数字化石油炼制和石油化工工厂建设初探.pdf

第 4 9卷第 4 期 2 0 1 3 年 8 月 石油化工自动化 AUTOM ATI ON I N PE TR - CHE MI CAL I NDUS TRY Vo 1 ． 4 9 ，No ． 4 Au g u s t ，2 0 1 3 数字化石油炼制和石油化工 工厂建设初探 叶向东 中国石化工程建设有限公司， 北京 1 0 o 1 o 1 摘要 从数字化工厂的基本概念出发， 探讨了数字化工厂的发展； 分析了数字化设计、 工程建设数字化、 工厂管理数字化、 工程 状态数字化和维护管理数字化的基本内容 ； 提 出了数据 流控制 的概念 ； 揭示 了数 字化工厂不仅是 图纸数据化 、 工程建设管 理软 件等方面静态的呈现 ， 而且也包含了设 计过程 、 建设 制造 过程 、 运行过程等全过程状态和时间的动态控制 、 约束 、 记录 、 管理等 行为 。分析 了当前数字化设计、 建设和运行的现状； 探讨 了石油炼制和石油化工工厂数字化进程初级阶段 的工作 。特别提出采 用以数据库为基础 ， 设置数据接 口和数据管理 ， 实现各专业设计软件有机结合及数据集成化的实施 方案。 关键词 数字化工厂数字化设计 图纸数字化工程建设数字化制造过程和装配数字化工厂运行管理数字化维护 过程数字化 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 3 0 4 0 0 0 1 0 4 Pr e l i mi n a r y Di s c u s s i o n of I n t e l l i g e nt Di g i t a l Re f i ne r y a n d Pe t r o - Che m i c a l Pl a nt Co ns t r u c t i o n Ye Xi a n g d o n g S i n o p e c E n g i n e e r i n g I n c ． ， B e i j i n g ，1 0 0 1 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n e s s e n t i a l c o n c e p t o f d i g i t a l p l a n t ， t h e d e v e l o p me n t o f d i g i t a l p l a n t i s d i s c u s s e d，a n d t h e f u n d a me n t a l c o n t e n t o f d i g i t a l o n d e s i g n，c o n s t r u c t i o n，p l a n t ma n a g e me n t ， p r o j e c t s t a t u s a n d ma i n t e n a n c e ma n a g e me n t i s d i s c u s s e d ．T h e d i g i t a l f l o w c o n t r o l c o n c e p t i s a p p r o a c h e d ．I t p r o mo t e s t h a t d i g i t a l p l a n t n o t o n l y p r e s e n t s d i g i t a l b l u e p r i n t a n d s o f t wa r e a p p l i c a t i o n o n e n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n ma n a g e me n t ，b u t a l s o i n c l u d e s t h e d y n a mi c c o n t r o l ， l i mi t a t i o n， l o g g i n g ， ma n a g e me n t o n b e h a v i o r o f t o t a l p r o c e s s s t a t u s a n d t i me i n d e s i g n， c o n s t r u c t i o n， ma n u f a c t u r e ， a n d r u n n i n g ． Th e a c t u a l i t y o f d e v e l o p me n t o n d i g i t a l p l a n t i s e v a l u a t e d ；e l e me n t a r y p h a s e wo r k f o r d i g i t a l r e f i n e r y a n d p e t r o c h e mi c a l p l a n t i s d i s c u s s e d ．An e x e c u t i o n s c h e d u l e t o r e a l i z e t h e c o mb i n a t i o n a n d i n t e g r a t i o n o f a l l k i n d s o f p r o f e s s i o n a l d e s i g n s o f t wa r e wi t h a d o p t i n g d a t a b a s e a s t h e f o u n d a t i o n，d a t a i n t e r f a c e a n d d a t a b a s e ma n a g e me n t i s p r op os e d ． Ke y wo r d s d i g i t a l p l a n t ； d i g i t a l d e s i g n ； d i g i t a l b l u e p r i n t ； d i g i t a l e n g i n e e r i n g； d i g i t a l ma n u f a c t u r e a n d a s s e mb l i n g；d i g i t a l p l a n t o p e r a t i o n ma n a g e me n t d i g i t a l ma i n t e n a n c e p r o c e s s 十几年前 ， 国内的石油炼制和石油化工工业 的 工程设计开始普遍采用计算机辅助设计 ， 而当前又 新提出并积极发展数字化工厂的概念 。数字化工 厂有数字化设计 、 工程建设数字化 、 工厂管理数字 化、 工程 状 态 数字 化 和维 护 管理 数字 化 等基 本 内容 。 1 数字化工厂的基本概念 数字化工厂是新词汇 ， 但 又不是新概念 ， 是从 无纸化设计和计算机辅助设计发展而来 的。开展 较早 的是美国和欧盟大型客机的设计 ， 做到了图纸 数字化和设计模型化 。 数字化、 设计模型化 、 工程建设数字化 、 工厂管理数 字化、 工厂运行数字化 、 工厂状态数字化、 维护管理 数字化等。数字化的含义是采用智能工程建设 、 网 络资源、 信息化、 系统工程、 管理工程等技术， 充分 利用数据资源 ， 实现全新 的、 自动化 的、 智能的、 智 慧的工程建设和工厂整体建设。 稿件收到 日期 2 0 1 3 0 4 1 4 。 作 者简 介叶向东 1 9 5 3 一 ， 男 ， 广东广 州人 ， 1 9 8 2年毕业 于抚顺 石 油学 院 自动化系过程 自动 化专业 ， 现就职 于 中国石 化工程 建设 有 限公 司， 从事石油化工 自动化设 计工作 ， 任教授级 高工 ， 副总工 数字化工厂是一个广义的概念 ， 内容包括图纸 程师， 已 发表论文多篇。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化 工 自动化 第 4 9卷 图纸数字化实现 了非手工描绘 图纸来完成设 计 ， 完全采用计算机来实现设计图纸及 图纸所不具 备的其他设计功能。数字化 图纸的意义并不在于 节约纸张， 而在于图纸的正确 、 检索的容易 、 查询的 便捷和工程施工建设效率的提高。 设计模型化将设计图做成三维数字模型， 实现 零部件的全方位设计 、 材料检查和互相关联配合检 查， 在计算机上实现设备模型仿真组装， 而不仅限 用于广告演示 。 工程数字化实现 了施工管理和控制的程序化 和流水作业化， 彻底消除仓储 、 物流 以及施工 的散 乱、 粗放和人为的不规则因素 。 工厂管理数字化 的基本形式是企业资源运营 管理系统的应用 。 工厂运行模型化 和工厂状态数字化则反映 了 工厂运行情况和设备情况。 数字化工厂不仅为用户提供一个最终“ 产品” ， 主要应用领域有三个 设计过程 、 制造或施工建设 过程 、 工厂运行 产 品使用 和维护过程。 2 数字化设计 数字化设计有三个层次 图纸数字化、 设计数 字化和设计过程数字化， 其中还贯穿了规则数字化 和经验数字化。 2 ． 1 图纸 数字化 图纸数字化不仅实现 了图纸数据化和计算机 制图， 而且实现 了设计模型化和三维图形设计 ， 并 在计算机上实现了制造和装配仿真， 从根本上解决 了零部件组装和配合问题。目前 ， 部分设计已经采 用了三维图形设计 ， 包括设备 、 管道 、 结构、 框架等 装备的机械组装配合 和相应的计算 。设计模型化 主要是实现机械配合和力学仿真。 2 ． 2 设计 数 字化 设计数字化实现设计概念和内容的数字化 ， 这 是图纸本身无法描述 、 体现的， 其 中包括专业间的 资料、 数据提交 ， 计算过程 ， 静态和动态过程仿真 。 美 国过程 自动化专家辛斯基在 1 9 9 3年曾经来 中国 介绍过数字实验室 ， 在笔记本电脑上就可以实现过 程控制实验室 的仿真。在设计之前就可 以验证设 计方案 ， 预知过程控制的静态和部分动态结果； 可 以实验 、 设计 、 验证和选定过程控制方案。 2 ． 3 设计过程数字化 就设计图纸而言 ， 仅图纸数字化是不够的。 目 前 的应用软件即使可以留有修改标记和版次标识 ， 还做不到真正的版次设计和设计全程追溯。设计 过程数字化就是要实现设计全过程 的数字描述和 记录， 实现设计信息流的数字化。其应用之一就是 实现严格规范的版次设计和全过程追溯 ， 可以减少 和避免设计过程中出现的错误 ， 清楚地检查任何一 个设计环节和设计数据流的情况 ， 实现设计全过程 严格的质量控制和进度控制 ， 解决人为因素形成的 偏差。通俗讲就是可 以准确追溯设计全过程中专 业 、 岗位、 时间、 位置、 过程等信息， 一旦出现问题都 有“ 案 ” 可查 。 2 ． 4 规则数字化和经验数字化 规则数字化是用计算机来设定和检查设计过 程中的边界条件和优选方案 ， 将设计规则变成设计 过程中的限制条件和出错检查。在很 多优秀的设 计软件 中都设有该类限制条件和出错检查。规则 数字化则将此类初步的限制 、 约束、 检查和提示扩 展到设计的每一个环节 ， 同时还应根据当前的设计 条件给出可以采用的方案和优选的方案 ， 实现设计 “ 路标化” 和“ 傻瓜化” 。 经验数字化是一个设计工作的专家系统 ， 把设 计和实践的经验变成经过量化的数据， 把标准化的 设计规定变成数据化的规范， 通过软件应用到设计 工作 中， 其优越性不言而喻。 3 工程 建设数 字化 3 ． 1 制造过程和装配数字化 工程建设数字化是对于流程工业来说 的， 对制 造加工业而言 ， 则是制造过程和装配数字化。制造 过程和装配数字化首先是在计算机上实现加工过 程仿真和装配过程仿真 。在实际制造过程和装配 过程中， 计算机系统要实现全过程 的 自动化 ， 同时 要监测、 记录、 评价整个加工制造过程及装配过程 ， 实现全过程无差错、 可追溯 、 可查询 。全过程的 自 动化实际上就是实现装配的程序化和机械化 ， 这是 数字化设计和过程仿真的进一步延伸 。 制造过程和装配数字化是实现 自动化流水线 的基础 ， 也是多功能柔性生产线的基础 。1 O年前 ， 德 国的汽车生产线就实现 了差异化订单 生产 。在 同一条生产流水线上可同时生产不同品牌 、 不同型 号、 不同规格的小汽车， 做到了流水线上不 同工位 顺序的车型差异化及多样化。这种柔性生产线没 有数字化设计是办不到的， 但仅有数字化设计还远 不够 ， 还要在数字化设计的基础上 ， 实现制造和装 配数字化 ， 要把设计数据转化成每一零部件 的制造 和整车装配及制造的程序和工序 ， 实现数字化生产 流水线。 零部件生产和管理数字化是数字化生产流水 线的基础 ， 实际上是设备生产 的子系统 ， 而零部件 管理 、 配送的数字化是数字化生产流水线的先决条 件。排列在待装配位置上 的不同规格零部件必须 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 叶向东．数字化石油炼制和石油化工 工厂建设 初探 依次准确地运送到装配工位上 ， 并恰好用于运行到 该工位的待装配设备 。例 如不 同型号小汽车需 装配不同规格 的车门， 当流水线上的待装配小汽车 底盘运行到车门装配工位时， 待装配车门必须恰好 是这 台小汽车应装配的规格， 下一个或上一个车门 可能就不是此规格 的， 每一批 、 组 中的各车门可能 是不相同的。同时， 不 同规格车门的装配动作也可 能不一样 。只有数字化生产 流水线才能做到无差 错配送和无差错装配 ， 实现准确、 高效率的柔性生 产流水线 。 数字化订单也是不容忽视的。顾 客在销售部 买车的时候 ， 要填写一份规格单 ， 在规格单上选择 所需车的规格 。这份规格单就会生成一份数字化 订单 ， 送到设计和制造计算机上 ， 分解并处理成所 有零部件的制造程序和数字化生产流水线的数据 ， 排出零部件的生产和派送进度 ， 并按进度发出流水 线生产订单 。顾客可以及 时了解到他所订购的汽 车何 时运行到生产流水线上的哪一个装配工位 ， 何 时完成 。在装配期间， 还可以在远程参观室的显示 屏上看到其订购的、 正在装配的汽车。德 国的某调 节阀设计 制造 就部分 实现 了数 字化设 计 和制造 过程 。 当然 ， 流程工业 的生产更复杂 ， 实现柔性或灵 活性生产难度更大一些。 3 ． 2工程建设数字化 工程建设数字化与制造 和装配数字化有所不 同， 所“ 制造和装配” 的对象是工厂 ， 对于石油化工 行业 ， 就是石油炼制或石油化工工厂。工程建设数 字化也有单台设备 、 部件和建设材料的采购 、 制造 、 仓储 和配送 以及施工安装两大部分 。目前 ， 这两大 部分已经开始部分采用数字化管理， 完全实现数字 化还有很多开发和研究工作要做。 对于施工管理 同样应当采用数字化 管理 。 目 前已经有了单独 的施工管理软件 ， 应用时要先把设 计图纸转化成施工数据或把数字化设计成 品直接 转化成施工数据 ， 该软件就会把材料分解成详细的 材料清单和配送时间、 地点 ， 并分解 出施工工序 ， 适 时向仓储 、 物流部门下达配送指令和向施工部门下 达施工指令 ， 实现在整个施工过程 中， 准确地指挥 、 实施 和了解施工 进度和过程 。例如 某根工艺管 线的安装 、 焊接 、 打压情况 ， 管道上连接的设备 、 阀 门、 仪表等部件和器材 的安装情况等 ， 这些数字化 施工管理必须有数字化设计的基础才能实现， 目前 还只能实现简单 、 初级 、 粗略的施工分解和定性的 管理 。现只有个别 的国外项 目在勉强地被动尝试 这类软件。 4 工厂运行和维护过程数字化 工厂建成投运以后 ， 就要过渡到工厂运行和维 护过程数字化 。工厂 企业 运行数字化也有两个 部分 工厂生产 、 经营、 管理的数字化 ， 工厂运行状 态的数字化。近些年来流行 的企业资源运营管理 系统 E R P 就是生产、 经营 、 管理 的数字化。E R P 根据原料和产品的市场信息及生产模型进行运算 和预测 ， 按照市场情况和产品需要下达生产指令 、 产品订单 ， 并且计 算 出经济效 益。市场信息是输 入 ， 生产模型是工厂 的加工处理模型 ， 包括处理能 力 、 生产条件 、 边界条件 、 设备约束条件和经济运行 模型， 计算结果形成产品订单、 生产方案和生产指 令。工厂生产 、 经 营、 管理 的数字化是数字化工厂 运行 的核心 ， 也是用户最主要 的与经济效益密切相 关的应用。 工厂运行状态数字化反映工厂生产过程和设 备资源的状态 ， 计算机通过处理生产过程和装备资 源的数 据 ， 得 到工艺 流程以及 静设备 、 动设备 、 阀 门、 仪表等设备运行状态， 建立工厂运行状态模型， 评价和预测损耗 、 老化和实际使用效率等情况 ， 适 时提 出需要维护 和更换的时间和工作任务单 。工 厂状态模型会记录所有 的运行变化和维护过程 ， 呈 现出工厂各时间点和当前的所有设备 、 部件的状态 和记 录 。 5 数字化工厂的初始 数字化工厂并不是简单 的设计图纸数据化 ， 而 是工厂设计 、 工程建设 、 工厂运行的动态状态和活 动的模型。数字化设计是从设计文件数据化加上 设计数据模型化发展完成的， 仅仅是数字化工厂初 级 的、 静态的一部分。因此 ， 数据化只是数字化简 化形式的初级阶段。 5 ． 1 设计文件数据化 目前 ， 石油炼制和石油化工工厂的设计工作已 经全面实行计算 机辅助化 ， 实现 了设计文件数据 化 。设计数据化、 软件化的宗 旨 提高效率 、 减少 差错、 提高质量 、 减轻负荷。其次要发展设计过程 数据化 ， 除了设计文件 的数据外， 还有设计 中间数 据和成品数据 ， 要实现设计数据流的控制 设计输 人 、 上游资料 、 中间数据、 计算及支持数据 、 下游资 料 、 设计结果 、 成品数据等 ， 最后 由成品数据产生设 计成品 图纸或模型 。 交换资料 的数据化实际是设计半成品的输入 和输 出， 包括专业间互提资料和对外资料。对外资 料有分包资料、 设备制造资料、 采购资料和安装资 料等。 设计数据流 的计算机管理实现 了设计工作流 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 石油化工自动化 第 4 9 卷 水线化 ， 只有规则化的数据流才能做到设计工作 的 明确分工 、 任务分解、 确定工时， 才能尽量排除人为 因素和不确定因素， 做到准确的进度控制 。 在数字化设计的初级阶段 ， 先要实施在数据库 基础上的各专业设计软件的有机结合及数据集成 化。采用以数据库为核心的集成平台 ， 与各应用软 件有机链接的方案 ， 这种集成化不是、 也不可能 由 一 个大型软件包来实现 ， 而是采 用数据接 口的方 式 ， 充分利用和发挥各个应用软件 的功能和优势， 把数据充分利用起来。在综合数据库的基础上 ， 采 用设计数据管理软件控制和管理数据的版次和流 向， 确定数据的有效性 。按照设计流程 ， 通过各专 业的设计接 口， 调用 、 组合形成并控制设计数据流 ， 集中控制 、 分散运行也是当今有效利用计算机及网 络资源的优选方式。用设计数据流控制 的方式进 行初步的进度控制 、 质量控制、 工时控制和成本控 制 ， 提高效率、 减少差错、 提高设计质量 、 降低设计 劳动 强度 ， 同时也 做 到 了工程 建设 费用 的部 分 控制。 用户不仅需要看到图纸成品， 也希望看到和利 用设计成品数据。设计成 品是 由成品支撑数据产 生的， 对于不同软件产生 的设计成 品支撑数据 ， 可 以转换成统一的数据结构， 用户可以实现查询 、 浏 览、 观察、 标识、 打印等功能以及交付后的使用和修 订， 解除各软件对于成品数据的约束和限制。 数字化设计要做到大 、 中、 小规模兼容 ， 简便好 用 ， 国内外项 目通用 。 5 ． 2 工程建设数据化 进一步实现设计与现场相结合 ， 设计、 采购、 施 工集成化； 设计与施工管理相结合 ， 实 现灵活 、 方 便、 高效、 实用的数据化平台。目前的软件功能已 经实现了设计 、 施工形式的根本转变， 设计人员配 合施工已经从老三大件 图、 笔、 本 变成了新三大 件 电脑、 手机、 相机 。材料管理 已经开始采用材 料管理软件 ， 实现材料的代码化和采购、 仓储和配 送的信息化 。 施工管理数据化是工程建设数据化的一部 分 ， 需要引进 相应 的软件 。具体 应用 时 ， 要将 工 程项 目的数据设计文件转变成施工数据 ， 实 现设 计文件工程化 ， 实现设计控制 、 采购控制 、 施 工控 制 ， 延伸到材料控 制 、 进度控 制、 费用控制 、 人 员 控制等。 5 ． 3 工厂运行数据化 国内的石油炼制和石油化工工厂已经全面采 用了分散型控制系统 ， 建立 了数字化应用基础 ， 初 步实现 E RP ， 部 分 实 现 了工 厂 运 行 管 理 系 统 ME S 。在过程控制和模型化方面也有 了一定 的 实践。接下来就需要进 一步建立工厂运行状态 的 数学模型， 开展数字化 的试验和开发工作 。 6 结束语 设计改革是数字化设计 的基础和前提 ， 包括设 计文件和资料 的形式 、 格式 、 方法、 体 系， 确实需要 提高认识 、 转变观念 、 树立思想 、 建立规则 、 稳步创 新 。数字化设计要与模块化 、 标准化相结合 ， 应 当 脚踏实地 、 实事求是 、 总体规划 、 细致做起、 分步实 施、 急用先行 。 中国石化集 团公 司 已经开 始 了数 字化 工厂 的探索 ， 中国石化工程建设公司也开始 了数字化 设计 的研究 ， 这将 是一 个 曲折 、 漫长 的历程 。数 字化工厂是未来工厂的发展方 向， 现在就要有意 识地为此进行尝试 、 改革 、 建立基 础 ， 同时需要量 力而行 、 循序渐进 、 不断探索。 2 0 1 3 GE本特利 内华达在线学院正式上线 G E检测控制技术旗下的本特利内华达在线学院于 2 0 1 3 年 6月 3 O日正式上线学院的建立将为广大设备状态监测 的用户了解 G E本特利内华达的产品、 解决方案和应用案例提供很好的互动平台。我们荣幸地邀请您注册成为学院的成 员， 优先体验这座虚拟学院的强大功能。 在这座虚拟学院里 ， 学员不仅能够查阅到最先进的设备状态监测和资产管理技术及产品信息， 还可以从 GE本特利内 华达的技术专家那里分享到多年的实践经验。学院开设在线图书馆、 培训中心、 多媒体剧场、 技术交流中心等虚拟学堂， 并 有产品专家定期进行成功案例讲座和答疑解惑。经过注册并通过身份审核后， 学员就可以浏览和下载技术资料， 参加在线 培训并进行技术交流。 随着越来越多的学员的加入 ， 互动平台将会越来越活跃， 希望这座学院能够成为学员与 GE专家沟通交流的场所 要 了解更多， 请登录 h t t p s ／ ／ g e ． we b v e p ． c o r n ／ p o r t a l ／ B N - A c a d e my ／ l o g i n ／ l a n g Rz h _ C Nmc c 1 通用电气检测控制技 术 上海 有 限公 司 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m