石油化工制造流程的本質(zhì)及其智能制造的基本特征

石油化工作為國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)和支柱產(chǎn)業(yè)，為國民經(jīng)濟(jì)的快速健康發(fā)展做出了積極的貢獻(xiàn)，其產(chǎn)業(yè)升級(jí)，不僅需要新裝備、新工藝和新型催化劑，也迫切需要先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)和管理技術(shù)。數(shù)字化和智能化水平的提升已成為提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的重要手段。通過數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施、生產(chǎn)方式、創(chuàng)新模式持續(xù)變革，不斷提高全要素生產(chǎn)率，大幅提升產(chǎn)業(yè)能力和質(zhì)量。

石油化工行業(yè)的數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型不僅關(guān)乎石化行業(yè)在未來幾十年內(nèi)能否跟上時(shí)代的步伐，更關(guān)乎中國能否抓住第四次工業(yè)革命所帶來的跨越式發(fā)展的歷史性機(jī)遇。在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能以及5G通信等新一代信息技術(shù)的推動(dòng)下，世界石油化工行業(yè)的數(shù)字化智能化水平將會(huì)越來越高，數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型也將成為未來石油化工企業(yè)持續(xù)提質(zhì)降本增效、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的有效途徑和必由之路。

石油化工制造流程的本質(zhì)及其智能制造的基本特征

石油化工是典型的流程工業(yè)，是以處理物質(zhì)-能量-信息流為對(duì)象的過程系統(tǒng)，目的是在總體上達(dá)成技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的最優(yōu)化，并符合可持續(xù)發(fā)展的要求。其制造流程是由分子層級(jí)、裝置層級(jí)和工廠層級(jí)上的過程互相嵌套組合、集成協(xié)同構(gòu)建而成的。石油化工行業(yè)過程接觸的物料都有易燃易爆的特性，生產(chǎn)過程、原料及產(chǎn)品的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用過程存在巨大的安全環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)一旦失控，會(huì)發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故，往往造成重大人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失?；跓捰瓦^程的特殊性，要求驅(qū)動(dòng)過程的能源系統(tǒng)（包括燃料、蒸汽、電力）連續(xù)、穩(wěn)定、可靠。

流程型制造業(yè)智能制造的涵義是，以企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)全過程和企業(yè)發(fā)展全局的智能化、綠色化、產(chǎn)品質(zhì)量品牌化為核心目標(biāo)研發(fā)出來的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)全過程的數(shù)字物理融合系統(tǒng)。主要特征包括具有物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)、能量流網(wǎng)絡(luò)、信息流網(wǎng)絡(luò)“三網(wǎng)融合與協(xié)同”的信息物理系統(tǒng)；具備靈敏感知、智能決策、精準(zhǔn)執(zhí)行、深度服務(wù)等功能，實(shí)際涵蓋自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等具體特征；涉及動(dòng)態(tài)——精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、協(xié)同——連續(xù)運(yùn)行、高效——一體化管理、安全——低庫存供應(yīng)鏈、定制——差異化服務(wù)等內(nèi)涵。

石油化工是石油分子重構(gòu)變成社會(huì)需要的產(chǎn)品的過程，物質(zhì)流在足夠的能量的驅(qū)動(dòng)和作用下實(shí)現(xiàn)分子重構(gòu)，其智能制造就是要使不同裝置之間的橫向集成性和裝置-流程-工廠等不同層次上的縱向集成性，通過數(shù)字化表征、網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)建，優(yōu)化協(xié)同運(yùn)行，并打破工廠界區(qū)局限，與外部供應(yīng)鏈及社會(huì)資源信息結(jié)合，運(yùn)用新一代信息技術(shù)，構(gòu)成一個(gè)包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、銷售、服務(wù)在內(nèi)的智能化的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程系統(tǒng)。石化工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同優(yōu)化如圖1所示。

石化工業(yè)由于其固有的生產(chǎn)營(yíng)運(yùn)和企業(yè)管理特點(diǎn)，在推進(jìn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造過程中面臨著眾多挑戰(zhàn)，需要一一破解。石化行業(yè)的智能制造必須面向工藝、面向裝備、面向過程。

石油化工智能制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和基本路徑

如前所述，石油化工是石油分子重構(gòu)變成社會(huì)需要的產(chǎn)品的過程，物質(zhì)流在足夠的能量的驅(qū)動(dòng)和作用下實(shí)現(xiàn)分子重構(gòu)。其實(shí)現(xiàn)智能化的基本路徑首先就是分子重構(gòu)的表征，包括物料本體的表征（物性）、過程的表征（模型）和關(guān)聯(lián)性的表征（流程），其次是分析和優(yōu)化（重構(gòu)），再就是執(zhí)行。

因而，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括感知智能化——智能制造裝備，分析和重構(gòu)智能化——工業(yè)軟件，執(zhí)行智能化——一體化執(zhí)行系統(tǒng)，以及使之能高效運(yùn)行的重要基礎(chǔ)——工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和數(shù)據(jù)治理。

（1）智能制造裝備

一要突破數(shù)據(jù)準(zhǔn)確自感知的難題，實(shí)現(xiàn)石化廠物質(zhì)流、能量流和裝備、環(huán)境數(shù)據(jù)自動(dòng)感知與自動(dòng)采集。融合邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等，加快面向石化易燃易爆、有毒有害環(huán)境的裝備研制和推廣應(yīng)用，加快生產(chǎn)制造全過程數(shù)字化改造，實(shí)現(xiàn)全要素全環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)泛在感知、互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)集成和智能管控；實(shí)現(xiàn)人、物、過程、設(shè)備、環(huán)境互聯(lián)，達(dá)到全面感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策和精準(zhǔn)操作的目標(biāo)。

這又包括三個(gè)方面，一是過程狀態(tài)和物流物性的感知，為過程優(yōu)化提供最直接準(zhǔn)確的物流和過程數(shù)據(jù)；二是裝備（動(dòng)、靜設(shè)備，電氣、儀表自控設(shè)備）風(fēng)險(xiǎn)管控監(jiān)測(cè)、檢測(cè)技術(shù)的自動(dòng)化和智能化工程，包括裝備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)感知、智能故障預(yù)警預(yù)測(cè)、在線腐蝕監(jiān)測(cè)、閥門內(nèi)漏監(jiān)測(cè)等，應(yīng)用工藝自動(dòng)化控制系統(tǒng)全面提升裝置控制自動(dòng)化水平，服務(wù)于設(shè)備的本質(zhì)安全；三是環(huán)境的感知，如大氣VOCs、污水排放和固廢處理等，服務(wù)于本質(zhì)環(huán)保。

二要?jiǎng)?chuàng)建復(fù)雜工藝裝置的首臺(tái)套，以行業(yè)的大型復(fù)雜裝置為突破，構(gòu)建首臺(tái)首套基于數(shù)字孿生的智能制造系統(tǒng)。例如：智能乙烯工廠，智能催化裂解車間等。如圖2所示，中國石化正在以石化“龍頭”裝置乙烯為試點(diǎn)，搭建基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的邊緣云平臺(tái)，首次構(gòu)建數(shù)字孿生的智能乙烯工廠，以效益優(yōu)化為目標(biāo)，首次實(shí)現(xiàn)乙烯裝置工藝、設(shè)備、操作、安全、環(huán)保全域智能運(yùn)行，以成套乙烯自主工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，首次研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的乙烯裂解爐模擬優(yōu)化工業(yè)軟件。需要特別強(qiáng)調(diào)，數(shù)字孿生決不僅僅是簡(jiǎn)單的三維展示，而是對(duì)物質(zhì)流、能量流和信息流的一體化數(shù)字化聯(lián)動(dòng)，這里有三個(gè)核心問題，一是物性表征，二是過程建模，三是閉環(huán)優(yōu)化。流程工業(yè)伴隨著大量的物理和化學(xué)反應(yīng)，不同反應(yīng)、不同條件都會(huì)生成不同物質(zhì)，只有通過對(duì)生產(chǎn)過程的準(zhǔn)確模擬，清楚描述物質(zhì)的反應(yīng)或變化過程，才能無限接近真實(shí)的過程，從而提高資源利用率，提升企業(yè)效益。

（2）工業(yè)軟件

石化生產(chǎn)制造全流程是由多個(gè)生產(chǎn)過程有機(jī)聯(lián)接而成，具有多變量、變量類型混雜、變量之間非線性強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，受到原料成分、運(yùn)行工況、設(shè)備狀態(tài)等多種不確定因素的干擾，其特性隨生產(chǎn)條件變化而變化。實(shí)現(xiàn)上述要求，面向石化復(fù)雜生產(chǎn)過程的智能控制系統(tǒng)（工業(yè)軟件），其功能應(yīng)包括生產(chǎn)制造多尺度（分子、裝置、流程）表征以及與之對(duì)應(yīng)的基于大數(shù)據(jù)和工業(yè)知識(shí)的實(shí)時(shí)智能控制優(yōu)化方法、輕量化的邊緣計(jì)算能力等，并經(jīng)多次試驗(yàn)、迭代而逐漸固化成工業(yè)軟件。行業(yè)一直以來就在孜孜不倦地探索，特別是“十三五”期間，無論是在物性表征、過程建模和優(yōu)化、生產(chǎn)各環(huán)節(jié)管理、企業(yè)管理和基礎(chǔ)工業(yè)軟件方面都有長(zhǎng)足的進(jìn)展，基礎(chǔ)軟件方面：RTDB、資產(chǎn)數(shù)字化建模軟件；過程控制方面：APC、RTO；生產(chǎn)管控方面：排產(chǎn)優(yōu)化、MES、能源系統(tǒng)優(yōu)化、設(shè)備健康、安全環(huán)保；還有企業(yè)管理方面的ERP、資金集中、財(cái)務(wù)共享等。

工業(yè)軟件是石化企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的技術(shù)支撐，工業(yè)軟件是工業(yè)技術(shù)長(zhǎng)期積累、沉淀并在應(yīng)用中迭代進(jìn)化的軟件化產(chǎn)物， 是工業(yè)化成熟度的體現(xiàn)。這些方面，我們還有很長(zhǎng)的路要走，一般來說，可以有兩種推進(jìn)策略，一是趕，基于已有成熟技術(shù)，引進(jìn)消化吸收，但這會(huì)面臨成熟工業(yè)軟件所構(gòu)建的巨大的知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘，在未來商用化推廣的過程中，將面臨巨大的挑戰(zhàn)；二是超，基于新的工藝技術(shù)，尋找“新賽道”。作為流程工業(yè)的突出代表，利用好每一滴石油的有效價(jià)值是石化企業(yè)的終極目標(biāo)。如果能夠從分子尺度表征油品性質(zhì)，開展分子水平上的模擬和調(diào)控，便可從分子級(jí)微觀角度實(shí)現(xiàn)原料資源的充分利用，對(duì)每一滴原油“吃干榨凈”。20世紀(jì)90年代初期就有學(xué)者提出了“石油組學(xué)”的新概念，認(rèn)為要從分子水平認(rèn)識(shí)石油的化學(xué)組成，研究分子組成與其物理化學(xué)性能和化學(xué)反應(yīng)之間的關(guān)系。進(jìn)入新世紀(jì)，國內(nèi)一些學(xué)者提出了“分子煉油”“分子管理”的概念，從分子水平認(rèn)識(shí)石油、從分子水平煉制石油，為我們創(chuàng)新開發(fā)低能耗煉油技術(shù)開啟了新的思路，即分子工程。如圖3所示，基于新的煉油技術(shù)的工業(yè)軟件，將是企業(yè)解決“卡脖子”問題的“新賽道”，特別是基于分子工程的低能耗煉油技術(shù)的原材料物性表征和過程優(yōu)化應(yīng)用的研究，包括基于分子管理的純組分物性庫、物性常數(shù)庫、原料的分子表征、基礎(chǔ)分析動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器模型庫，形成典型分離單元及反應(yīng)單元過程的基礎(chǔ)模型，進(jìn)一步形成系列分子層次分離及反應(yīng)單元操作庫，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的離線優(yōu)化與在線優(yōu)化。

（3）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

數(shù)字化轉(zhuǎn)型與創(chuàng)新是企業(yè)贏得未來的必由之路，制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的主攻方向是智能制造，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是智能制造的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，能夠培育新動(dòng)能、創(chuàng)造新價(jià)值空間。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是溝通物理世界和虛擬數(shù)字世界的橋梁，帶來了一場(chǎng)生產(chǎn)力的革命。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為新型基礎(chǔ)設(shè)施通過對(duì)生產(chǎn)方式、商業(yè)模式、管理范式的重塑，驅(qū)動(dòng)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景化應(yīng)用和生態(tài)化發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)智能制造的方法論和途徑。

從一般意義上看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)是以用戶深度參與為中心，基于工業(yè)化與數(shù)字化融合的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)，優(yōu)化數(shù)據(jù)、人力、資產(chǎn)、資本等資源稟賦配置，生態(tài)各方通過自組織相互賦能、協(xié)同共創(chuàng)、共同進(jìn)化，實(shí)現(xiàn)價(jià)值供求持續(xù)迭代閉環(huán)以及生態(tài)持續(xù)進(jìn)化的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。

從行業(yè)的角度看，石油化工行業(yè)的獨(dú)有特征，以及生產(chǎn)運(yùn)行、安全環(huán)保等業(yè)務(wù)需求，需要利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為基礎(chǔ)設(shè)施推進(jìn)智能制造。石油化工存在復(fù)雜的物理化學(xué)過程，建立模型難度大；我國石化工業(yè)原料來源受制于國內(nèi)外市場(chǎng)供給，原料復(fù)雜、生產(chǎn)工況波動(dòng)大；同時(shí)，能耗物耗高、安全環(huán)保壓力大、產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)且布局分散，在工業(yè)知識(shí)沉淀復(fù)用和重構(gòu)、高效化和綠色化、產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同等方面面臨巨大挑戰(zhàn)。如圖4所示，具有石化特色業(yè)務(wù)組件、模型的構(gòu)建往往需要科研院所、高校和行業(yè)IT公司“聚力”合作才能完成，最上層的工業(yè)APP的構(gòu)建雖然是以各個(gè)行業(yè)IT公司為主，但是里面構(gòu)建的每一個(gè)APP中蘊(yùn)含的業(yè)務(wù)邏輯、業(yè)務(wù)的適配性卻是融合了大量的業(yè)務(wù)用戶的需求。因此來說，要建成一個(gè)適配行業(yè)的工業(yè)互聯(lián)平臺(tái)，需要多方合力，需要生態(tài)圈的合力創(chuàng)新。

（4）數(shù)據(jù)治理

要強(qiáng)化數(shù)據(jù)要素的驅(qū)動(dòng)作用，加強(qiáng)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)的有效集成、匯聚、治理和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)→信息→知識(shí)→資產(chǎn)”的轉(zhuǎn)變，激發(fā)數(shù)據(jù)要素的轉(zhuǎn)型動(dòng)力，通過數(shù)據(jù)在工藝改進(jìn)、運(yùn)行優(yōu)化、質(zhì)量管控、生產(chǎn)異常預(yù)警、生產(chǎn)指揮、安全環(huán)保和決策判斷等方面的應(yīng)用，要采用機(jī)理建模和數(shù)據(jù)建模技術(shù)相結(jié)合的方法，建設(shè)能量流驅(qū)動(dòng)物質(zhì)流、物質(zhì)流產(chǎn)生或影響能量流的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)模型，逐步形成和完善生產(chǎn)效率、產(chǎn)品品質(zhì)約束下的，加工能耗最低、碳排放最小的在線優(yōu)化等技術(shù)。實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)營(yíng)管理，提升智能決策、精益制造和精準(zhǔn)服務(wù)能力。面向全業(yè)務(wù)域的數(shù)據(jù)處理如圖5所示。

結(jié)束語

綜上所述，石化智能制造是一項(xiàng)復(fù)雜的過程系統(tǒng)工程，其最終目的是要實(shí)現(xiàn)企業(yè)的提質(zhì)增效和高質(zhì)量發(fā)展，不僅要突破技術(shù)的瓶頸，更要落到實(shí)實(shí)在在的具體應(yīng)用（場(chǎng)景），必須全面打造和推廣面向石化工業(yè)制造各環(huán)節(jié)的智能化應(yīng)用（場(chǎng)景）和智能工廠示范。圍繞生產(chǎn)一體化優(yōu)化、生產(chǎn)集成管控、資產(chǎn)全生命周期管理三條業(yè)務(wù)主線，形成生產(chǎn)管控、供應(yīng)鏈管理、設(shè)備管理、能源管理、安全管理、環(huán)保管理六大業(yè)務(wù)域的智能化應(yīng)用場(chǎng)景，夯實(shí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈級(jí)、工廠級(jí)、裝置級(jí)的智能制造水平的全面提升。通過“點(diǎn)面結(jié)合”的模式，推廣一批可復(fù)制可推廣的智能化應(yīng)用（場(chǎng)景）和智能工廠應(yīng)用示范。在“點(diǎn)”的方面，通過數(shù)字孿生、人工智能、5G等技術(shù)的應(yīng)用，聚焦安全、環(huán)保、生產(chǎn)、資產(chǎn)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，構(gòu)建一批可復(fù)用、可推廣的智能應(yīng)用（場(chǎng)景）；在“面”的方面，特別是針對(duì)一些有特色和典型的企業(yè)，在生產(chǎn)、質(zhì)檢、倉儲(chǔ)、物流等方面，通過多種技術(shù)的融合應(yīng)用，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字化改造和升級(jí)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)的集中集成，實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)的數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)挖掘，提升全面感知、預(yù)測(cè)預(yù)警、協(xié)同優(yōu)化和科學(xué)決策的水平，打造一批新型的智能工廠，引領(lǐng)更多的石化企業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

審核編輯 ：李倩