三維數(shù)字化技術(shù)在化工智能工廠中的應用研究

張劍

摘 要：隨著計算機科學在各領(lǐng)域的應用，通過工業(yè)化與信息化的不斷融合，優(yōu)化智能化管理已經(jīng)成為新時代石化行業(yè)的發(fā)展目標。三維數(shù)字化工廠技術(shù)對于更高效、更安全的化工發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。介紹了三維數(shù)字化工程的基本概念和其在化工工程中的應用，展望了未來信息化在石化領(lǐng)域中的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：三維數(shù)字化;智能工廠;化學工業(yè);智能制造轉(zhuǎn)型

中圖分類號：TQ343?????? 文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）01-0116-03

Research on the application of 3D digital technology in chemical industry smart factory

ZHANG Jian

（Anhui Hefei Donghua Engineering Technology Co.，Ltd.，Hefei 230024，China）

Abstract：The chemical industry is an extremely important part of development plan and the pillar of social development.The development of chemical industry of great importance of modernization process.With the application of computer science in various fields，through the continuous integration of industrialization and information technology，optimizing intelligent management has become the development goal of the petrochemical industry.Three-dimensional digital plant technology is of strategic importance for efficient development and safety in petrochemical.This paper briefly introduced the concept and application of 3D digital engineering and the future development of information technology in the petrochemical field.

Key words：three-dimensional digitalization;smart factory;chemical industry;intelligent manufacturing transformation

化學工業(yè)一直是我國核心的工業(yè)組成部分之一，它不僅為各個領(lǐng)域提供充足的能源供應，也是現(xiàn)代高分子材料的支柱，其副產(chǎn)品更是可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供化肥、農(nóng)藥等化工產(chǎn)物和農(nóng)用塑料薄膜等有機材料，始終是我國發(fā)展的重點。然而，隨著現(xiàn)代建設走向高質(zhì)化和產(chǎn)業(yè)鏈化，傳統(tǒng)化工企業(yè)大多出現(xiàn)產(chǎn)能過剩、結(jié)構(gòu)性過剩，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理導致企業(yè)的能源效率較低等問題[1]。為此，在信息技術(shù)和計算機科學飛速發(fā)展的基礎上，以計算機3D建模和數(shù)字化模擬為基礎，對化工領(lǐng)域的傳統(tǒng)制造技術(shù)進行優(yōu)化，以進一步提高產(chǎn)能，并對整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行合理創(chuàng)新，最終達到產(chǎn)業(yè)鏈智能化，是化工企業(yè)新的發(fā)展方向[2]。

1 三維數(shù)字化工廠

1.1 三維數(shù)字化工廠的概念

在傳統(tǒng)的化工企業(yè)工廠中，相關(guān)的統(tǒng)計工作都是由人工完成，通過手寫或大量的EXCEL表格來記錄數(shù)據(jù)，效率低下且容易出錯，并且工作人員每一次的工作交接都會有隱藏的數(shù)據(jù)流失或文檔損壞的危險，人員的流動是企業(yè)不可避免的問題，這些因素都會對工廠數(shù)據(jù)保存有著潛在的威脅[3]。

數(shù)字化工廠的建立基礎就是以數(shù)字化模型、方法和工具構(gòu)成的綜合網(wǎng)絡，同時將其他擴展技術(shù)如仿真模擬和虛擬現(xiàn)實等有機結(jié)合在一起，通過強大的信息系統(tǒng)將工廠中所有的數(shù)據(jù)進行分類呈現(xiàn)，并將連續(xù)的數(shù)據(jù)鏈集成式管理，以提高整體產(chǎn)品生產(chǎn)鏈在整個生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)效率和設備的動態(tài)性能。以數(shù)字化工程和信息工程對企業(yè)和工廠進行輔助式的新發(fā)展模式被稱為“三維數(shù)字化工廠（DF）”[4]。

三維數(shù)字化工廠在工業(yè)領(lǐng)域的應用改變了工廠原本的工作模式，包括工廠的設備數(shù)據(jù)管理，更為便捷的安全、維護和檢修工作等 [5]。并且，三維數(shù)字化工廠與傳統(tǒng)的二維規(guī)劃不同，三維建模的存在使得物理空間的表達更為清晰和精準，對于任何出現(xiàn)的變化都可以在原來數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的基礎上進行直接模擬和評估。數(shù)字化工程為工程的設備、生產(chǎn)線等系統(tǒng)提供了多方位的精確數(shù)據(jù)庫，為高效便捷的生產(chǎn)需求提供了有力保障[6]。

1.2 三維數(shù)字化工廠的主要技術(shù)

工廠數(shù)字化的建成是計算機、數(shù)據(jù)分析等多種信息技術(shù)的交叉運用結(jié)果，通過對工廠生產(chǎn)和運營等環(huán)節(jié)進行建模模擬，來實現(xiàn)對工廠全方位、多角度的在線同步觀測和管理，其中，所使用到的技術(shù)包括數(shù)字化建模、優(yōu)化仿真、虛擬現(xiàn)實、軟件編輯與集成等多種技術(shù)，具體如圖1所示[7]。

在三維數(shù)字化工廠建成所應用的諸多技術(shù)中，數(shù)字化建模技術(shù)無疑是最為核心的模塊，數(shù)字化建模可以對工廠進行比例縮小，并按照設備參數(shù)和工藝流程在計算機中模擬重現(xiàn)。根據(jù)實際生產(chǎn)過程中的要求改變模擬的外部條件，還可以實現(xiàn)對整個生產(chǎn)流程的1∶1重現(xiàn)[8]。優(yōu)化仿真則主要用于對生產(chǎn)流程的時間、工序和不同工作流程之間的管理進行調(diào)整和模擬，如減少設備待機時間、緊湊生產(chǎn)工藝流程，減少生產(chǎn)過程中的無效時間，使得生產(chǎn)流程的效率達到最高。虛擬現(xiàn)實是在傳感器和感知設備的工作下，加強監(jiān)管人員對生產(chǎn)流程的沉浸式體驗感，便于控制設備與工序。軟件編輯與集成則是對設備的對接進行優(yōu)化以降低資源的浪費。

1.3 三維數(shù)字化技術(shù)在智能工廠中的應用優(yōu)勢

1.3.1 專業(yè)的數(shù)據(jù)模型

在化學工業(yè)領(lǐng)域中，設備和生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)是最能完整、真實地體現(xiàn)設備狀況和生產(chǎn)流程情況的直接渠道。完整的數(shù)據(jù)應當具有精準、直接、全面3個最為基礎的特征，當工廠出現(xiàn)需要更換或維修設備情況時，一般對設備的調(diào)整時間要達到30 d以上，而通過三維數(shù)字化平臺對設備的相關(guān)參數(shù)和以往的工作信息，可以大幅度加快信息采集的進程，提高工作效率[9]。

三維數(shù)字化工廠的建立具有特定的標準，在我國頒布的ISO 15926《工業(yè)自動化系統(tǒng)與集成及流程工廠》設備設施數(shù)據(jù)框架標準中明確規(guī)定了工程級三維數(shù)字化工廠的技術(shù)路線和數(shù)據(jù)模型建立流程。其工作范圍涵蓋大到工廠裝置系統(tǒng)，小到設備零件之間的連接關(guān)系，很好的保存了設備信息，為以后設備的調(diào)整和工藝的優(yōu)化提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎。

1.3.2 行業(yè)標準的規(guī)范

三維數(shù)字化技術(shù)建立的基礎是計算機科學和數(shù)據(jù)工程，經(jīng)過多年的發(fā)展與完善，數(shù)字化技術(shù)的標準已經(jīng)趨于成熟，行業(yè)標準的規(guī)范性使得不同工廠之間的交流和數(shù)據(jù)對接減少了許多風險，在設備的更新和工藝交流過程中保證了雙方數(shù)據(jù)的準確性[10]。

1.3.3 直觀的交互方

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用使得操作人員對設備數(shù)據(jù)具有很高的可視性和體驗感，即使不懂得計算機技術(shù)的設備管理人員也可直觀的體感數(shù)據(jù)的交互，減少了程序語言帶來的繁雜感。

2 三維數(shù)字化技術(shù)在智能工廠中的應用

2.1 三維數(shù)字化技術(shù)在地下設施管理應用

我國化工工廠的運輸系統(tǒng)都有部分鋪設在地下，具有分布廣、年代久的特點，對地下管道的管理和維護就變得相當困難，同時具有較大的工程隱患。利用三維數(shù)字化工程對地下管路進行建模重現(xiàn)，并通過信息化管理管道的信息，可以簡單明了地對地下管道的服役情況進行實時監(jiān)控，減少人力物力的消耗。利用三維數(shù)字化技術(shù)對地下管路系統(tǒng)進行建模管理還有地下設施工程數(shù)據(jù)整合、預設作業(yè)方案、管理施工、故障預警及評估等優(yōu)點。

2.2 三維數(shù)字化技術(shù)在安環(huán)管控中的應用

由于化工行業(yè)的特殊性質(zhì)，石油、天然氣、煤粉以及它們的加工產(chǎn)品均具有易燃易爆的特性，石油、天然氣中還含有有機硫、硫化氫等有毒物質(zhì)，不僅如此，高溫、高壓也是石油化工企業(yè)諸多設備的常見工作環(huán)境。所以，“安全第一”在化工企業(yè)中絕不僅僅只是口號。為了保證安全生產(chǎn)，化工企業(yè)都制定了嚴格的安全制度及具體的安全措施。而相對其他領(lǐng)域而言，化工工廠的安全管理范圍較廣，事故情況復雜，一旦出現(xiàn)問題，需要在極短的時間內(nèi)快速反應并針對性的處理。三維數(shù)字化技術(shù)的應用則將工廠內(nèi)各個設備參數(shù)和工藝流程的信息進行統(tǒng)籌，有助于對事故設備信息、相關(guān)流程的運行情況和危險性、人員疏散等多個方面進行分析和匯總，為安全防范和處理提供了堅實的數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)幫助。

2.3 三維數(shù)字化技術(shù)在腐蝕監(jiān)測和管理中的應用

在化工行業(yè)中，由于液相物料中經(jīng)?；祀s硫化氫、二氧化碳等酸性介質(zhì)，管道和設備的腐蝕問題較為嚴重;而一旦運輸管道等設備失效，則可能導致發(fā)生嚴重的液相物料泄露的問題。所以，設備和管道的腐蝕防護與管理是不可忽視的一部分。然而，石化工廠的生產(chǎn)流程繁多，管道運輸系統(tǒng)極為復雜，且在運輸石油的過程中，在液相物料的沖擊或酸性介質(zhì)的影響下，管道和設備的腐蝕問題受到很多因素影響。

利用三維數(shù)字化系統(tǒng)對液相物料的流速、pH值的檢測等信息進行模擬，在對相關(guān)裝置進行三維建模和條件施加的基礎上，同步使用傳感器則可以實現(xiàn)對整個工廠管道設備的在線腐蝕監(jiān)測與防護，指導腐蝕排查，還能做到預防腐蝕失效。

2.4 三維數(shù)字化技術(shù)在智能工廠應用展望

傳統(tǒng)化工工廠的信息處理方式不僅耗費巨大的人力、物力，準確率也遠遠不及三維數(shù)字化技術(shù)在智能工廠的應用，并且，在虛擬現(xiàn)實和軟件編輯與集成系統(tǒng)的支持下，工作人員可以更為簡單、便捷地對整個工廠流程進行在線監(jiān)控和管理，然而隨著計算機科學和信息工程的發(fā)展，三維數(shù)字化技術(shù)給化工工廠帶來的將不僅僅是設備系統(tǒng)的全面信息支持，也為工廠的管理提供更為流暢的優(yōu)化管理和應用前景，對工廠中繁雜的系統(tǒng)進行有機整合和調(diào)整，等比例按照實際的物理空間實景展現(xiàn)給管理人員，更為便捷地實現(xiàn)對系統(tǒng)的檢測、維護與管理。

3 結(jié)語

三維數(shù)字化工廠的建立對傳統(tǒng)化工企業(yè)的產(chǎn)業(yè)效率提升和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整有重大意義，其不僅可對實際工廠中的產(chǎn)業(yè)流程提供模擬重現(xiàn)和動態(tài)演示，使得工作人員可在電腦觀察到整個工廠中產(chǎn)品生產(chǎn)過程;也能對工廠生產(chǎn)流程進行調(diào)整和優(yōu)化，減少系統(tǒng)的無用時間，實現(xiàn)生產(chǎn)效率的提升;內(nèi)置的行業(yè)標準和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用更是可以提供生產(chǎn)流程的動態(tài)演示，加深員工對工作的了解。簡而言之，三維數(shù)字化智能工廠可以有效提高化工產(chǎn)業(yè)的效率，有著準確的數(shù)據(jù)支撐，和廣闊的應用前景及技術(shù)優(yōu)勢。

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