流程工業(yè)智慧煉化建設(shè)的研究與實(shí)踐

吳 青

（中海石油煉化有限責(zé)任公司，北京100029）

綜述與專(zhuān)論

流程工業(yè)智慧煉化建設(shè)的研究與實(shí)踐

吳 青

（中海石油煉化有限責(zé)任公司，北京100029）

結(jié)合煉化行業(yè)信息化發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)用煉化企業(yè)信息化評(píng)價(jià)方法，首次有針對(duì)性地提出了流程工業(yè)的智慧煉化建設(shè)應(yīng)經(jīng)歷“數(shù)字煉化、智能煉化和智慧煉化”3個(gè)步驟，以及各階段的目標(biāo)與重點(diǎn)內(nèi)容。詳細(xì)闡釋了智慧煉化建設(shè)過(guò)程中幾個(gè)重要與典型系統(tǒng)/應(yīng)用功能的設(shè)計(jì)，包括原油分子信息庫(kù)、智慧供應(yīng)鏈與價(jià)值鏈管理、生產(chǎn)運(yùn)行共享中心與專(zhuān)家遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)、用能管理系統(tǒng)、設(shè)備運(yùn)行性能優(yōu)化系統(tǒng)、一體化物流管理與客戶關(guān)系系統(tǒng)、智慧加油站和大數(shù)據(jù)應(yīng)用。該成果已應(yīng)用于某大型煉化企業(yè)，并為該企業(yè)成功開(kāi)展智慧煉化建設(shè)提供了技術(shù)支持。

數(shù)字煉化；智能煉化；智慧煉化；智慧供應(yīng)鏈；智慧價(jià)值鏈

信息化是中國(guó)加快工業(yè)化和現(xiàn)代化建設(shè)的必然選擇，深化互聯(lián)網(wǎng)+應(yīng)用與“兩化融合”正在改變石化產(chǎn)品市場(chǎng)的格局和用戶的消費(fèi)行為，使市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。在這種新態(tài)勢(shì)下，強(qiáng)化煉化一體化、大型化、規(guī)?；约澳茉磁c資源多元化發(fā)展的同時(shí)［1-3］，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)應(yīng)用、社交媒體等信息化新技術(shù)引領(lǐng)煉化生產(chǎn)、管控與經(jīng)營(yíng)模式的不斷變革，推動(dòng)了煉化企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型［4-5］。筆者從煉化企業(yè)信息化應(yīng)用水平的評(píng)價(jià)出發(fā)，提出從“數(shù)字煉化”經(jīng)“智能煉化”再到“智慧煉化”的煉化企業(yè)智能化工廠建設(shè)“三步曲”策略，并系統(tǒng)分析了煉化企業(yè)智能化工廠建設(shè)的思路、功能框架、行動(dòng)路線、關(guān)鍵技術(shù)等。

1 流程工業(yè)的智能工廠建設(shè)

在數(shù)字化走向智能化的過(guò)程中，德國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)都給出了不同的定義。其中，2011年“第四次工業(yè)革命”研究項(xiàng)目由德國(guó)聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部聯(lián)手資助，在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動(dòng)下形成了“工業(yè)4.0”，并上升為國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略。工業(yè)4.0核心［6］是建1個(gè)網(wǎng)絡(luò)（信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)）、3項(xiàng)集成（縱向集成、橫向集成、端到端集成）、8項(xiàng)計(jì)劃（標(biāo)準(zhǔn)化和參考架構(gòu)、管理復(fù)雜系統(tǒng)、工業(yè)帶寬基礎(chǔ)、安全和保障、工作組織和設(shè)計(jì)、培訓(xùn)與再教育、監(jiān)管框架、資源利用效率）和研究4個(gè)主題（智能生產(chǎn)、智能工廠、智能物流、智能服務(wù)）。

德國(guó)“工業(yè)4.0”有兩個(gè)主題，即“智能工廠”和“智能生產(chǎn)”。智能工廠是在數(shù)字化工廠基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理服務(wù)，提高生產(chǎn)過(guò)程的可控性、減少生產(chǎn)線人工干預(yù)以及合理計(jì)劃排程。智能工廠已經(jīng)具有了自主能力，可采集、分析、判斷、規(guī)劃；通過(guò)整體可視技術(shù)進(jìn)行推理預(yù)測(cè)，利用仿真及多媒體技術(shù)，將實(shí)境擴(kuò)增展示設(shè)計(jì)與制造過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器的相互協(xié)調(diào)合作，其本質(zhì)是人機(jī)交互。

流程工業(yè)［7］是加工業(yè)的一個(gè)大類(lèi)，其特點(diǎn)是對(duì)生產(chǎn)原料的連續(xù)加工過(guò)程，一般伴有化學(xué)、物理、相變等過(guò)程。與離散的制造業(yè)相比，流程工業(yè)具有生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)環(huán)境苛刻、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜且種類(lèi)繁多、存儲(chǔ)要求較高、公用工程供應(yīng)要求高、基礎(chǔ)自動(dòng)化水平高等特點(diǎn)，并且以安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期、滿負(fù)荷、優(yōu)質(zhì)、均衡、高產(chǎn)、低耗和減少污染為主要目標(biāo)，通過(guò)計(jì)劃調(diào)度、優(yōu)化操作、先進(jìn)控制等手段使過(guò)程實(shí)現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)，以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

煉油與石油化工是典型的流程工業(yè)，信息化與計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益滲透為煉油與石油化工過(guò)程的最優(yōu)設(shè)計(jì)、最優(yōu)操作與控制等創(chuàng)造了基礎(chǔ)，也為如何實(shí)現(xiàn)流程工業(yè)的智能工廠指明了方向。

2 煉化企業(yè)智能工廠的建設(shè)依據(jù)

2．1 信息化的發(fā)展

當(dāng)今社會(huì)正處在一個(gè)由工業(yè)社會(huì)過(guò)渡到信息社會(huì)的加速轉(zhuǎn)型時(shí)期。從資源角度看，信息化把信息作為重要的資源之一。從生產(chǎn)形態(tài)角度看，信息化使人類(lèi)的物質(zhì)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)、信息和知識(shí)的生產(chǎn)，由機(jī)器制造機(jī)器轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎?jì)算機(jī)制造機(jī)器和信息。

煉化企業(yè)的信息化構(gòu)架基本采用由美國(guó)AMR公司（Advanced Manufacturing Research）于 1992 年所倡導(dǎo)的三層模型結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。上層為業(yè)務(wù)計(jì)劃系統(tǒng)，包括ERP（企業(yè)資源計(jì)劃）和SCM（供應(yīng)鏈管理）等；中間層為制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）；底層為過(guò)程控制系統(tǒng)，包括DCS（分布式控制系統(tǒng)）和PLC（可編程邏輯控制器）等。MES一是把業(yè)務(wù)計(jì)劃指令傳達(dá)到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，二是將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信息及時(shí)收集、上傳和處理。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，煉化企業(yè)的信息化通過(guò)將上層的 ERP、SCM、E-Business（電子商務(wù)）、DSS（決策支持系統(tǒng)）與中層的EOM（企業(yè)經(jīng)營(yíng)模型）、MES以及下層的 DCS、PLC、ESD（緊急停車(chē)裝置系統(tǒng)）等進(jìn)行有機(jī)組合，用信息化手段與方式全面構(gòu)建煉化企業(yè)智能化生產(chǎn)技術(shù)的整體。

圖1 AMR公司提出的企業(yè)信息化三層模型示意圖

德國(guó)工業(yè)4．0、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、中國(guó)制造2025的提出，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為特征的新一輪科技革命正悄然興起，社交媒體、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)、石油分子工程等信息化新技術(shù)不斷成熟和普及，其應(yīng)用貫穿煉化企業(yè)設(shè)計(jì)、建造、生產(chǎn)與運(yùn)營(yíng)管理的各個(gè)方面，技術(shù)的創(chuàng)新甚至引發(fā)企業(yè)運(yùn)營(yíng)模式的重構(gòu)。

2．2 信息化評(píng)價(jià)方法

根據(jù)對(duì)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)以及最佳實(shí)踐的研究，煉化企業(yè)要實(shí)現(xiàn)從數(shù)字化到智能化的轉(zhuǎn)變，首先需要對(duì)企業(yè)的信息化能力進(jìn)行評(píng)估，為此提出了適合煉化企業(yè)智能化建設(shè)的信息化能力評(píng)估內(nèi)容、因素及等級(jí)（見(jiàn)表1），包括6類(lèi)能力（自動(dòng)化水平、數(shù)字化水平、系統(tǒng)優(yōu)化水平、一體化水平、基礎(chǔ)支撐水平、人員管理水平）的評(píng)估，每項(xiàng)能力中包括了對(duì)應(yīng)的能力因素，每項(xiàng)能力因素劃分了6個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)（0～5級(jí)）。表2為某大型煉化集團(tuán)公司各企業(yè)信息化能力評(píng)估結(jié)果。

表1 煉化企業(yè)智能化建設(shè)的信息化能力評(píng)估內(nèi)容、因素及等級(jí)

表2 某集團(tuán)煉化企業(yè)信息系統(tǒng)現(xiàn)狀及各項(xiàng)能力評(píng)估結(jié)果

根據(jù)上述能力評(píng)估結(jié)果，對(duì)照集團(tuán)公司發(fā)展戰(zhàn)略、信息化愿景，可以提出智能化實(shí)施的策略、內(nèi)容、路徑以及關(guān)鍵技術(shù)等。

3 煉化企業(yè)智能工廠的發(fā)展歷程

3．1 數(shù)字煉化

數(shù)字煉化是將一個(gè)真實(shí)有形的工廠映射到虛擬無(wú)形的網(wǎng)絡(luò)中，形成一個(gè)與現(xiàn)實(shí)工廠完全相對(duì)應(yīng)的、其功能可以局部或全部模擬工廠行為的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)或反映實(shí)物工廠真實(shí)的結(jié)果。因此數(shù)字煉化又可以稱(chēng)為“虛擬工廠”、“虛擬煉化”。隨著信息技術(shù)、實(shí)踐與管理范圍的不斷進(jìn)步與擴(kuò)大，信息化網(wǎng)絡(luò)化與數(shù)學(xué)化特征的更加體現(xiàn)，數(shù)字煉化概念的內(nèi)涵將不斷地?cái)U(kuò)充、豐富。

從管理和制造（運(yùn)營(yíng)）為中心的角度看，數(shù)字煉化包括了從工程設(shè)計(jì)、項(xiàng)目建設(shè)到生產(chǎn)、營(yíng)銷(xiāo)、管理與服務(wù)的數(shù)字化，并包含了上述各環(huán)節(jié)專(zhuān)業(yè)人員的知識(shí)、智慧和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行全面整合、集成，形成整個(gè)企業(yè)的數(shù)字化和現(xiàn)代化工廠模式。這種模式可依賴(lài)泛在網(wǎng)絡(luò)（如互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取企業(yè)內(nèi)外數(shù)據(jù)和信息，更有效地優(yōu)化生產(chǎn)組織的全部活動(dòng)，達(dá)到生產(chǎn)效率、物流運(yùn)轉(zhuǎn)效率和資源利用效率的最優(yōu)與最高化，其特征在于信息集成。

從設(shè)計(jì)角度看，對(duì)新建煉廠或改擴(kuò)建項(xiàng)目，為實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)項(xiàng)目全生命周期最優(yōu)化，在交付物理意義上的實(shí)物工廠的同時(shí)，提供以集成數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的“虛擬煉化”?！疤摂M煉化”以二維和三維圖形為載體，集成工藝設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、項(xiàng)目管理、調(diào)試開(kāi)車(chē)等數(shù)據(jù)為一體而形成“數(shù)字煉化”。

結(jié)合上述兩個(gè)觀點(diǎn)，同時(shí)考慮為生產(chǎn)所需原油（料）與能源的供應(yīng)以及產(chǎn)品儲(chǔ)運(yùn)、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)等提供服務(wù)，通過(guò)信息集成、得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的支持后，及時(shí)下達(dá)指令而使相互之間能夠協(xié)調(diào)、貫通、交互和全面優(yōu)化，這就是全面的數(shù)字化工廠或數(shù)字煉化。數(shù)字煉化可以為煉油化工廠展示數(shù)字化信息；利用數(shù)字化信息，策劃?rùn)z維修方案和措施；策劃改擴(kuò)建方案和措施，為智能煉化建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3．2 智能煉化

智能煉化是在數(shù)字煉化基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)，可以清晰地掌握產(chǎn)銷(xiāo)流程，減少流程線上的人工干預(yù)，即時(shí)正確采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)并合理編排生產(chǎn)計(jì)劃與進(jìn)度。智能煉化已經(jīng)具備了自主能力以及自我學(xué)習(xí)、自行維護(hù)能力。但是，本階段在采用信息化手段來(lái)改造制造模式時(shí)，更多地聚焦于分布式、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化的生產(chǎn)框架，生產(chǎn)系統(tǒng)的自治性和協(xié)同性還有待提高。

智能煉化的特征在于人機(jī)交互，具體包括以下內(nèi)容：1）自動(dòng)化（前提），從手工操作發(fā)展到自動(dòng)控制，從低級(jí)的單回路控制發(fā)展到高級(jí)復(fù)雜的系統(tǒng)控制，從單元先進(jìn)控制發(fā)展到區(qū)域集成優(yōu)化；2）數(shù)字化（基礎(chǔ)），表現(xiàn)為可計(jì)算性和可度量性；3）可視化（方法），將生產(chǎn)狀態(tài)、工業(yè)視頻等各類(lèi)信息高度集中和融合，加強(qiáng)對(duì)空間信息的管理，為操作和決策人員提供對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的感知；4）模型化（支撐），利用生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)和專(zhuān)家知識(shí)，將石化工廠的行為和特征的知識(shí)理解固化成各類(lèi)工藝、業(yè)務(wù)模型和規(guī)則，實(shí)現(xiàn)人與制造系統(tǒng)的融合及人在其中智能的充分發(fā)揮；5）集成化（核心），實(shí)現(xiàn)石化生產(chǎn)各個(gè)管理環(huán)節(jié)和各工序間的緊密銜接，從全局角度實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化；6）網(wǎng)絡(luò)化，指實(shí)現(xiàn)總線網(wǎng)、以太網(wǎng)、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)、外聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)更廣泛的深度融合；7）智能化，包括智能產(chǎn)品、智能設(shè)計(jì)、智能控制、智能調(diào)度、智能管理、智能決策；8）綠色化，指在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、使用整個(gè)生命周期中環(huán)境污染最小，提高資源利用率并降低能源消耗。

3．3 智慧煉化

從智能優(yōu)化制造角度來(lái)說(shuō)，智慧煉化是智能現(xiàn)代制造的第三階段，是在數(shù)字化煉化基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)智能煉化建設(shè)，通過(guò)信息化手段去改造或應(yīng)用于制造模式的改變或轉(zhuǎn)型，在分布式、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化的生產(chǎn)框架中，有針對(duì)性地解決生產(chǎn)系統(tǒng)的自治性和協(xié)同性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)“人、機(jī)、物”的協(xié)調(diào)與一體化。在這個(gè)階段，重點(diǎn)關(guān)注“人”在制造系統(tǒng)中的突出與核心地位，集成進(jìn)行人與機(jī)器的智能活動(dòng)，通過(guò)人機(jī)合作，去擴(kuò)大、延伸和部分代替、取代技術(shù)專(zhuān)家在制造過(guò)程中的腦力勞動(dòng)，把制造自動(dòng)化擴(kuò)展到柔性化、智能化和高度集成化，并獨(dú)立承擔(dān)分析、判斷、決策任務(wù)。其特征在于“人、機(jī)、物”的交互與互融。

另外一種理解可以從現(xiàn)代企業(yè)信息化的三層結(jié)構(gòu)來(lái)看。以ISA95和IEC62264標(biāo)準(zhǔn)下的三層結(jié)構(gòu)為原型，即過(guò)程控制系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)和企業(yè)資源規(guī)劃，參考由生產(chǎn)、維護(hù)、質(zhì)量和庫(kù)存等運(yùn)行管理系統(tǒng)共同構(gòu)成的制造運(yùn)行管理（MOM）體系結(jié)構(gòu)，將生產(chǎn)運(yùn)行管理功能與實(shí)際生產(chǎn)場(chǎng)景緊密連接起來(lái)，在新的企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境和技術(shù)背景下，聚焦于將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)與產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）相融合，使工廠具備自組織、自律、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力的現(xiàn)實(shí)狀況。

對(duì)比現(xiàn)代工廠的生產(chǎn)、服務(wù)和運(yùn)行模式，智慧化的主要功能性定義如下。1）三網(wǎng)信息全面感知與規(guī)范集成綜合分析。物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的融合是智能實(shí)現(xiàn)的根本，而信息獲取、異構(gòu)信息存儲(chǔ)和分析則成為智慧煉化的關(guān)鍵技術(shù)研究?jī)?nèi)容。2）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)知識(shí)自動(dòng)化與信息資源集成管理。從數(shù)據(jù)中挖掘知識(shí)，以知識(shí)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)管控的智能化是將人工智能與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)引入智慧煉化研究的核心思想。3）服務(wù)資源智能匹配，確保人機(jī)交互友好便攜。針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化以及定制化生產(chǎn)的需求，對(duì)分散資源進(jìn)行智能匹配，同時(shí)面向不同用戶開(kāi)發(fā)便攜友好的交互平臺(tái)，從而提供優(yōu)質(zhì)、高效的企業(yè)服務(wù)。4）生產(chǎn)操作機(jī)器換人，精益生產(chǎn)節(jié)能降耗。通過(guò)引入新能源、新材料技術(shù)、新型制造單元技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人等，實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、高安全保障、低消耗、低管理費(fèi)用的精益生產(chǎn)和環(huán)境友好型生產(chǎn)。5）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)，生產(chǎn)安全評(píng)估、預(yù)警、應(yīng)急系統(tǒng)一體化集成。根據(jù)生產(chǎn)流程進(jìn)行一體化安全防護(hù)，以避免生產(chǎn)故障、操作失誤及網(wǎng)絡(luò)癱瘓帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。6）物流運(yùn)輸、設(shè)備維護(hù)等重點(diǎn)環(huán)節(jié)的智能化，可在MES基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展和實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)一步豐富MOM活動(dòng)模型的內(nèi)涵與外延。

因此，煉化企業(yè)實(shí)施智能化工廠建設(shè)的基礎(chǔ)首先是數(shù)字煉化建設(shè)，核心是智能煉化建設(shè)，最終目標(biāo)是智慧煉化，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)值最大化。煉化企業(yè)智慧煉化建設(shè)的分階段策略與路徑見(jiàn)表3。

表3 煉化企業(yè)智慧煉化建設(shè)的分階段策略與路徑

4 各階段的核心與應(yīng)用

4.1 數(shù)字煉化的核心與應(yīng)用

數(shù)字煉化的核心是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)信息化和自動(dòng)化，主要體現(xiàn)在數(shù)字化員工、數(shù)字化資產(chǎn)和數(shù)字化操作方面。

1）數(shù)字化員工。其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)操作人員的動(dòng)態(tài)管理，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全。數(shù)字化員工的實(shí)現(xiàn)需要生產(chǎn)各環(huán)節(jié)員工的數(shù)字化支撐，其解決方案包括：①主要系統(tǒng)，含智能巡檢系統(tǒng)、門(mén)禁條碼識(shí)別系統(tǒng)、危險(xiǎn)源及環(huán)保監(jiān)控系統(tǒng)；②相關(guān)系統(tǒng)，包含生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、設(shè)備性能優(yōu)化系統(tǒng)和一體化物流管理系統(tǒng)；③智能設(shè)備，有智能手持設(shè)備和智能手環(huán)；④基礎(chǔ)設(shè)施，包括廠區(qū)無(wú)線網(wǎng)和三維數(shù)字煉廠。

2）數(shù)字化資產(chǎn)。其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備性能跟蹤，提高設(shè)備利用率。數(shù)字化資產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)需要各種裝置和設(shè)備數(shù)字化的支撐，其解決方案包括：①主要系統(tǒng)，即MES中的設(shè)備動(dòng)態(tài)管理和設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)；②相關(guān)系統(tǒng)，包含設(shè)備數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化與數(shù)據(jù)共享、設(shè)備備品備件采購(gòu)系統(tǒng)以及ERP系統(tǒng)中設(shè)備管理；③智能設(shè)備，有智能傳感器和智能計(jì)量設(shè)備；④基礎(chǔ)設(shè)施，包括廠區(qū)局域網(wǎng)和三維數(shù)字煉廠。

3）數(shù)字化操作。其目標(biāo)是全面展示生產(chǎn)過(guò)程操作，實(shí)現(xiàn)操作協(xié)同，提高效率并減少成本。數(shù)字化操作的實(shí)現(xiàn)需要各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的數(shù)字化支撐，其解決方案包括：①主要系統(tǒng)，包含MES、LIMS（實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)）、能源管理系統(tǒng)、設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)、一體化物流管理系統(tǒng)和加油站管理系統(tǒng)；②相關(guān)系統(tǒng)，包含先進(jìn)計(jì)劃系統(tǒng)、流程模擬與優(yōu)化系統(tǒng)以及物流運(yùn)輸GPS（全球定位系統(tǒng)）監(jiān)控系統(tǒng)；③智能設(shè)備，有DCS、PLC、智能分析儀以及運(yùn)輸車(chē)輛的智能終端；④基礎(chǔ)設(shè)施，有煉化物聯(lián)網(wǎng)（IT/OT，即信息技術(shù)/運(yùn)營(yíng)技術(shù)）和自動(dòng)控制系統(tǒng)。

4.2 智能煉化的核心與應(yīng)用

智能煉化的核心是生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)知識(shí)化、最優(yōu)化和可追溯，重點(diǎn)在智能生產(chǎn)管控、智能設(shè)備運(yùn)維、智能物流、智能加油站、智能銷(xiāo)售等方面開(kāi)展工作。

1）智能生產(chǎn)管控與原油分子信息庫(kù)。智能生產(chǎn)管控建設(shè)目標(biāo)為，基于生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度、操作的優(yōu)化控制，需要生產(chǎn)各環(huán)節(jié)智能管控的支撐。其核心的基礎(chǔ)工作之一是建立原油分子信息庫(kù)，這也是石油分子工程與管理的基礎(chǔ)［8-9］。

原油分子信息庫(kù)是一系列應(yīng)用的基礎(chǔ)，如：分子水平的生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化（圖2）、煉廠整體分子層級(jí)在線優(yōu)化以及集團(tuán)級(jí)原油采購(gòu)、多廠輸配和調(diào)合等。

圖2 基于石油分子工程的煉廠計(jì)劃調(diào)度與應(yīng)用示意圖

2）生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)共享中心（ROC）與專(zhuān)家遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)。ROC旨在建立一個(gè)協(xié)同的工作環(huán)境，集成所有必要資源，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理與優(yōu)化操作提供數(shù)據(jù)分析和決策支持工具，從而實(shí)現(xiàn)各專(zhuān)業(yè)的有效合作，提高生產(chǎn)系統(tǒng)管理效率，降低生產(chǎn)管理成本，實(shí)現(xiàn)卓越運(yùn)行，具備執(zhí)行可視化、結(jié)果可分析、風(fēng)險(xiǎn)可預(yù)測(cè)和運(yùn)營(yíng)可優(yōu)化4項(xiàng)功能。

專(zhuān)家遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)有：①工藝模型動(dòng)態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)工藝模型的在線計(jì)算，使專(zhuān)家可以實(shí)時(shí)掌握裝置工藝狀況，以便更好地分析；②專(zhuān)家遠(yuǎn)程診斷，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)家的遠(yuǎn)程技術(shù)咨詢服務(wù)，并實(shí)現(xiàn)專(zhuān)家對(duì)問(wèn)題響應(yīng)時(shí)間的設(shè)定，保證裝置問(wèn)題診斷的及時(shí)性；③專(zhuān)家遠(yuǎn)程巡檢，專(zhuān)家僅花費(fèi)少量的時(shí)間即可對(duì)裝置運(yùn)行狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程檢查，給出運(yùn)行評(píng)估意見(jiàn)及指導(dǎo)，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝置運(yùn)行問(wèn)題，防患于未然；④專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝、設(shè)備、操作等各類(lèi)專(zhuān)家知識(shí)的管理，為遠(yuǎn)程診斷提供支撐。

3）智能設(shè)備運(yùn)維。其目標(biāo)是基于設(shè)備運(yùn)行性能分析，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)，延長(zhǎng)設(shè)備生命周期。通過(guò)建立設(shè)備資產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，提升企業(yè)設(shè)備資產(chǎn)管理的感知能力、預(yù)測(cè)能力、分析優(yōu)化和協(xié)同能力，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備資產(chǎn)日常維護(hù)、生產(chǎn)運(yùn)行、評(píng)估優(yōu)化的智能化閉環(huán)管理，設(shè)備運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控、健康監(jiān)控、故障診斷、績(jī)效監(jiān)控、維修優(yōu)化、資產(chǎn)配置優(yōu)化，以及與計(jì)劃、調(diào)度、維修的協(xié)同。

4）能源管理系統(tǒng)。當(dāng)前各企業(yè)在MES的建設(shè)過(guò)程中，大多實(shí)現(xiàn)了部分的能源統(tǒng)計(jì)和監(jiān)控功能，但尚未能夠從能量流的角度對(duì)企業(yè)能源進(jìn)行統(tǒng)一的管理。能源管理系統(tǒng)的建設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)能源計(jì)劃、運(yùn)行、統(tǒng)計(jì)分析、評(píng)價(jià)、優(yōu)化的全流程管理；實(shí)現(xiàn)企業(yè)用能設(shè)備與公用工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，并進(jìn)行用能效率、成本、能量平衡的分析；建立生產(chǎn)廠蒸汽、燃料和動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化模型，并實(shí)現(xiàn)能源產(chǎn)、輸、轉(zhuǎn)、存、耗、銷(xiāo)整個(gè)過(guò)程的管理與優(yōu)化，內(nèi)容包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、用能分析及用能優(yōu)化。用能系統(tǒng)管理與優(yōu)化見(jiàn)文獻(xiàn)［4］。

5）一體化物流管理系統(tǒng)和客戶關(guān)系系統(tǒng)。一體化物流管理系統(tǒng)，是通過(guò)建立一體化物流的管理信息平臺(tái)，覆蓋成品油的出廠、一次物流、二次物流以及油庫(kù)的整個(gè)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，規(guī)范成品油收發(fā)、庫(kù)存、物流運(yùn)輸?shù)葮I(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置和運(yùn)輸配送優(yōu)化，降低物流成本，提高物流管理水平。其中，一次物流管理是為了實(shí)現(xiàn)成品油資源的統(tǒng)一調(diào)度、運(yùn)輸方案的整體優(yōu)化以及成品油在途運(yùn)輸和庫(kù)存管理的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)庫(kù)存合理化；油庫(kù)管理是為了實(shí)現(xiàn)油品從入庫(kù)到出庫(kù)全程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的信息化管理，以及油庫(kù)日常業(yè)務(wù)處理、監(jiān)控和管理的信息化；二次物流管理是為了成品油的配送優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)加油站主動(dòng)配送，提高運(yùn)輸效率，降低運(yùn)行成本。

客戶關(guān)系管理系統(tǒng)的建設(shè)是為了整合與打通各類(lèi)銷(xiāo)售渠道，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有類(lèi)型客戶集中統(tǒng)一管理，并建設(shè)統(tǒng)一的客戶關(guān)系管理平臺(tái)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)深入分析客戶價(jià)值，實(shí)現(xiàn)客戶精準(zhǔn)營(yíng)銷(xiāo)與提升客戶服務(wù)。

4.3 智慧煉化的核心與應(yīng)用

智慧煉化建設(shè)的最核心特征在于資源的敏捷優(yōu)化、全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同優(yōu)化和QHSE（質(zhì)量、健康、安全和環(huán)保）的監(jiān)控與溯源。其中，資源的敏捷優(yōu)化是利用智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源、產(chǎn)能、庫(kù)存等的敏捷優(yōu)化，例如原油快評(píng)、產(chǎn)品調(diào)合等；全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同優(yōu)化是使生產(chǎn)和供應(yīng)及時(shí)響應(yīng)市場(chǎng)變化，實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同優(yōu)化與調(diào)度；QHSE的監(jiān)控與溯源，就是實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、安全與環(huán)保的可視化、可追蹤。圖3是筆者對(duì)智慧煉化核心的理解。

圖3 智慧煉化核心示意圖

1）資源敏捷優(yōu)化與智慧供應(yīng)鏈。資源敏捷優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)需要供應(yīng)鏈上各個(gè)環(huán)節(jié)的敏捷優(yōu)化支撐，如：通過(guò)煉廠產(chǎn)品庫(kù)存、在途庫(kù)存、油庫(kù)庫(kù)存、加油站庫(kù)存的可視化，實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)存的動(dòng)態(tài)管理；通過(guò)油品移動(dòng)管理與優(yōu)化，降低二級(jí)庫(kù)存占有量，實(shí)現(xiàn)庫(kù)存優(yōu)化；通過(guò)一致性需求預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)短期生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃的優(yōu)化；通過(guò)市場(chǎng)需求、庫(kù)存動(dòng)態(tài)分析，為煉廠原油優(yōu)選提供支持。

供應(yīng)鏈管理是學(xué)術(shù)界和企業(yè)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)［10］，一些企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始探索智慧供應(yīng)鏈，即產(chǎn)供銷(xiāo)存一體化的建設(shè)及應(yīng)用。但他們僅是針對(duì)供應(yīng)鏈的部分環(huán)節(jié)/業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)化，尚未實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈的全局性優(yōu)化，且許多石化企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)流程及數(shù)據(jù)信息總體上處于分裂狀態(tài)，造成供應(yīng)鏈運(yùn)行低效。

智慧供應(yīng)鏈強(qiáng)調(diào)整體協(xié)調(diào)與全局優(yōu)化，統(tǒng)一優(yōu)化原油采購(gòu)、運(yùn)輸、煉廠生產(chǎn)、物流、產(chǎn)品銷(xiāo)售，在整個(gè)產(chǎn)供銷(xiāo)存管理與各業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)用妫⒓傻男畔⑾到y(tǒng)支持環(huán)境與工具。它包括了產(chǎn)供銷(xiāo)存大數(shù)據(jù)平臺(tái)、協(xié)同調(diào)度、一體化優(yōu)化、指標(biāo)可視化和影響因素關(guān)聯(lián)分析與績(jī)效管理5大項(xiàng)功能，每項(xiàng)功能為不同的業(yè)務(wù)提供支撐，見(jiàn)圖4。

2）全流程價(jià)值分析與優(yōu)化系統(tǒng)。全流程的價(jià)值分析及優(yōu)化系統(tǒng)涉及計(jì)劃、執(zhí)行、執(zhí)行跟蹤、調(diào)整的全作業(yè)流程，需要基于PIMS（生產(chǎn)過(guò)程信息管理系統(tǒng)）、ERP、MES等應(yīng)用系統(tǒng)，打通整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流。該系統(tǒng)包括了集成現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)價(jià)值管理相關(guān)數(shù)據(jù)，并填補(bǔ)數(shù)據(jù)空白；覆蓋計(jì)劃、執(zhí)行跟蹤、指標(biāo)績(jī)效、優(yōu)化建議的生產(chǎn)環(huán)節(jié)價(jià)值閉環(huán)管理；提高數(shù)據(jù)分析頻度，將事后總結(jié)變?yōu)槭轮锌刂?、事前預(yù)防；剖析動(dòng)因，將價(jià)值數(shù)據(jù)的表象鉆取挖掘至生產(chǎn)執(zhí)行的動(dòng)作，發(fā)掘影響價(jià)值的根源；實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)分析、滾動(dòng)分析，全面支撐業(yè)務(wù)改進(jìn)和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策。其功能設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。

3）智慧加油站。智慧加油站基于顧客需求，借助先進(jìn)的技術(shù)手段監(jiān)測(cè)、搜集加油站運(yùn)行過(guò)程中的各項(xiàng)關(guān)鍵信息，并運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)及時(shí)進(jìn)行信息的過(guò)濾、清洗、整理和挖掘，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)人員及流程的智能響應(yīng)和指揮決策。其實(shí)質(zhì)為，一切從顧客出發(fā)，實(shí)現(xiàn)智慧式的加油站管理和服務(wù)，提高運(yùn)營(yíng)效率，提高客戶滿意度，最終實(shí)現(xiàn)加油站收益最大化［11］。智慧加油站重點(diǎn)關(guān)注：①智能設(shè)施，如加油機(jī)、液位儀、智能手持POS（銷(xiāo)售終端）、掃碼槍等基礎(chǔ)設(shè)施的全面實(shí)施；②客戶體驗(yàn)，包括多渠道實(shí)現(xiàn)客戶互動(dòng)貼心服務(wù)，多樣、準(zhǔn)確地提供客戶商品與服務(wù)；③迎合客戶支付習(xí)慣，提供靈活多樣的快捷支付方式；④打通與主流電商平臺(tái)的渠道，提供成品油、非油品線上、線下一體化運(yùn)營(yíng)服務(wù)，即電商O(píng)2O（在線離線/線上到線下）問(wèn)題。某智慧加油站的功能設(shè)計(jì)及相關(guān)系統(tǒng)的集成見(jiàn)圖6。

圖4 智慧供應(yīng)鏈（產(chǎn)供銷(xiāo)存一體化平臺(tái)）功能設(shè)計(jì)

圖 5 全流程價(jià)值分析與優(yōu)化系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

圖6 智慧加油站功能設(shè)計(jì)及相關(guān)系統(tǒng)集成

4）煉化大數(shù)據(jù)應(yīng)用。利用大數(shù)據(jù)分析與人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)裝置、公用工程、關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)操作優(yōu)化、安全預(yù)警、事故預(yù)防、預(yù)測(cè)維修，通過(guò)對(duì)典型生產(chǎn)裝置與系統(tǒng)、生產(chǎn)廠、關(guān)鍵機(jī)組設(shè)備應(yīng)用，提高生產(chǎn)操作優(yōu)化水平，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)本質(zhì)安全，提高生產(chǎn)系統(tǒng)維護(hù)能力，降低非計(jì)劃停車(chē)。

大數(shù)據(jù)的應(yīng)用主要包括生產(chǎn)操作優(yōu)化、裝置報(bào)警與故障分析、設(shè)備安全與工況分析以及風(fēng)險(xiǎn)分析與預(yù)測(cè)維護(hù)等。圖7為煉化大數(shù)據(jù)應(yīng)用的功能設(shè)計(jì)。據(jù)此可以實(shí)現(xiàn)：①通過(guò)企業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)系統(tǒng)、大機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連接，并通過(guò)大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理、分類(lèi)與存儲(chǔ)；②基于分子煉油技術(shù)、設(shè)備物理模型、生產(chǎn)系統(tǒng)機(jī)理模型以及數(shù)據(jù)建模與分析技術(shù)，建立原料性質(zhì)、生產(chǎn)操作、設(shè)備運(yùn)行的大數(shù)據(jù)分析模型，并通過(guò)煉廠風(fēng)險(xiǎn)管理與操作經(jīng)驗(yàn)建設(shè)基于大數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型；③根據(jù)不同煉化生產(chǎn)企業(yè)的需求分析，建立適合企業(yè)具體情況的大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，包括生產(chǎn)操作優(yōu)化、報(bào)警與故障分析、設(shè)備安全、生產(chǎn)工況、風(fēng)險(xiǎn)分析、預(yù)測(cè)維護(hù)等。

圖7 煉化大數(shù)據(jù)應(yīng)用功能設(shè)計(jì)

5 小結(jié)

1）煉化產(chǎn)業(yè)面對(duì)國(guó)內(nèi)外資源劣質(zhì)化、多變的政策與市場(chǎng)環(huán)境、產(chǎn)品質(zhì)量升級(jí)、能源替代、新技術(shù)應(yīng)用等多方面壓力，借助信息化力量進(jìn)行智慧煉化建設(shè)，是實(shí)現(xiàn)煉化企業(yè)降本增效、轉(zhuǎn)型升級(jí)和提升競(jìng)爭(zhēng)力的最為重要的手段。2）流程工業(yè)煉化產(chǎn)業(yè)的智慧煉化建設(shè)，要以數(shù)字煉化為基礎(chǔ)，智能化建設(shè)為核心，智慧化建設(shè)為目標(biāo)，充分評(píng)價(jià)企業(yè)現(xiàn)有信息化能力，對(duì)照其發(fā)展愿景，充分利用現(xiàn)有信息系統(tǒng)，整合各種信息資源，實(shí)現(xiàn)信息資源價(jià)值最大化，并通過(guò)信息技術(shù)提升煉化企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)能力。3）數(shù)字煉化、智能煉化和智慧煉化沒(méi)有統(tǒng)一的定義，所以智慧煉化建設(shè)也就沒(méi)有統(tǒng)一的模式。最好結(jié)合各自企業(yè)的信息化情況，首先完成頂層設(shè)計(jì)，并以投入產(chǎn)出、經(jīng)濟(jì)效益為杠桿，突出典型系統(tǒng)、重點(diǎn)項(xiàng)目的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)短期速贏、彎道超車(chē)。

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Research and practice on construction strategy and technology of smart refinery for process industry

Wu Qing
（CNOOC Oil&Petrochemicals Co.，Ltd.，Beijing 100029，China）

Based on the analysis for the development trends of the oil&chemical industries，the construction of smart refinery is first proposed step by step as from digital refinery via intelligent refinery to smart refinery by using informatization evaluation of the oil&chemical industries.And also，the blueprints of each step are discussed in detail，as well as the functions and design of several important typical systems/applications，including crude molecular information asset，smart supply chain and value chain management，regional operations center（ROC） and the expert system of remote diagnoses，energy consumption system，equipment performance optimization system，integrated logistics management and customer relationship management system，smart gas station and the application of big data.The blueprint of smart refinery has been used in a mega-sized oil&chemical enterprise，and provides technical support for the top design of the enterprise′s construction of smart refinery.

digital refinery；intelligent refinery；smart refinery；smart supply chain；smart value chain

TE65

A

1006-4990（2017）12-0001-08

2017-10-23

吳青（1964— ），男，工學(xué)博士，教授級(jí)高工，研究方向包括石油分子工程、資源優(yōu)化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)、智慧煉化建設(shè)等，發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇。

聯(lián)系方式：wuqing@cnooc.com.cn