張劍

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)在各領(lǐng)域的應(yīng)用，通過(guò)工業(yè)化與信息化的不斷融合，優(yōu)化智能化管理已經(jīng)成為新時(shí)代石化行業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。三維數(shù)字化工廠(chǎng)技術(shù)對(duì)于更高效、更安全的化工發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。介紹了三維數(shù)字化工程的基本概念和其在化工工程中的應(yīng)用，展望了未來(lái)信息化在石化領(lǐng)域中的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：三維數(shù)字化;智能工廠(chǎng);化學(xué)工業(yè);智能制造轉(zhuǎn)型

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ343?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2022）01-0116-03

Research on the application of 3D digital technology in chemical industry smart factory

ZHANG Jian

（Anhui Hefei Donghua Engineering Technology Co.，Ltd.，Hefei 230024，China）

Abstract：The chemical industry is an extremely important part of development plan and the pillar of social development.The development of chemical industry of great importance of modernization process.With the application of computer science in various fields，through the continuous integration of industrialization and information technology，optimizing intelligent management has become the development goal of the petrochemical industry.Three-dimensional digital plant technology is of strategic importance for efficient development and safety in petrochemical.This paper briefly introduced the concept and application of 3D digital engineering and the future development of information technology in the petrochemical field.

Key words：three-dimensional digitalization;smart factory;chemical industry;intelligent manufacturing transformation

化學(xué)工業(yè)一直是我國(guó)核心的工業(yè)組成部分之一，它不僅為各個(gè)領(lǐng)域提供充足的能源供應(yīng)，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(jī)材料，始終是我國(guó)發(fā)展的重點(diǎn)。然而，隨著現(xiàn)代建設(shè)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(guò)剩、結(jié)構(gòu)性過(guò)剩，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致企業(yè)的能源效率較低等問(wèn)題[1]。為此，在信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上，以計(jì)算機(jī)3D建模和數(shù)字化模擬為基礎(chǔ)，對(duì)化工領(lǐng)域的傳統(tǒng)制造技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以進(jìn)一步提高產(chǎn)能，并對(duì)整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行合理創(chuàng)新，最終達(dá)到產(chǎn)業(yè)鏈智能化，是化工企業(yè)新的發(fā)展方向[2]。

1 三維數(shù)字化工廠(chǎng)

1.1 三維數(shù)字化工廠(chǎng)的概念

在傳統(tǒng)的化工企業(yè)工廠(chǎng)中，相關(guān)的統(tǒng)計(jì)工作都是由人工完成，通過(guò)手寫(xiě)或大量的EXCEL表格來(lái)記錄數(shù)據(jù)，效率低下且容易出錯(cuò)，并且工作人員每一次的工作交接都會(huì)有隱藏的數(shù)據(jù)流失或文檔損壞的危險(xiǎn)，人員的流動(dòng)是企業(yè)不可避免的問(wèn)題，這些因素都會(huì)對(duì)工廠(chǎng)數(shù)據(jù)保存有著潛在的威脅[3]。

數(shù)字化工廠(chǎng)的建立基礎(chǔ)就是以數(shù)字化模型、方法和工具構(gòu)成的綜合網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)將其他擴(kuò)展技術(shù)如仿真模擬和虛擬現(xiàn)實(shí)等有機(jī)結(jié)合在一起，通過(guò)強(qiáng)大的信息系統(tǒng)將工廠(chǎng)中所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)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(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的生產(chǎn)效率和設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能。以數(shù)字化工程和信息工程對(duì)企業(yè)和工廠(chǎng)進(jìn)行輔助式的新發(fā)展模式被稱(chēng)為“三維數(shù)字化工廠(chǎng)（DF）”[4]。

三維數(shù)字化工廠(chǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用改變了工廠(chǎng)原本的工作模式，包括工廠(chǎng)的設(shè)備數(shù)據(jù)管理，更為便捷的安全、維護(hù)和檢修工作等 [5]。并且，三維數(shù)字化工廠(chǎng)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(dá)更為清晰和精準(zhǔn)，對(duì)于任何出現(xiàn)的變化都可以在原來(lái)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行直接模擬和評(píng)估。數(shù)字化工程為工程的設(shè)備、生產(chǎn)線(xiàn)等系統(tǒng)提供了多方位的精確數(shù)據(jù)庫(kù)，為高效便捷的生產(chǎn)需求提供了有力保障[6]。

1.2 三維數(shù)字化工廠(chǎng)的主要技術(shù)

工廠(chǎng)數(shù)字化的建成是計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)分析等多種信息技術(shù)的交叉運(yùn)用結(jié)果，通過(guò)對(duì)工廠(chǎng)生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)等環(huán)節(jié)進(jìn)行建模模擬，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠(chǎng)全方位、多角度的在線(xiàn)同步觀(guān)測(cè)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(shí)、軟件編輯與集成等多種技術(shù)，具體如圖1所示[7]。

在三維數(shù)字化工廠(chǎng)建成所應(yīng)用的諸多技術(shù)中，數(shù)字化建模技術(shù)無(wú)疑是最為核心的模塊，數(shù)字化建?？梢詫?duì)工廠(chǎng)進(jìn)行比例縮小，并按照設(shè)備參數(shù)和工藝流程在計(jì)算機(jī)中模擬重現(xiàn)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的要求改變模擬的外部條件，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程的1∶1重現(xiàn)[8]。優(yōu)化仿真則主要用于對(duì)生產(chǎn)流程的時(shí)間、工序和不同工作流程之間的管理進(jìn)行調(diào)整和模擬，如減少設(shè)備待機(jī)時(shí)間、緊湊生產(chǎn)工藝流程，減少生產(chǎn)過(guò)程中的無(wú)效時(shí)間，使得生產(chǎn)流程的效率達(dá)到最高。虛擬現(xiàn)實(shí)是在傳感器和感知設(shè)備的工作下，加強(qiáng)監(jiān)管人員對(duì)生產(chǎn)流程的沉浸式體驗(yàn)感，便于控制設(shè)備與工序。軟件編輯與集成則是對(duì)設(shè)備的對(duì)接進(jìn)行優(yōu)化以降低資源的浪費(fèi)。

1.3 三維數(shù)字化技術(shù)在智能工廠(chǎng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.3.1 專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)模型

在化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域中，設(shè)備和生產(chǎn)線(xiàn)的數(shù)據(jù)是最能完整、真實(shí)地體現(xiàn)設(shè)備狀況和生產(chǎn)流程情況的直接渠道。完整的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)具有精準(zhǔn)、直接、全面3個(gè)最為基礎(chǔ)的特征，當(dāng)工廠(chǎng)出現(xiàn)需要更換或維修設(shè)備情況時(shí)，一般對(duì)設(shè)備的調(diào)整時(shí)間要達(dá)到30 d以上，而通過(guò)三維數(shù)字化平臺(tái)對(duì)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)和以往的工作信息，可以大幅度加快信息采集的進(jìn)程，提高工作效率[9]。

三維數(shù)字化工廠(chǎng)的建立具有特定的標(biāo)準(zhǔn)，在我國(guó)頒布的ISO 15926《工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)與集成及流程工廠(chǎng)》設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)框架標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了工程級(jí)三維數(shù)字化工廠(chǎng)的技術(shù)路線(xiàn)和數(shù)據(jù)模型建立流程。其工作范圍涵蓋大到工廠(chǎng)裝置系統(tǒng)，小到設(shè)備零件之間的連接關(guān)系，很好的保存了設(shè)備信息，為以后設(shè)備的調(diào)整和工藝的優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3.2 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范

三維數(shù)字化技術(shù)建立的基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)據(jù)工程，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展與完善，數(shù)字化技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)趨于成熟，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范性使得不同工廠(chǎng)之間的交流和數(shù)據(jù)對(duì)接減少了許多風(fēng)險(xiǎn)，在設(shè)備的更新和工藝交流過(guò)程中保證了雙方數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[10]。

1.3.3 直觀(guān)的交互方

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用使得操作人員對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)具有很高的可視性和體驗(yàn)感，即使不懂得計(jì)算機(jī)技術(shù)的設(shè)備管理人員也可直觀(guān)的體感數(shù)據(jù)的交互，減少了程序語(yǔ)言帶來(lái)的繁雜感。

2 三維數(shù)字化技術(shù)在智能工廠(chǎng)中的應(yīng)用

2.1 三維數(shù)字化技術(shù)在地下設(shè)施管理應(yīng)用

我國(guó)化工工廠(chǎng)的運(yùn)輸系統(tǒng)都有部分鋪設(shè)在地下，具有分布廣、年代久的特點(diǎn)，對(duì)地下管道的管理和維護(hù)就變得相當(dāng)困難，同時(shí)具有較大的工程隱患。利用三維數(shù)字化工程對(duì)地下管路進(jìn)行建模重現(xiàn)，并通過(guò)信息化管理管道的信息，可以簡(jiǎn)單明了地對(duì)地下管道的服役情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，減少人力物力的消耗。利用三維數(shù)字化技術(shù)對(duì)地下管路系統(tǒng)進(jìn)行建模管理還有地下設(shè)施工程數(shù)據(jù)整合、預(yù)設(shè)作業(yè)方案、管理施工、故障預(yù)警及評(píng)估等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 三維數(shù)字化技術(shù)在安環(huán)管控中的應(yīng)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(jī)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(shè)備的常見(jiàn)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(hào)。為了保證安全生產(chǎn)，化工企業(yè)都制定了嚴(yán)格的安全制度及具體的安全措施。而相對(duì)其他領(lǐng)域而言，化工工廠(chǎng)的安全管理范圍較廣，事故情況復(fù)雜，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，需要在極短的時(shí)間內(nèi)快速反應(yīng)并針對(duì)性的處理。三維數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用則將工廠(chǎng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備參數(shù)和工藝流程的信息進(jìn)行統(tǒng)籌，有助于對(duì)事故設(shè)備信息、相關(guān)流程的運(yùn)行情況和危險(xiǎn)性、人員疏散等多個(gè)方面進(jìn)行分析和匯總，為安全防范和處理提供了堅(jiān)實(shí)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(cè)和管理中的應(yīng)用

在化工行業(yè)中，由于液相物料中經(jīng)常混雜硫化氫、二氧化碳等酸性介質(zhì)，管道和設(shè)備的腐蝕問(wèn)題較為嚴(yán)重;而一旦運(yùn)輸管道等設(shè)備失效，則可能導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重的液相物料泄露的問(wèn)題。所以，設(shè)備和管道的腐蝕防護(hù)與管理是不可忽視的一部分。然而，石化工廠(chǎng)的生產(chǎn)流程繁多，管道運(yùn)輸系統(tǒng)極為復(fù)雜，且在運(yùn)輸石油的過(guò)程中，在液相物料的沖擊或酸性介質(zhì)的影響下，管道和設(shè)備的腐蝕問(wèn)題受到很多因素影響。

利用三維數(shù)字化系統(tǒng)對(duì)液相物料的流速、pH值的檢測(cè)等信息進(jìn)行模擬，在對(duì)相關(guān)裝置進(jìn)行三維建模和條件施加的基礎(chǔ)上，同步使用傳感器則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工廠(chǎng)管道設(shè)備的在線(xiàn)腐蝕監(jiān)測(cè)與防護(hù)，指導(dǎo)腐蝕排查，還能做到預(yù)防腐蝕失效。

2.4 三維數(shù)字化技術(shù)在智能工廠(chǎng)應(yīng)用展望

傳統(tǒng)化工工廠(chǎng)的信息處理方式不僅耗費(fèi)巨大的人力、物力，準(zhǔn)確率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及三維數(shù)字化技術(shù)在智能工廠(chǎng)的應(yīng)用，并且，在虛擬現(xiàn)實(shí)和軟件編輯與集成系統(tǒng)的支持下，工作人員可以更為簡(jiǎn)單、便捷地對(duì)整個(gè)工廠(chǎng)流程進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)控和管理，然而隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息工程的發(fā)展，三維數(shù)字化技術(shù)給化工工廠(chǎng)帶來(lái)的將不僅僅是設(shè)備系統(tǒng)的全面信息支持，也為工廠(chǎng)的管理提供更為流暢的優(yōu)化管理和應(yīng)用前景，對(duì)工廠(chǎng)中繁雜的系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)整合和調(diào)整，等比例按照實(shí)際的物理空間實(shí)景展現(xiàn)給管理人員，更為便捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)、維護(hù)與管理。

3 結(jié)語(yǔ)

三維數(shù)字化工廠(chǎng)的建立對(duì)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(duì)實(shí)際工廠(chǎng)中的產(chǎn)業(yè)流程提供模擬重現(xiàn)和動(dòng)態(tài)演示，使得工作人員可在電腦觀(guān)察到整個(gè)工廠(chǎng)中產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程;也能對(duì)工廠(chǎng)生產(chǎn)流程進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，減少系統(tǒng)的無(wú)用時(shí)間，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的提升;內(nèi)置的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用更是可以提供生產(chǎn)流程的動(dòng)態(tài)演示，加深員工對(duì)工作的了解。簡(jiǎn)而言之，三維數(shù)字化智能工廠(chǎng)可以有效提高化工產(chǎn)業(yè)的效率，有著準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，和廣闊的應(yīng)用前景及技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

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