2016年 第5期
摘要：文中对数字化工厂技术在石油炼制行业的应用进行了分析，对国内石化企业信息化建 设现状、数字化工程的总体构架、数字化工厂的主要功能及经济效益分析等方面做了详细阐 述。
关键词：数字化工厂；石油炼制；应用；经济效益
中图分类号：TP391 文献标识码：B 文章编号：1671-4962（2016）05-0055-04
数字化工厂技术及其应用
李 玺，崔 崇
（大港石化公司，天津 300280）
Technology and application of digital chemical plant
Li Xi，Cui Chong
(Dagang Petrochemical Corporation, Tianjin 300280, China)
Abstract：In this paper, the digital factory technology used in petroleum refining industry is analyzed, the domestic petrochemical enterprises informatization status, the overall framework of digital engineering of digital factory, main function and economic benefit analysis, described in detail.
Keywords：digital factory; petroleum refining; application; economic benefits
所谓数字化工厂是采用三维 GIS、虚拟仿真、
大数据分析、移动应用等先进信息技术，以数据为 基础、以可视化为手段、以业务为依托、以底层模 型为支撑，统筹规划建设期与运营期的数据资源 建设、业务渗透与功能建设，为工程、生产、应急、
培训等提供有效业务支撑。
如何将数字化工厂技术应用在石油、石化行 业，发挥出其最大价值，提高项目决策水平、节约 项目投资、降低装置能耗、提高企业经济效益，是 我国石化行业急需解决的主要问题之一。通过全 面综合分析，数字化工厂的经济效益主要面向建 设项目的全生命周期管理，按工程实施角度可分 为设计、施工、竣工与移交、运营与维护阶段。
1 我国石化企业信息化建设现状
目前我国石化企业信息化建设主要存在 5 方 面问题。（1）多渠道的信息系统建设，集团公司推 广信息系统、分公司自建系统、各专业部门自建的 系统，中石化地区分公司在用的信息系统有 120 多 个，而且系统间都是相对独立的，没有形成系统管 理的一体化优势；（2）各系统运行使用情况，很多
系统是封闭的、数据标准各异，数据库独立建设已 经形成信息孤岛；（3）系统预测性弱，多处于被动 状态；（4）缺乏有效手段降低设备维护、材料备件 和库存成本；（5）没有统一的管理系统平台，开展 实时数据交换、信息沟通、方案论证、管理控制和 移动办公等的设备管理工作。这些问题在国内各 石化企业数字化建设中普遍存在［1］。
2 数字化工厂总体构架
数字化工厂是炼油企业的数字化集成［2］应用 平台，其中，数据是基础，三维物理模型是可视化 载体，工厂业务模型（含生产环境模型、工艺模型、
生产管理模型）是关键，计算与仿真优化模型是核 心，显示与使用模式是提升。数字化工厂总体按 照 4 个层面的使用状态进行设计。
数据层：主要完成各类信息的整合、集成，实 现数据与三维实体模型的融合汇集。
专业模型层：融合工程作业、工艺流程等业务 逻辑拓扑关系，内置多种工艺仿真模型和算法，模 拟工况、优化生产。
业务应用层：为工程、生产、应急、培训等各类
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DOI:10.16049/j.cnki.lyyhg.2016.05.020
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业务提供支撑。
显示模式层：根据各基层企业、机关科室、专 业领导的不同职责与需求，针对性设计其应用的
数据、功能、显示内容、显示模式。数字化工厂总 体构架见图１。
2.1 炼油厂直观可视化设计
（1）采 用 成 熟 引 擎 ，建 立 炼 厂 真 实 三 维 场 景［3］，提高信息传递效率数字化工厂要求实现信息 的快速传达与快速理解，结合炼化企业海量数据、
管线装置密集复杂的情况，采用成熟引擎，应用动 态加载、集中渲染、分层次细节（LOD）等优化机制，
构建与真实炼厂完全一致的可视化场景，满足流 畅的三维运行效率与显示效率。
（2）以三维模型为载体，各类数据关联整合。
2.2 多系统数据整合设计
（1）兼容其他系统，统一平台集成针对 DCS、
CCTV、MES、ERP 等等炼厂常规系统，数字化工厂 将各类系统的数据统一纳入到平台中，实现信息 的一站式获取［4］。
（2）现有系统独立运行，数字化工厂平台提升 应用针对现有系统可视化表现较弱的交互，数字 化工厂将数据重新组织，基于三维场景提升应用 的可视化能力及综合分析应用能力，以扩大原系 统的使用范围及应用深度，如视频监控报警与三 维的联动。
2.3 业务流程、工艺逻辑、计算模型的融合
2.3.1 融合业务流程 对于数字化工厂，可视化显 示是“外表”，业务逻辑是“内在”，即各种业务流 程、相关部门人员、报表数据、事项以及这些业务
之间的联系。根据工厂内部业务逻辑建立数据的 连接关系，将数据内部逻辑连接起来。例如由生 产监控的预警信息触发相邻视频监控的图像，由 应急预案调用 ERP 中的设备信息，这些关联会在 各类业务中所调用。
2.3.2 融合工艺联通逻辑 炼化工艺较为复杂，数 字化工厂设计将设备本身的三维信息、动静态数 据、设备上下游的联通关系、工艺流程图、工艺规 则、加工路线等信息植入，设备模型物理属性和生 产工艺流程充分融合，使得流程在数字化工厂中 将虚拟运转起来。
2.3.3 融合计算模型 数字化工厂不单是整合各 类动态数据的“动态工厂”，更是一个能够模拟工 况来优化生产工艺和策略的“活的工厂”。在融合 业务流程与工艺联通逻辑基础上，结合工艺仿真 模型和算法，如计划优化模型、物料平衡模型、资 源库存模型、油品调和模型等，模拟工况、优化生 产。
2.4 智能、仪表盘、移动应用
2.4.1 基于角色的智能视图导航设计 根据用户 角色，智慧筛选并推送信息。涉及安全生产、设 备、培训、综合管理等不同部门的专业应用，不同 部门对数据的可见性及展现形式具有较大差异。
基于岗位角色的大数据分析，针对每个部门划分 图 1 数字工厂总体构架
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相应的功能权限，其应用的数据、功能、显示内容、
显示模式均根据自身的职责权限自行调整。
2.4.2 仪表盘设计 注重数据统计提炼，不单要将 各类生产数据整合进来，更为重要的是通过对生 产数据的挖掘、抽取与统计分析，将炼厂生产经营 数据、关键生产指标以报表、图表、地图的形式直 观展现，便于机关领导实时掌握企业整体生产运 营状况，为决策分析提供数据支撑。
2.4.3 移动终端应用设计 数字化工厂平台设计 应能够满足越来越多的远程磋商、移动办公需 求。利用 WEBGIS 技术、互联网技术，支持通过 PAD、手机等移动终端以 WEBGIS 方式查看工厂场 景、区域分布、设备设施分布、工艺流程组态以及 工厂各类实时数据。
3 数字化工厂的主要功能 3.1 工程管理
3.1.1 施工前辅助规划 依据设计资料构建虚拟 炼厂，为厂区设计规划前的交流汇报、辅助会商、
错漏碰缺校核等应用提供支撑。
3.1.2 施工过程管理 提供施工数据采集模块，伴 随式采集施工数据；通过对计划施工用料、实际施
工用料数据的采集，为材料到货预警、工程用料分 析提供支撑。
3.1.3 施工进度管理 未完成工程的虚化/透明显 示：对于未建的工程项目或未完成的设备安装，在 系统里设备所处区域和设备可虚化或透明显示。
不在现场的管理人员通过设备的虚化可以很清晰 知道目前工程进展情况，何时开始建设，何时完工 等等信息。在建工程的区别显示：对于正在建设 的过程项目，以颜色或标签区别显示［5］。
3.1.4 施工交流与汇报 利用三维数字化工厂可 以将厂区设计规划、施工进展情况以及建成后的 全貌进行直观、形象地介绍和展示。在工程汇报 与厂区展示方面，系统提供脚本编辑制作工具，用 户可以自行设置编辑介绍的内容、播放的速度和 查看的角度，并支持配音解说。针对不同参观群 体，制作不同的演示脚本。
3.1.5 数字化移交管理 建立统一工程信息编码 规则和工程信息移交规范，保障项目建设阶段文 档数据实现连续性移交和完整的最终数据移交。
3.2 地下管线管理
根据设计与工程资料，同步建设地下管线及
图２ 地下管线及隐蔽工程的三维场景
隐蔽工程的三维场景，见图２。
宏观展示地下工程布局及交叉情况，展示施 工进度，便于设计方案在线讨论会商和审查验证。
按照数据资料采集流程及移交规范，对地下 工程进行计施工记录采集、测绘数据的整合与入 库，并将数据与管线、管件（弯管、三通等）、焊缝等 实体模型三维关联，形成地下工程完备数据库。
3.3 生产运营
（1）生产运行监视。在数字化工厂平台上整 合 DCS、CCTV、MES、ERP 等的各类生产实时数据，
实现生产运行可视化监控。
（2）生产工艺优化。从 MES 系统中获取生产 过程中的执行结果，结合工艺仿真模型和算法，对 生产经营进行科学的分析、评价和预测，及时调整 生产计划和经营策略，优化生产。
3.4 可视化资产
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系统支持设备台账信息、维检修信息、资产信 息、故障缺陷信息等与企业三维场景关联，基于
“所见即所得”的方式查询各种信息。
3.4.1 设备台账可视化管理 系统可对工厂内设 备设施进行分类管理，并可在三维场景中查询设 备设施的地理位置、基本属性等信息。
3.4.2 可视化维检修管理 在系统中维修计划的 制定是以运行状态数据库中所存储的动态数据为 基础，以监测和诊断模块所提供的维修方案为依 据，结合系统中站场所有生产设施的三维模型，可 以定位标绘设备检修结果和关键数据。
3.4.3 吊装操作辅助设计 后台植入吊装数据库，
根据待吊装设备技术参数，平台根据重量、臂长等 筛选满足条件的吊装设备进行吊装作业。支持在 三维场景中设定吊车位置、吊装位置，生成吊装路 线，并可模拟吊装过程，对吊装结果进行查看，同 时对吊装路线进行碰撞检测。
3.5 三维应急管理
日常对危险源和隐患进行可视化监管，支持 预案脚本制作和培训演练。战时是一个充分整合 了地形环境、生产工况、救援力量的应急会商平 台。利用数学模型能够快速地动态模拟任一事故 点的影响范围，从而辅助进行抢险部署、资源调 配，合理下达疏散命令并及时预测事故发展态势，
为应急救援的快速响应和科学决策提供支持。
3.6 三维可视化培训
（1）设备机理培训。支持对装置区关键大型 设备进行三维剖切，展示内部构造，各零件之间的 连接、联动关系以及设备的工作原理，用作生产培 训。
（2）工艺流程培训。将工艺流经过程基于真 实的三维场景、设备设施以及上下游连通关系动 态展示。
（3）HAZOP 培训。支持将 HAZOP 分析成果
（可能发生的故障模式、故障原因、安全措施）等结 合三维场景动态展示。
4 结论
（1）减少因挖断地下管线造成的人力、物力、
材料和停工损失。根据统计平均每次因挖断管线 所造成的人力、物力、材料和停工损失合计约 3 万 元。通过数字化工厂建设，能够将地下管线、光电 缆的准确位置和空间布局有效的管理起来，至少 能够减少因信息不准确造成的挖断事件发生，可 降低挖断事件约 60%~70%，每次节省的费用达到 1.8 万元/次。
（2）减少图纸资料检索查询时间而节省的检 维修停机时间。
以 5 000 kt/a 炼化企业 2015 年检修项目为例，
包括：泵类检修 254 项、风机检修 67 项、机组检修 41 项、特种阀门检修 27 台；技改技措项目 29 项，
工艺和设备动改项目 191 项，安全隐患整改项目 204 项。停工检修耗时长达 30 d。通过数字化工 厂的实施，至少能够为项目检维修节省约 1 d，停 工节省工时将带来巨大的经济效益。
炼油每 min 处理能力约：500×104/365/24/60=
9.5 t。假设原油价格为 48 美元/桶，那么停产 1 min 所带来的损失为 2.03 万元。通过数字化工厂建 设，因节省资料查找时间而减少的检维修停工时 间，所产生的经济效益高达数千万元。
参考文献：
［1］ 张国军，黄刚 . 数字化工厂技术的应用现状与趋势［J］.航空制 造技术，2013（8）：34-37.
［2］ 陆平，张浩，马玉敏 . 数字化工厂及其与企业信息系统的集 成［J］.成组技术与生产现代化，2005（2）：22-24.
［3］ 庄亚明，何建敏 . 数字化工厂动态建模方法研究［J］.中国软科 学，2002（2）：106-110.
［4］ 高洁，张浩，赵荣泳，等 . 数字化工厂软件系统的设计与关键 技术研究［J］.制造业自动化 ，2004（9）：9-12.
［5］ 彭瑜 . 智能工厂、数字化工厂及中国制造［J］.自动化博览，
2015（1）：28-31．
收稿日期：2016-07-26
作者简介：李玺，男，工程师，2005 毕业于辽宁石油化工大学油气 储运工程专业，现在从事项目规划工作。
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