董 超

（大慶煉化公司信息中心，黑龍江 大慶 163411）

0 引言

隨著煉油化工技術(shù)的逐步發(fā)展，石化企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模越來越大。盡管自動(dòng)化程度不斷提高，但由于用工不斷減少，人員不足，企業(yè)在生產(chǎn)運(yùn)行、生產(chǎn)管理、安全環(huán)保等方面仍然面臨著越來越大的壓力和挑戰(zhàn)。大型石油石化企業(yè)一般擁有幾十套生產(chǎn)裝置，數(shù)不清的管線和閥門，單純依靠圖紙，難以完全掌握其實(shí)物設(shè)備的具體空間位置，現(xiàn)有的DCS、MES、ERP、HSE 等生產(chǎn)運(yùn)行和業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)也無法同時(shí)展示設(shè)備、管線、閥門等的屬性信息和空間信息。為了將現(xiàn)有的信息系統(tǒng)與設(shè)備、管線等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物有機(jī)融合，提高生產(chǎn)管理人員發(fā)現(xiàn)、處理問題的速度，結(jié)合當(dāng)下三維建模與系統(tǒng)集成的發(fā)展趨勢(shì)，專家們提出了“三維數(shù)字化工廠”的概念。

1 三維數(shù)字化工廠的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 數(shù)字化建模技術(shù)

需要建立裝置設(shè)備模型、生產(chǎn)環(huán)境模型、工藝模型（工藝規(guī)則、加工路線）以及生產(chǎn)管理模型（系統(tǒng)的限制和約束關(guān)系）等。三維數(shù)字化工廠是建立在模型基礎(chǔ)上的綜合應(yīng)用管理系統(tǒng)，所以數(shù)字化建模是數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)。

1.2 優(yōu)化仿真技術(shù)

在數(shù)字化建模的基礎(chǔ)上，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)裝置設(shè)備布置、加工能力、加工路線等各方面進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真和優(yōu)化。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

文本信息、圖表和二維圖紙很難滿足數(shù)字化煉廠的需求。隨著三維技術(shù)發(fā)展，具有沉浸性的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使用戶能身臨其境地感受裝置的設(shè)計(jì)建造過程和生產(chǎn)加工過程，使用戶對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝的了解更全面、準(zhǔn)確、便捷。

1.4 軟件之間的重組和集成

數(shù)字化工廠軟件模塊之間以及和其他軟件模塊之間的信息交換和集成。

1.5 應(yīng)用工具

產(chǎn)生虛擬環(huán)境的工具集、各值班費(fèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具、設(shè)備控制程序的生成器、各種報(bào)表的輸出工具等。

2 目前三維數(shù)字化工廠主要的建模方法

2.1 手工建模法

依靠高清現(xiàn)場(chǎng)照片、紙質(zhì)資料或電子版資料作為建模依據(jù)，運(yùn)用手工的方式，在三維繪圖軟件中建模。然后，再讓裝置現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員進(jìn)行校對(duì)，最后根據(jù)校對(duì)結(jié)果進(jìn)行完善的建模方法。

2.2 導(dǎo)入模型法

導(dǎo)入模型法是將裝置工程設(shè)計(jì)數(shù)字化移交的三維PID 模型通過格式轉(zhuǎn)換，直接導(dǎo)入到三維工廠系統(tǒng)的建模方法。

2.3 激光掃描建模法

激光掃描建模法是運(yùn)用激光掃描儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置進(jìn)行360°的全景掃描，掃描前在場(chǎng)景中布置一定數(shù)量的標(biāo)靶，掃描結(jié)束后在輔助軟件上按照相同標(biāo)靶對(duì)圖像進(jìn)行拼接，形成與現(xiàn)場(chǎng)一致的點(diǎn)云，然后再依托這些點(diǎn)云進(jìn)行建模。

3 三維數(shù)字化工廠的實(shí)施過程

應(yīng)用數(shù)字化工廠技術(shù)建設(shè)數(shù)字化煉化系統(tǒng)的一般實(shí)施方式是：首先建立煉廠包括設(shè)備靜態(tài)屬性信息的二維和三維模型，再嵌入各設(shè)備實(shí)時(shí)信息（機(jī)組檢測(cè)、物流數(shù)據(jù)、工藝狀態(tài)等設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)），并與運(yùn)營管理綜合層面的信息系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)煉廠信息的三維綜合展示和模擬。

三維數(shù)字化煉廠實(shí)施的步驟大致為：

（1）構(gòu)建全廠裝置、設(shè)備的三維模型，或手機(jī)、轉(zhuǎn)化工程設(shè)計(jì)建設(shè)中產(chǎn)生的三維模型。

（2）數(shù)字化煉廠全生命周期管理系統(tǒng)建立。

（3）工程設(shè)計(jì)文檔集成（電子PID 圖、CAD 圖）。

（4）其他各種信息化系統(tǒng)集成（MES、ERP、視頻監(jiān)控等）。

顯示集成：根據(jù)共享的公用識(shí)別密鑰在公用門戶中顯示來自多個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。例如：將來自工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和維護(hù)系統(tǒng)的儀表數(shù)據(jù)顯示在同一個(gè)門戶網(wǎng)站中。

數(shù)據(jù)集成：將來自多個(gè)來源的數(shù)據(jù)整合到公用儲(chǔ)存庫中。例如：將來自多個(gè)承包商的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到公用工程數(shù)據(jù)庫中。

應(yīng)用程序集成：提供在多個(gè)應(yīng)用程序之間映射和交換數(shù)據(jù)的機(jī)制。例如：在工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上創(chuàng)建或更新的位號(hào)將觸發(fā)更新維護(hù)系統(tǒng)中的相應(yīng)功能位置。

業(yè)務(wù)流程集成：對(duì)應(yīng)用程序集成進(jìn)行了擴(kuò)展，以將所涉及的業(yè)務(wù)流程考慮在內(nèi)并提供用戶干預(yù)、在接收系統(tǒng)中啟動(dòng)操作等功能。

合成小程序：在公用用戶界面中無縫利用兩個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，從而提供個(gè)別系統(tǒng)中沒有的新功能。

4 三維數(shù)字化工廠的功能應(yīng)用

4.1 三維模型展示

三維立體展示裝置、罐區(qū)、設(shè)備、管線（包括地上地下）、閥門的物理分布情況，同時(shí)顯示模型經(jīng)度、維度、高程等信息。

4.2 生產(chǎn)工藝管理

集中顯示裝置、設(shè)備各位號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及趨勢(shì)、閾值報(bào)警、裝置生產(chǎn)報(bào)表等信息。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來源于MES、生產(chǎn)工藝報(bào)警平臺(tái)等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過開發(fā)數(shù)據(jù)接口，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)寫入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，再由系統(tǒng)界面實(shí)時(shí)刷新顯示。

4.3 管線、設(shè)備管理

通過選中塔、泵、壓縮機(jī)、罐、管線等設(shè)備，顯示設(shè)備、管線基本信息、操作規(guī)程、技術(shù)參數(shù)、故障信息、維修記錄、配件及庫存等信息。

4.4 HSE 管理

在系統(tǒng)中的三維模型上可實(shí)時(shí)顯示各關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息。

4.5 工業(yè)視頻信息顯示

系統(tǒng)可集成顯示工業(yè)監(jiān)控?cái)z像頭實(shí)時(shí)畫面，點(diǎn)擊三維場(chǎng)景上的模型可彈出工業(yè)監(jiān)控實(shí)時(shí)畫面。

4.6 快速查找、查詢和檢索

可通過輸入模型名稱、位號(hào)、設(shè)備名稱、管線名稱、消防栓名稱等實(shí)現(xiàn)搜索和快速定位。

4.7 智能視圖（三維漫游）

三維數(shù)字化工廠可實(shí)現(xiàn)基于角色的、靈活的導(dǎo)航方式，包括隨機(jī)漫步、順序顯示等，全方位展示三維模型。

4.8 異常管理

當(dāng)生產(chǎn)裝置出現(xiàn)異常時(shí)（包括：工藝指標(biāo)超標(biāo)、環(huán)保監(jiān)測(cè)指標(biāo)超標(biāo)、平穩(wěn)率超標(biāo)等），平臺(tái)自動(dòng)報(bào)警，點(diǎn)擊報(bào)警信息，視角可自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至發(fā)生問題的界面，便于快速定位、分析問題。

4.9 可視化培訓(xùn)

通過錄制腳本，實(shí)現(xiàn)各類操作（開工、停工、突發(fā)事件處理等）和危險(xiǎn)場(chǎng)景應(yīng)急演練的可視化培訓(xùn)。可以根據(jù)需要制作腳本，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)瀏覽、視角移動(dòng)、打開或關(guān)閉各類數(shù)據(jù)、設(shè)置文字和圖片標(biāo)簽等?？梢圆シ拧和?、停止播放腳本，也可搭配專業(yè)仿真軟件進(jìn)行仿真培訓(xùn)。

5 總結(jié)

三維數(shù)字化工廠具備直觀、精確、集成、協(xié)同等優(yōu)點(diǎn)，通過精確的實(shí)體（塔、罐、泵、房屋、地上地下管線）位置和層級(jí)描述，提供準(zhǔn)確的3D 全景展示；通過與實(shí)體實(shí)際狀況準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，易于變更維護(hù)，確保與實(shí)體改造同步更新。實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)集成和設(shè)備模型、物理屬性、生產(chǎn)工藝流程的充分融合，通過集成實(shí)體的內(nèi)部和外部各種屬性，實(shí)現(xiàn)實(shí)體信息、經(jīng)營管理和生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)的完美結(jié)合。

通過三維數(shù)字化工廠的建立，可將MES、ERP、工業(yè)視頻監(jiān)控安全預(yù)警等系統(tǒng)進(jìn)行有效結(jié)合，便于各級(jí)生產(chǎn)管理人員和一線操作人員關(guān)注生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行情況，指導(dǎo)一線技術(shù)和操作人員，加快分析、處理解決故障的速度，降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，保障裝置平穩(wěn)運(yùn)行。