本文根據(jù)智能工廠的特征，探討智能工廠工程設計階段工藝系統(tǒng)數(shù)字化、信息工程、自控、電信、電氣、管道、設備和結(jié)構(gòu)專業(yè)包含的內(nèi)容。
《中國制造2025》指出：推進制造過程智能化，在重點領域試點建設智能工廠、數(shù)字化車間，加速智能工廠在工業(yè)行業(yè)領域的應用推廣?！秶抑悄苤圃鞓藴鼠w系建設指南》(2018版)進一步完善了智能制造標準體系，其中涉及石油化工行業(yè)的重點是：智能工廠工程設計、智能工廠交付、智能生產(chǎn)和集成優(yōu)化等標準，主要用于規(guī)定石油化工智能工廠工程設計、建造和交付等建設過程。
石油化工智能工廠(下文簡稱智能工廠)是以現(xiàn)代工業(yè)技術為基礎，采用成熟的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化技術，圍繞生產(chǎn)管理控制、設備運行、質(zhì)量控制、能源供給、安全應急等五項核心業(yè)務，采取關鍵裝置優(yōu)化控制，計劃調(diào)度操作一體化管控，能源優(yōu)化減排，安全風險分級管控、生產(chǎn)績效動態(tài)評估等關鍵措施，著力提升企業(yè)生產(chǎn)管控的感知能力、預測能力、協(xié)同能力、分析優(yōu)化能力，為企業(yè)經(jīng)營管理綜合效益和競爭力提升提供了堅實的保障，并能夠最終幫助企業(yè)實現(xiàn)高效、綠色、安全、良好的管理目標。
智能工廠區(qū)別于常規(guī)工廠，具有數(shù)字化、模型化、自動化、集成化、智能化等特征，現(xiàn)階段智能工廠的建設絕大部分采用先實施工程建設，投產(chǎn)后再進行智能工廠改造的逆向建模過程，是一個從設計—施工安裝—運行的過程，本文根據(jù)智能工廠的特征，探討智能工廠工程設計階段各要素包含的內(nèi)容。智能工廠的主要特征如圖1所示。
圖1 智能工廠的主要特征示意
通過對智能工廠各設計要素的研究，以智能工廠的主要應用為主線，首先將智能工廠各功能模塊與各專業(yè)設計聯(lián)系到一起，找出它們之間的關系，讓智能工廠繼承設計階段的成果，交付可繼承和重復應用的工藝模型和三維模型及數(shù)據(jù)；根據(jù)智能工廠對數(shù)據(jù)及接口的需要完善設計，避免或減少工廠建成后再進行智能化改造。其次，從正向建模出發(fā)，以智能工廠的特征為目標，在設計階段設計合理的智能檢測儀表，獲得足夠的工藝運行數(shù)據(jù)、設備運維數(shù)據(jù)、安全環(huán)保數(shù)據(jù)。對于智能工廠，工程公司除按常規(guī)進行設計外，在設計階段還需要探討各主要專業(yè)包含的技術要點。
1、工藝系統(tǒng)專業(yè)主要工作探討
1.1 工藝系統(tǒng)數(shù)字化設計
智能工廠工程設計以數(shù)字化設計為基礎，使用一體化設計平臺。常用的一體化設計平臺有COMOS一體化設計平臺、SmartPlant Foundation集成平臺和AVEVA設計平臺。根據(jù)智能工廠數(shù)字化設計及交付的總體要求，選擇使用的軟件設計平臺。
1.2 工藝模擬優(yōu)化
工藝模擬軟件主要有Pro/II，Aspen Plus，Aspen HYSYS等，用于工藝流程模擬計算。智能工廠模式下的工藝流程模擬結(jié)果不僅為工藝、系統(tǒng)設計與計算提供了基礎數(shù)據(jù)，而且該數(shù)據(jù)和模型同樣可以應用到運營階段。模擬軟件不僅為工程技術人員優(yōu)化生產(chǎn)及設計提供了強大的工具、模型數(shù)據(jù)基礎，而且在設計優(yōu)化、故障診斷、新產(chǎn)品開發(fā)、裝置生產(chǎn)能力標定、產(chǎn)品質(zhì)量提高、尋找裝置“瓶頸”、制定合理的改造方案、優(yōu)化操作和方案評估等方面也有很好的應用。
1.3 提出工藝過程的智能化需求
在工程設計階段，需要考慮智能工廠中工藝過程的需要，提出工藝檢測參數(shù)條件。例如：工藝管道的腐蝕監(jiān)測，根據(jù)同類裝置易發(fā)生腐蝕的具體位置，設置腐蝕監(jiān)測的重點參數(shù)，同時還要考慮環(huán)境的影響。因此，檢測點的設置依據(jù)是根據(jù)裝置及設備腐蝕機理、工藝操作參數(shù)、介質(zhì)相態(tài)及介質(zhì)關鍵區(qū)域流體特性等確定檢測參數(shù)和位置。
在工廠運行時需進行設備健康診斷即設備監(jiān)控與預警。對每一類設備，根據(jù)其特點設置溫度、壓力、流量、振動、泄漏、腐蝕等關鍵參數(shù)信息。其中設備本體的泄漏、腐蝕等參數(shù)由設備專業(yè)提供給工藝系統(tǒng)專業(yè)，再由工藝系統(tǒng)專業(yè)體現(xiàn)在管道和儀表流程圖及下游專業(yè)條件中。
2、信息工程專業(yè)主要工作探討
智能工廠信息管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)符合GB/T50609-2010《石油化工工廠信息系統(tǒng)設計規(guī)范》和GB/T26335-2010《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)規(guī)范》的要求。系統(tǒng)總體架構(gòu)應具備可擴展性，按照工廠的實際需要，選擇和優(yōu)化所需功能模塊設計信息系統(tǒng)，其重點是基礎設施的規(guī)劃。確定系統(tǒng)間接口和集成方法，總體架構(gòu)規(guī)劃應按照工程架構(gòu)整體的層次化結(jié)構(gòu)，分別按基礎設施、信息服務及信息化應用進行展開。智能工廠信息管理系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。
圖2 智能工廠信息管理系統(tǒng)總體架構(gòu)示意
信息工程專業(yè)在智能工廠信息化中起主導作用，目前信息工程專業(yè)工程設計中應主要包括：信息系統(tǒng)的總體架構(gòu)及子管理系統(tǒng)工程設計、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)工程設計、信息系統(tǒng)硬件及軟件工程設計、信息系統(tǒng)安全工程設計、信息機房工程設計等。各應用系統(tǒng)、應用子系統(tǒng)按規(guī)劃設計，可避免重復設計并符合長期發(fā)展的整合要求。在規(guī)劃與設計工廠信息系統(tǒng)工程中，可適當調(diào)整相關內(nèi)容，滿足業(yè)務需要。智能工廠應建立全廠性骨干網(wǎng)局域網(wǎng)系統(tǒng)，用于企業(yè)資源管理信息的傳輸。
智能工廠信息管理系統(tǒng)采用控制和信息管理系統(tǒng)一體化架構(gòu)，應與自控、電信、電氣等專業(yè)設計相互協(xié)調(diào)。辦公和生產(chǎn)管理網(wǎng)、電信網(wǎng)、安保網(wǎng)、工控網(wǎng)、電氣自動化網(wǎng)等在物理、鏈路、網(wǎng)絡等多個層面實現(xiàn)一體化設計，避免重復建設、降低成本。
3、自控專業(yè)主要工作探討
自控專業(yè)在智能工廠工程設計中占有重要地位，是生產(chǎn)過程信息數(shù)據(jù)的主要來源，是實現(xiàn)智能工廠過程控制的關鍵。主要工作包括：智能儀表選型規(guī)定、過程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)及選型、基于集成工作平臺的設計和數(shù)字化移交。
自控設計需考慮選擇一體化的過程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)DCS，SIS，GDS，CCS，實驗室數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等既相互獨立、又互聯(lián)互通。一體化控制系統(tǒng)應具有高度智能化，不僅實現(xiàn)對過程數(shù)據(jù)的采集，對智能設備本身具有自我分析、判斷、規(guī)劃能力，在充分實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)集成的基礎上，實現(xiàn)整個工廠生產(chǎn)控制設備管理系統(tǒng)的集成。
基于智能工廠的儀表選型，確定儀表采用的通信協(xié)議。目前工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集大體可以分為有線和無線兩類。有線方式主要通過4-20mA+HART，F(xiàn)F-Hl，Profibus PA等協(xié)議的智能儀表完成；無線方式主要有基于GPRS方式、基于WirelessHART協(xié)議、WIA-PA協(xié)議等實現(xiàn)。
智能工廠框架下，各種智能設備的數(shù)字化信息應符合GB/Z 32235-2015《工業(yè)過程測量、控制和自動化生產(chǎn)設施表示用參考模型(數(shù)字工廠)》，IEC/TR 62794：2012標準的要求。
根據(jù)智能工廠數(shù)字化交付的總體要求，選擇不同軟件平臺進行交付。目前石油化工廠的自控設計主要有基于SmartPlant和AVEVA集成平臺。自控專業(yè)應用AVEVA設計平臺，主要采用三種工具：與工藝系統(tǒng)專業(yè)配合使用AVEVA Diagrams完成PID的設計，采用AVEVA Instrumentation(AI)完成自控設計，采用AVEVA PDMS完成三維設計，設計內(nèi)容及使用深度有專門的文件做規(guī)定。自控專業(yè)還可應用SmartPlant設計工具軟件，主要包括三種：SmartPlant PID， SmartPlant Instrument (SPI)與Smart3D。
4、電信專業(yè)主要工作探討
智能工廠的電信設計，應充分考慮企業(yè)信息管理系統(tǒng)建設和發(fā)展的需要，應綜合考慮各類通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的設置，并為其他信息系統(tǒng)提供傳輸通道或應用平臺。
智能化系統(tǒng)工程的設計要素包括：智能化集成、信息化應用、信息設施、設備管理、公共安全、信息機房等工程設計。
智能工廠電信系統(tǒng)包括但不限于以下系統(tǒng)：行政電話系統(tǒng)、調(diào)度電話系統(tǒng)、骨干網(wǎng)局域網(wǎng)系統(tǒng)、廣播及報警系統(tǒng)、火災自動報警系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、會議系統(tǒng)、電視監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、周界安防系統(tǒng)、無線專網(wǎng)及融合系統(tǒng)、無人機及反無人機主動防御系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)。因此，智能工廠的電信系統(tǒng)的設置，應與企業(yè)的發(fā)展規(guī)劃相結(jié)合，根據(jù)智能工廠的實際需要，綜合考慮選擇和設置相應系統(tǒng)，組成智能工廠的電信系統(tǒng)。技術方案、系統(tǒng)選型應以企業(yè)近期建設為依據(jù)，適當考慮遠期發(fā)展規(guī)劃的要求并預留集成接口。由于不同的系統(tǒng)往往屬于不同設備生產(chǎn)廠家，各個廠家的產(chǎn)品間存在著兼容性的問題，往往造成系統(tǒng)間集成、融合程度不高的情況，因此需要對產(chǎn)品有足夠的了解，更好地完成電信系統(tǒng)的規(guī)劃和集成。
5、電氣專業(yè)主要工作探討
在智能工廠中，電氣專業(yè)在保障可靠供電、節(jié)約能源方面起著重要作用。在智能工廠工程應用中，電氣設計主要包括：數(shù)字化設計、數(shù)字化交付、電氣設備選型、電氣系統(tǒng)網(wǎng)絡搭建等工作。
隨著科技的發(fā)展和進步，電氣設備也在邁向智能化。從大到變壓器、中壓柜到低壓柜，小到空氣斷路器、塑殼斷路器甚至到微型斷路器，以及接地電阻實時監(jiān)測等目前均已研發(fā)出智能型產(chǎn)品。各廠商從硬件、軟件等各個層面研發(fā)出適應數(shù)字化、智能化的產(chǎn)品，充實了中低壓智能變配電站產(chǎn)品的選擇范圍，可以實現(xiàn)智能變電站的設計。
電能質(zhì)量治理方面，已經(jīng)初步實現(xiàn)從“被動式防御”到“主動式防護”。電能能耗檢測實現(xiàn)智能化后，可提供用戶變電站繼電保護、測量與控制、電能統(tǒng)計等功能，幫助用戶實現(xiàn)用電信息化，降低運維成本，形成完整的用戶智能配電方案。同時，可以作為能效管理平臺的子系統(tǒng)。
可根據(jù)需要選擇電力電纜在線監(jiān)測與故障測距技術，為智能工廠電力線路安全可靠提供保障。可根據(jù)需要選擇智能型燈具，每個燈具均有自己的地址，可網(wǎng)絡通信，實現(xiàn)照明的智能控制。
6、管道專業(yè)主要工作探討
目前主流的工程公司管道設計都是采用三維模型，與常規(guī)設計差別不大。三維模型一般包含兩個方面：一是三維模型及相關圖形數(shù)據(jù)；二是與其相對應的設計信息。對于這兩方面，不同三維設計平臺的處理的方式有所不同，有的是兩者嚴格分開，圖形文件與數(shù)據(jù)文件應配合使用(如PDS)；另一種是以不同格式同時存儲在一個數(shù)據(jù)庫中，外形以數(shù)據(jù)進行驅(qū)動(如S3D)。
管道計算及智能化應用。在智能工廠的設計中還需要考慮管道振動和管道及管架位移的檢測和報警。根據(jù)“管道振動分析報告”和“管道及管架位移分析報告”兩個文件，提出管道運行狀態(tài)監(jiān)測的要求。
管道振動分析報告主要是標示存在振動風險的重要管道，并對其進行相應的監(jiān)控，如果檢測出其存在異常振動，需要在系統(tǒng)中對其進行檢修和整改。同樣管道及管架位移分析報告可標示存在較大位移的管道，并對其進行相應的監(jiān)控，如果檢測出其存在異常位移，需要對其檢修和整改。
7、設備專業(yè)主要工作探討
基于設備全生命周期管理體系概念出發(fā)，研究分析動設備性能預測方法。從設計、采購、維護等方面優(yōu)化選擇動設備。以已有技術為支持，分析在線監(jiān)測、預知維修軟件在智能工廠中的應用，并編寫相應設計規(guī)定。設計文件包括機械設備在線監(jiān)測與預知維修設計說明及監(jiān)測點設置數(shù)據(jù)表，其中溫度、壓力、流量、振動、泄漏、腐蝕等關鍵參數(shù)信息與工藝系統(tǒng)專業(yè)密切配合提出設計條件。
從設備全生命周期管理的角度對靜設備的機械數(shù)據(jù)進行提取、匯總、提醒，使數(shù)據(jù)在線采集、預知維修的內(nèi)容加入到智能工廠的軟件系統(tǒng)中。
腐蝕是鋼制儲罐及其輔助設備失效、損傷的主要原因。智能工廠需要設置腐蝕檢測，確定設備的腐蝕程度，查找腐蝕位置，發(fā)現(xiàn)并消除缺陷，防止泄漏、降低損失、減少危害和環(huán)境污染。根據(jù)損傷機理設置腐蝕模型進行預測維護。
8、結(jié)構(gòu)專業(yè)主要工作探討
根據(jù)智能工廠的要求，結(jié)構(gòu)專業(yè)應提出設置地震監(jiān)測系統(tǒng)，對關鍵設備、儲罐等設計地基沉降監(jiān)測等要求。
智能工廠是在科學管理實踐的基礎上，以自動化、信息化技術為基本框架，深度融合人工智能技術，圍繞數(shù)據(jù)、信息和知識建立的更智能、更敏捷、更高效、更安全、更綠色、更和諧和可持續(xù)的新一代工廠及其生態(tài)系統(tǒng)，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的縱橫向集成和全生命周期的點對點集成。
智能工廠工程設計是一項系統(tǒng)工程，涉及多個系統(tǒng)、多個專業(yè)，在技術更新周期愈來愈快的情況下，系統(tǒng)融合、專業(yè)配合及設計模式創(chuàng)新等方面已開始產(chǎn)生滯后現(xiàn)象。相對于智能化產(chǎn)品方案更新?lián)Q代的速度而言，國家管理標準的出臺相對滯后，廠商對產(chǎn)品的定位和研發(fā)處于隨意發(fā)展的狀態(tài)，在增加了產(chǎn)品多樣性的同時，也為設計、安裝和應用的統(tǒng)一性帶來了困難。各個專業(yè)的交叉點既是智能工廠工程設計的難點，又是重點。當前在專業(yè)配合上存在著分界模糊，專業(yè)工程師缺乏交叉復合知識的問題。
作者：李德剛，謝騰騰
