龔 燕 楊維軍 王如強(qiáng) 黃明富

中國石油規(guī)劃總院

1 各國智能制造戰(zhàn)略簡述

近些年來，以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等為代表的信息技術(shù)快速發(fā)展，引領(lǐng)傳統(tǒng)制造行業(yè)發(fā)展，并推動管理變革，促使生產(chǎn)制造向智能化方向轉(zhuǎn)變。特別是經(jīng)歷2008年全球金融危機(jī)之后，以制造業(yè)為核心的實(shí)體經(jīng)濟(jì)的重要性被世界各國重新認(rèn)知，紛紛制定國家層面的戰(zhàn)略和行動計(jì)劃。

美國早在2008年前就提出了先進(jìn)制造技術(shù)的理念，并于2009年提出了“再工業(yè)化”等一系列戰(zhàn)略和計(jì)劃[1]。智能制造領(lǐng)導(dǎo)同盟2011年6月提出智能過程制造（Smart Process Manufacturing，簡稱SPM）路線圖及功能模型（圖1）。該機(jī)構(gòu)認(rèn)為，智能過程制造是一種具有前瞻性的企業(yè)運(yùn)營模式，由支撐知識的人員、工具與系統(tǒng)相連接，進(jìn)行創(chuàng)新、規(guī)劃、操作運(yùn)行、維護(hù)和管理設(shè)備，并根據(jù)模型實(shí)時(shí)計(jì)算的綜合性能指標(biāo)體系來決策和執(zhí)行，從而使運(yùn)營變得更可預(yù)測、更具靈敏的經(jīng)濟(jì)反應(yīng)和事故反應(yīng)能力。

圖1 SPM的功能模型

英國2008年提出“高價(jià)值制造”戰(zhàn)略，2009年公布了新產(chǎn)業(yè)新工作戰(zhàn)略，之后又發(fā)布了《英國先進(jìn)制造領(lǐng)域一攬子新政策》。2013年啟動了對未來制造業(yè)進(jìn)行預(yù)測的戰(zhàn)略研究項(xiàng)目，推出了《英國工業(yè)2050戰(zhàn)略》，認(rèn)為未來制造業(yè)的主要趨勢是個(gè)性化、低成本產(chǎn)品需求增大、生產(chǎn)重新分配和制造價(jià)值鏈的數(shù)字化[2]。

為了支持工業(yè)領(lǐng)域新一代革命性技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新，德國也于2013年提出了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，計(jì)劃以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命或革命性的生產(chǎn)方法，建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)生產(chǎn)模式，并通過產(chǎn)生各種新的活動領(lǐng)域和合作形式，改變創(chuàng)造新價(jià)值的過程、重組產(chǎn)業(yè)鏈及分工，實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)世界與現(xiàn)實(shí)物理世界的融合[3]。

2015年，中國提出了《中國制造2025》，部署全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，以促進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展為主題，以提質(zhì)增效為中心，以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向。其中，針對智能制造工廠，要求緊密圍繞重點(diǎn)制造領(lǐng)域關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開展新一代信息技術(shù)與制造裝備融合的集成創(chuàng)新和工程應(yīng)用，緊扣關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機(jī)器人替代、生產(chǎn)過程智能優(yōu)化控制、供應(yīng)鏈優(yōu)化，建設(shè)重點(diǎn)領(lǐng)域智能工廠或數(shù)字化車間。

智能制造作為未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要方向已經(jīng)得到廣泛認(rèn)同，多個(gè)國家正以工業(yè)化與信息化的充分融合為基礎(chǔ)，以智能化技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用為手段，積極推進(jìn)傳統(tǒng)制造行業(yè)的轉(zhuǎn)型與快速提升。

2 石化行業(yè)的智能工廠

石化行業(yè)作為傳統(tǒng)的流程工業(yè)，面對新能源等多種因素的沖擊，迫切需要通過技術(shù)革新大幅提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、有效提升競爭力，并為未來及時(shí)滿足客戶定制化的產(chǎn)品需求做好技術(shù)支撐。

因此，自2010年起，國內(nèi)少數(shù)石化企業(yè)已開始了智能煉廠的示范探索，本文稱之為智能煉廠1.0階段。該階段總體上以煉化企業(yè)信息系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用為核心，并開展了部分業(yè)務(wù)領(lǐng)域的智能化優(yōu)化嘗試；自2015年以來，更多的國內(nèi)外企業(yè)以智能化優(yōu)化技術(shù)為核心，以提高企業(yè)效益和綜合競爭力為目標(biāo)，對煉化企業(yè)全生產(chǎn)過程開展智能化優(yōu)化技術(shù)研發(fā)與示范，本文稱之為智能煉廠2.0階段。

由于石化行業(yè)具有原料復(fù)雜、工藝和生產(chǎn)過程復(fù)雜、涉及專業(yè)繁雜、隨市場變化大等特點(diǎn)，因此無論是國內(nèi)智能煉廠的探索，還是國內(nèi)外技術(shù)公司針對智能煉廠技術(shù)的研發(fā)集成，現(xiàn)階段各自都帶有鮮明特點(diǎn)，并沒有固定模式。但總體而言，針對煉化企業(yè)的智能化建設(shè)，均涵蓋在工業(yè)和信息化部提出的“生產(chǎn)管控、供應(yīng)鏈管理、設(shè)備管理、能源管理、安全環(huán)保、輔助決策”6個(gè)主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域，只是各企業(yè)現(xiàn)階段的側(cè)重點(diǎn)有所不同而已（圖2）。

2.1 智能煉廠1.0

中國石化九江分公司（簡稱九江石化）是國內(nèi)最早開展智能煉廠建設(shè)的石化企業(yè)，也是國家首批認(rèn)可的石化領(lǐng)域智能制造示范企業(yè)。該公司以“提高發(fā)展質(zhì)量、提升經(jīng)濟(jì)效益、支撐安全環(huán)保、固化卓越基因”為目標(biāo)，在“計(jì)劃調(diào)度、安全環(huán)保、能源管理、裝置操作、IT管控”5個(gè)領(lǐng)域開展智能化技術(shù)應(yīng)用，初步形成了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造框架。（1）構(gòu)建智能化聯(lián)動平臺，生產(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化團(tuán)隊(duì)利用PIMS、RSIM、ORION一體化聯(lián)動優(yōu)化功能，持續(xù)開展加工路線比選、裝置優(yōu)化等工作，實(shí)現(xiàn)了管理、生產(chǎn)、操作協(xié)同；（2）首家建成投用數(shù)字煉廠平臺，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)級全場景覆蓋、海量動態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互；（3）建成面向工業(yè)企業(yè)的移動寬帶專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了智能巡檢、音視頻融合通信、施工作業(yè)視頻監(jiān)控等；（4）建立煉化生產(chǎn)管控中心，將經(jīng)營優(yōu)化、生產(chǎn)指揮、工藝操作、運(yùn)行管理、專業(yè)支持、應(yīng)急保障等進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)了主要信息數(shù)字化、生產(chǎn)狀態(tài)可視化、裝置控制自動化、主體業(yè)務(wù)流程集成化。因此，大幅提升了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和管理效率，成效顯著[4，5]。九江石化智能制造的信息系統(tǒng)一體化模式見圖3[4]。

圖2 工信部提出的石化智能工廠6個(gè)主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域

中國石化茂名石化公司（簡稱茂名石化）圍繞生產(chǎn)、安全、能源管控等核心業(yè)務(wù)，利用信息化技術(shù)打造了三大智能化平臺[6]：（1）打造生產(chǎn)優(yōu)化智能平臺，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益最佳，包括供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)調(diào)度、實(shí)時(shí)操作等智能化應(yīng)用；（2）打造安全管控智能平臺，促進(jìn)生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，包括提高作業(yè)現(xiàn)場感知能力和油氣長輸管線安全管控能力；（3）打造節(jié)能減排智能平臺，促進(jìn)綠色低碳生產(chǎn)，包括建立環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測預(yù)警信息化體系、能源數(shù)字化管理體系，以及能源系統(tǒng)實(shí)時(shí)優(yōu)化體系，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程優(yōu)化、安全管控能力提升、能源消耗降低，促進(jìn)了核心競爭力的提升。

中海石油煉化有限責(zé)任公司惠州煉油分公司（簡稱惠州煉化）確立了打造“綠色生產(chǎn)、卓越運(yùn)營、可持續(xù)發(fā)展”智能煉廠的建設(shè)目標(biāo)，主要通過建立四大平臺來打造智能工廠[7]：（1）圍繞“數(shù)據(jù)采集、全面感知”，建立數(shù)據(jù)采集平臺；（2）圍繞“數(shù)據(jù)交換、信息集成”，建立互聯(lián)互通平臺；（3）圍繞“精準(zhǔn)控制、智能生產(chǎn)”，建立智能控制平臺；（4）圍繞“生產(chǎn)管控、協(xié)同優(yōu)化”，建立協(xié)同應(yīng)用平臺。主要應(yīng)用了智能化生產(chǎn)操作、全流程生產(chǎn)協(xié)同管控、計(jì)劃生產(chǎn)協(xié)同優(yōu)化、一體化生產(chǎn)作業(yè)受控、全廠能源管理中心、工程建設(shè)數(shù)字化、數(shù)字化物資倉庫。

2.2 智能煉廠2.0

國內(nèi)外先進(jìn)石化企業(yè)在自動化和數(shù)字化建設(shè)取得階段成效后，逐步加深了生產(chǎn)操作優(yōu)化、生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化、能源管理優(yōu)化和設(shè)備資產(chǎn)優(yōu)化等降本提質(zhì)增效措施的應(yīng)用，以進(jìn)一步提升企業(yè)綜合競爭力。該階段較為顯著的特征是將石化生產(chǎn)過程的嚴(yán)格機(jī)理模型或大數(shù)據(jù)模型與優(yōu)化運(yùn)算方法、先進(jìn)控制手段等有機(jī)結(jié)合，為真正實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)和發(fā)展基礎(chǔ)。

其中，國外先進(jìn)石化企業(yè)重點(diǎn)圍繞“生產(chǎn)優(yōu)化、智能運(yùn)營、能源管控”等方面開展了局部智能應(yīng)用。

生產(chǎn)優(yōu)化方面，?？松梨?、殼牌、BP、Dow等大型石油公司在大量煉油、乙烯裝置實(shí)施了閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化（Real-Time Optimization，簡稱RTO）。例如，殼牌 Martinez煉廠在20世紀(jì)90年代依托企業(yè)先進(jìn)的自動化和數(shù)字化基礎(chǔ)，實(shí)施了常減壓、催化裂化、加氫裂化、烷基化等主要裝置的閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化（Real Time Optimization, 簡稱RTO），取得了約10美分/bbl原油的效益。Thai Oil在實(shí)施常減壓裝置先進(jìn)控制和閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化取得顯著成效的基礎(chǔ)上，于2010年開始在整個(gè)煉油廠實(shí)施閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化。

智能運(yùn)營方面，埃克森美孚實(shí)施全球供應(yīng)鏈優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了全球范圍的資源供應(yīng)和產(chǎn)品銷售的全業(yè)務(wù)鏈優(yōu)化。殼牌通過整合油氣供應(yīng)、煉化生產(chǎn)和銷售業(yè)務(wù)，制定全球17家煉廠統(tǒng)一的生產(chǎn)計(jì)劃和排產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)基于價(jià)值鏈的全局分析與優(yōu)化；通過準(zhǔn)確掌握原料價(jià)格、船期、生產(chǎn)運(yùn)行、銷售的動態(tài)信息，動態(tài)分析當(dāng)期計(jì)劃或調(diào)度的盈虧點(diǎn)，迅速調(diào)整生產(chǎn)經(jīng)營方案，實(shí)現(xiàn)效益最大化。

圖3　九江石化智能制造的信息系統(tǒng)一體化模式圖

能源管控方面，埃克森美孚大部分煉廠利用Visual MESA 軟件實(shí)施了公用工程系統(tǒng)在線優(yōu)化，部分煉廠實(shí)施了公用工程系統(tǒng)閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化。Valero公司在休斯敦?zé)拸S建立了全廠公用工程在線優(yōu)化系統(tǒng)，鍋爐熱效率提高0.6%、減少燃料氣成本1%，年效益約270萬美元，并以此為核心，建立了企業(yè)能源管理信息系統(tǒng)[8]。美國Flint Hill煉廠建成以公用工程優(yōu)化為主的能源管理系統(tǒng)，使全廠能源成本下降了1%。

國內(nèi)部分先進(jìn)石化企業(yè)在現(xiàn)場感知能力提升、數(shù)據(jù)集中系統(tǒng)集成基礎(chǔ)上，在“生產(chǎn)操作運(yùn)行一體化優(yōu)化、資產(chǎn)全生命周期一體化管理、工藝與公用工程一體化能源管控”方面提升生產(chǎn)運(yùn)營水平和智能化水平。

生產(chǎn)管控一體化優(yōu)化方面，中國石化已在中國石化北京燕山分公司（簡稱燕山石化）、中國石化鎮(zhèn)海煉化公司（簡稱鎮(zhèn)海煉化）兩套乙烯裝置實(shí)施了全流程閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化，如燕山石化乙烯裝置RTO于2014年4月實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行，實(shí)施年增效3000～6000萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著[9]。九江石化2016年啟動了實(shí)施常減壓裝置基于分子煉油的閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化項(xiàng)目，項(xiàng)目實(shí)施后將實(shí)時(shí)提供1#常減壓裝置各餾分油溫度點(diǎn)切割方案，自動下達(dá)給APC在線執(zhí)行，提出各餾分的二次加工路線建議，從而顯著降低裝置綜合能耗，提高裝置整體經(jīng)濟(jì)效益。

在資產(chǎn)全生命周期一體化管理方面，燕山石化2012年在煉油二廠三催化裝置實(shí)施了設(shè)備預(yù)知性維修技術(shù)，通過實(shí)時(shí)或定期地獲取設(shè)備運(yùn)行過程中振動、溫度、位移等數(shù)據(jù)，可預(yù)測數(shù)據(jù)變化趨勢、診斷設(shè)備故障、判斷故障原因，同時(shí)還可以對設(shè)備的歷史故障數(shù)據(jù)、故障類型、故障原因、故障頻率進(jìn)行可靠性分析，預(yù)測下次發(fā)生故障的時(shí)間和可能性，幫助技術(shù)人員提前防范。

在工藝與公用工程一體化能源管控方面，中國石油錦州石化公司于2015年啟動了能源管控系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用項(xiàng)目，針對公用工程系統(tǒng)開展蒸汽動力系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)優(yōu)化，針對催化裂化等重點(diǎn)裝置開展操作參數(shù)在線優(yōu)化，并通過能源管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩者的協(xié)同優(yōu)化。

總體而言，智能煉廠2.0是在完成以“現(xiàn)場感知能力提升、數(shù)據(jù)集中系統(tǒng)集成、工廠數(shù)字化可視化”為主要內(nèi)容的智能煉廠1.0基礎(chǔ)上，以增效為核心升級智能應(yīng)用，重點(diǎn)圍繞“生產(chǎn)管控一體化優(yōu)化、資產(chǎn)全生命周期一體化管理、工藝與公用工程一體化能源管控”3條主線提升企業(yè)智能化水平。

3 智能煉廠發(fā)展展望

近幾年，伴隨著煉化企業(yè)對智能工廠建設(shè)需求的日益迫切，國內(nèi)外石化企業(yè)和技術(shù)公司均開展了智能煉廠的技術(shù)研發(fā)與功能設(shè)計(jì)。從目前一些國外知名技術(shù)公司和大型石化企業(yè)的設(shè)計(jì)思路來看，現(xiàn)階段的智能煉廠主要是在整合原有不同領(lǐng)域技術(shù)基礎(chǔ)上的智能化設(shè)計(jì)與研究，涉及的技術(shù)包括原油及成品油在線調(diào)和、油品在線分析、生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度排產(chǎn)優(yōu)化、裝置實(shí)時(shí)優(yōu)化、公用工程在線優(yōu)化、設(shè)備運(yùn)行預(yù)測預(yù)警、智能無線巡檢等多項(xiàng)技術(shù)，但尚未研發(fā)形成具有顛覆性的智能化技術(shù)。究其原因，主要是由于煉化生產(chǎn)過程本身的復(fù)雜性和涉及多專業(yè)多領(lǐng)域的特點(diǎn)，使得智能煉廠的發(fā)展不可能一蹴而就，而是一個(gè)長期的研究與建設(shè)過程。

筆者結(jié)合目前國內(nèi)外石化企業(yè)智能化的研究、建設(shè)進(jìn)展，以及對智能煉廠的思考，提出了適合未來5～10年技術(shù)發(fā)展的智能煉廠功能架構(gòu)圖（圖4），以供參考。

從智能煉廠的未來發(fā)展趨勢來看，主要應(yīng)在生產(chǎn)管控一體化優(yōu)化、自主學(xué)習(xí)與智能預(yù)測等方面加強(qiáng)研發(fā)與應(yīng)用。

首先，智能煉廠應(yīng)以生產(chǎn)管控一體化優(yōu)化為主線，研發(fā)以過程控制模型、嚴(yán)格機(jī)理模型和大數(shù)據(jù)驅(qū)動模型以及專家?guī)?、知識庫、規(guī)則庫等為核心的計(jì)劃—調(diào)度—操作一體化優(yōu)化技術(shù)，并將設(shè)備運(yùn)行的故障診斷、預(yù)知性維修以及能源利用的實(shí)時(shí)閉環(huán)優(yōu)化等與生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化充分集成，實(shí)現(xiàn)安全環(huán)保及用能成本最小化條件下的原料采購、計(jì)劃調(diào)度、生產(chǎn)制造到產(chǎn)品入庫、物流配送的生產(chǎn)全過程智能優(yōu)化。

圖4 智能煉廠功能架構(gòu)圖

其次，智能煉廠應(yīng)以自主學(xué)習(xí)和智能預(yù)測為最終目標(biāo)，研發(fā)適應(yīng)于復(fù)雜煉化生產(chǎn)過程的智能學(xué)習(xí)與預(yù)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)融合機(jī)理模型、數(shù)據(jù)科學(xué)和專家經(jīng)驗(yàn)，并借助人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)知識的自動獲取、學(xué)習(xí)、推演、應(yīng)用和改進(jìn)。

最后，智能煉廠應(yīng)以具有較高知識結(jié)構(gòu)的專業(yè)人員為基礎(chǔ)，根據(jù)智能工廠的功能設(shè)計(jì)、運(yùn)行模式等，逐步培養(yǎng)能夠適應(yīng)生產(chǎn)過程優(yōu)化智能化、供應(yīng)鏈優(yōu)化智能化、資產(chǎn)全生命周期管理智能化等的專業(yè)技術(shù)人才，確保煉廠智能化后的高效運(yùn)行。