張 劍

(安徽省合肥市東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

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。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。

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。

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)”。

三維數(shù)字化工廠在工業(yè)領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。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。

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。

圖1 三維數(shù)字化工廠建設應用技術(shù)Fig.1 Main technologies of 3D digital factory construction

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)。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

..專業(yè)的數(shù)據(jù)模型

在化學工業(yè)領域中，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。

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。

..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。

..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。