的、分散的信息进行整合，做到统一规划、统一管理、共享使用;通过建立地式的交互浏览，实现管线、设备等信息的可视管理，支持工艺流程和应急演练的三维仿真模拟、员工培训。
图 3 乙烯装置 3D 模型审查
长庆乙烷制乙烯项目智能工厂数字化设计具体建设目标如下:1)管理工厂各对象的全生命周期数据资产，包括装置的工艺流程系统图、工厂对象位置、工厂对象属性信息、空间三维模型，供应商文件数据、安装记录，调试过程记录、质量监管相关记录等数据。
2)建立三维数字化工厂平台，关联相关生产管理软件(实时数据库、MES、EAM、LIMS、EＲP、主数据等)的动态数据，如检维修数据、设备实时的运行状态和状况、技改文件数据等。
3)为其它系统提供三维可视化模型及运行
数据，比如为工厂工业电视系统、安防监控系统、智能巡检系统、环保监测系统、安全预案系统等提供基本的工程三维模型。
数字化工厂功能架构示意见图
4.4.1三维信息展示
针对全厂的地上、地下管线、装置及设备等三维模型，通过操作鼠标或键盘的方式实现全方位、多角度的浏览;可通过在三维场景中设置漫游路径的方式对整个三维工厂模型进行漫游;可进行缩放、旋转、平移等可视化空间操作;可进行坐标、距离和面积的可视化量测。
4．2文档查询管理
对各类文档资料进行管理和存储，如工厂的二、三维图纸、设计和施工文档、设备的操作规程、巡检日志、统计报表、应急管理规定等。
图 4 数字化工厂功能架构示意
通过将文档与三维模型关联，实现了基于虚拟资产文档管理，创建了一种面向资产的角度对文档的描述，可更加自然、真实反映文档存储及管理的本质，从而提供快捷高效访问文档的手段，可高效地为企业管理提供文档参考。高效地获取与更新文档，为企业高效管理提供了有力的技术支撑。
4．3 设备管线三维应用
4．3．1 管线信息管理
实现场景中管线模型的添加、删除，并能对管线属性进行修改和编辑;实现多种方式对管线进行浏览，如管线抬升、地表透明化，地面开挖等;通过集成生产数据实时监测系统，可在三维场景中直观显示管线的现场监测数据。
4．3．2设备信息管理
包括设备属性管理、电子台账管理、设备维护管理、腐蚀管理、地下管网管理和设备实时监测。以腐蚀管理为例，利用三维数字化工厂可对设备腐蚀进行相应的管理，包括腐蚀回路划分、抽取、检测点规划、检测实施及记录、定点测厚点标识及测厚数据管理等工作。在抽取的三维腐蚀回路知识视图上，根据腐蚀回路风险等级、腐蚀检测点数量的规划、介质流向等参数，准确地设计腐蚀检测点的位置，使检测点的规划安全可靠。
4．4生产运行三维应用
集成生产运行实时信息、设备状态信息、视频监控信息、生产现场人员巡检作业信息等，对生产运行进行三维展示和监控。
以可视化巡检为例，在可视化巡检管理方面，通过三维数字化工厂可以实现工厂日常巡检管理，通过与巡检管理系统集成，获取巡检路线、实现巡检路线、巡检点、巡检状态、数据上报等功能，提升巡检智能化水平。用户可查询一定时间内巡检数据，并生成巡检结果统计报表。
在三维数字化工厂中，通过与手持终端、三维定位系统、缺陷管理的系统的集成，可实时采集安全状态信息、实时获取巡检员的位置与巡检路线信息;对于巡检过程中发现的缺陷等信息，巡检可通过移动终端拍照、缺陷属性记录与标记、数据上传等进行管理，以便建立安全巡检、隐患追查记录。
4．5HSE三维应用
建立风险管控体系，应用移动设备、图像识别、大数据分析、物联网等技术，实现风险识别和风险主动防御。通过生产、作业、职业健康、废水废气排放等方面的实时监控，达到健康、安全、环保的全面管控(见图5)。采用融合通信技术，监控、协调、指挥应急现场，做到及时反应、快速撤离、联动协同、科学决策，实现本质安全。
图 5 安全管理类系统业务场景
4．6三维培训应用
三维数字化工厂是物理工厂的镜像，其精细、精确的三维虚拟环境以及集成的工厂生产、设备、安全各领域的信息，可为工厂工作人员提供浸入式、高效率的培训体验，达到传统培训无法达到的效果与目的，是企业培训的综合平台。在三维台环境中，进行工艺流程、设备内部结构、动设备拆装的培训具有生动形象、成本低、效果好等特点，是优化装置培训工作、提高培训效率、提升培训质量和效果、减少培训成本和员工学习时间的重要工具。
5 结语
工程设计、采购、施工(EPC)阶段产生的工数据是工厂数字化的原始基础，是真正反映工厂客观存在的实际数据，如何收集、管理好EPC阶段的工程数据，实现最终的工厂数字化交付，是实现数字化工厂的重要基石。
工厂信息数字化是最终智能化运行和维护的基础，设计成品的数字化交付不仅提高了建设阶段的设计效率、降低图纸交付和使用过程的成本、便于使用和查看、易于管理检索和调用，还可为数字化工厂、智能化运营系统的建设提供数据基础。
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