基于數(shù)字孿生的石化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用案例 ——石油和化工工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺ProMACE創(chuàng)新應(yīng)用
石化盈科信息技術(shù)有限責(zé)任公司（以下簡稱石化盈科）成立于2002年，是能源化工行業(yè)唯一一家全產(chǎn)業(yè)鏈解決方案和產(chǎn)品提供商，為國家規(guī)劃布局內(nèi)重點軟件企業(yè)，連續(xù)多年躋身中國軟件收入百強企業(yè)前50名。依托中國石化信息化建設(shè)實踐，石化盈科已經(jīng)構(gòu)建起從咨詢、設(shè)計研發(fā)到交付和運維的完整IT服務(wù)價值鏈，形成了經(jīng)營管理、智能制造、智能物流、新一代電子商務(wù)、云計算和大數(shù)據(jù)五大核心業(yè)務(wù)。
石化盈科打造的面向石油和化工行業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺ProMACE，是新一代信息通信技術(shù)與實體經(jīng)濟深度融合的基礎(chǔ)設(shè)施，是支撐流程型智慧企業(yè)研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、供應(yīng)鏈管理、營銷服務(wù)各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的核心載體；是信息物理系統(tǒng)（CPS）在石油和化工行業(yè)的具體實現(xiàn)；是流程制造數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的關(guān)鍵引擎。
1、 基于數(shù)字孿生的創(chuàng)新應(yīng)用
基于數(shù)字孿生的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，融合了十多年石化行業(yè)經(jīng)驗與認(rèn)知，將數(shù)字孿生技術(shù)沉淀于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，通過構(gòu)建以資產(chǎn)模型、工廠模型、機理模型、工業(yè)大數(shù)據(jù)模型、工業(yè)專家知識庫為核心的數(shù)字孿生體，支撐典型智能應(yīng)用，為石油和化工行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展提供新動能。
1. 石化行業(yè)新形勢新要求
石化工業(yè)作為國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)和支柱產(chǎn)業(yè)，為國民經(jīng)濟的快速發(fā)展做出了重要貢獻。經(jīng)過多年發(fā)展，我國的煉油加工能力、化學(xué)品生產(chǎn)能力已居世界第一。但同時也面臨結(jié)構(gòu)產(chǎn)能過剩、環(huán)保要求、安全要求、成本上升、人才流失、核心技術(shù)亟需國產(chǎn)化等壓力或挑戰(zhàn)。
在這樣的發(fā)展趨勢下，企業(yè)僅靠傳統(tǒng)的控制和管理方法已經(jīng)適應(yīng)不了新形勢下生產(chǎn)的需要，必須依靠信息化建設(shè)的引領(lǐng)作用，兩化深度融合，走新型工業(yè)化道路。基于數(shù)字孿生的石化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用，正是石化盈科在提升用戶競爭力、順應(yīng)時代發(fā)展、響應(yīng)國家戰(zhàn)略行動中形成的重要成果。
2. 數(shù)字孿生的三個要素
石化盈科通過信息技術(shù)與石化業(yè)務(wù)深度融合，依托石化行業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺“賦能、賦值、賦智”，實現(xiàn)工業(yè)知識、模型和經(jīng)驗的承載和推廣，提供智能化轉(zhuǎn)型“核心驅(qū)動引擎”。其中，數(shù)字孿生體是核心，對石化工業(yè)進行可視化模型化描述。運行支撐環(huán)境是基礎(chǔ)，通過工業(yè)物聯(lián)接入、工業(yè)數(shù)據(jù)湖和工業(yè)實時優(yōu)化計算為數(shù)字孿生提供泛在感知、數(shù)據(jù)分類存儲和實時計算的環(huán)境。典型智能應(yīng)用是關(guān)鍵，服務(wù)于最終用戶，實現(xiàn)企業(yè)的節(jié)能降耗、降本增效。
3. 創(chuàng)新應(yīng)用價值實現(xiàn)
建立基于數(shù)字孿生的石化工廠多維度、全方位模型，提供數(shù)字孿生核心組件和應(yīng)用，打造以資產(chǎn)、物流為核心的業(yè)務(wù)新模式，實現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型。通過優(yōu)化生產(chǎn)過程，降本增效；通過轉(zhuǎn)變管控模式，提升管理效率；通過監(jiān)控優(yōu)化設(shè)備性能，保障安穩(wěn)長滿優(yōu)；全面提升客戶價值，幫助客戶取勝新形勢下的市場競爭。
二、從構(gòu)架到落地的實現(xiàn)路徑
1. 基于數(shù)字孿生的應(yīng)用架構(gòu)
基于數(shù)字孿生的石化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用案例依托石油和化工工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺ProMACE，由石化工業(yè)數(shù)字孿生體、運行環(huán)境和典型智能應(yīng)用三部分組成。
圖1 基于數(shù)字孿生的總體架構(gòu)
（1）石化工業(yè)數(shù)字孿生體
全廠數(shù)字孿生模型是立足于ProMACE工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，利用數(shù)字孿生建模工具集構(gòu)建。
1) 資產(chǎn)模型描述煉化企業(yè)的物理資產(chǎn)
描述石化工廠中物理資產(chǎn)的功能位置、機械特性、工藝特性、物理組成等本體數(shù)據(jù)和活動記錄。對企業(yè)重點裝置進行工程級和仿真級三維建模，對重點設(shè)備建立可拆解的工程級模型。
2) 工廠模型描述石化工業(yè)的業(yè)務(wù)管理實體
將資產(chǎn)模型進行組態(tài)，形成適應(yīng)多業(yè)務(wù)場景的工廠信息化模型。將工廠按層次劃分為組織層、區(qū)域?qū)雍凸?jié)點層。
3) 機理模型描述生產(chǎn)反應(yīng)及運行過程
根據(jù)嚴(yán)格的“三傳一反”工藝機理模型，使用流程模擬工具，對設(shè)備以及生產(chǎn)過程，包括反應(yīng)、精餾、吸收、萃取、換熱、結(jié)晶等，根據(jù)所給過程的條件，對相應(yīng)過程進行物料平衡、能量平衡、相平衡及化學(xué)平衡的計算，發(fā)掘生產(chǎn)潛能，從而指導(dǎo)科研、設(shè)計、生產(chǎn)等工作。
4) 工業(yè)大數(shù)據(jù)模型描述生產(chǎn)企業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計規(guī)律
構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析模型，支撐裝置收率預(yù)測、質(zhì)量預(yù)測、操作工藝點預(yù)警預(yù)測等。數(shù)據(jù)統(tǒng)計模型通常有底層的通用算法和業(yè)務(wù)規(guī)則構(gòu)成比較復(fù)雜的分析模型。
5) 工業(yè)知識庫沉淀行業(yè)規(guī)則、經(jīng)驗和案例
將設(shè)備、物料、工藝、操作、質(zhì)量、能源、環(huán)保、安全、應(yīng)急等石化行業(yè)各業(yè)務(wù)域的行業(yè)知識、案例通過平臺進行沉淀，形成石化行業(yè)知識庫，形成知識即服務(wù)體系，為工業(yè)應(yīng)用提供知識和算法支撐。
（2）數(shù)字孿生運行支撐環(huán)境
1) 工業(yè)物聯(lián)接入
通過工業(yè)物聯(lián)接入服務(wù)，實現(xiàn)對工廠設(shè)備設(shè)施的泛在感知，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、接收、集成、轉(zhuǎn)換，準(zhǔn)確描述現(xiàn)場實際物理情況。
2) 工業(yè)數(shù)據(jù)湖
通過工業(yè)數(shù)據(jù)湖構(gòu)建工廠數(shù)據(jù)中臺，將資產(chǎn)模型、工廠模型、工業(yè)物聯(lián)、實時優(yōu)化等能力在數(shù)據(jù)層面有機的結(jié)合起來，是面向工業(yè)數(shù)據(jù)存儲和分析的服務(wù)工具。
3) 實時優(yōu)化計算
以工藝機理模型為核心，將設(shè)備和裝置生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)（實時數(shù)據(jù)、化驗數(shù)據(jù)、設(shè)備臺賬等）送入模型模擬計算，得到設(shè)備、裝置的優(yōu)化結(jié)果，輔助企業(yè)對裝置運行參數(shù)做出優(yōu)化調(diào)整。
2. 應(yīng)用場景和應(yīng)用模式
（1）大機組仿真培訓(xùn)
基于數(shù)字孿生資產(chǎn)模型的大型機組仿真培訓(xùn)與互操作，提升用戶檢維修和操作機組技能。包含機組結(jié)構(gòu)原理培訓(xùn)、機組檢維修培訓(xùn)、機組試車培訓(xùn)、機組操作培訓(xùn)、日常維護培訓(xùn)和異常處置培訓(xùn)六個功能模塊，并設(shè)置課程中心，通過課程管理進行課程設(shè)置和考核編輯。
圖2 壓縮機剖切模型
（2）設(shè)備健康管理
基于數(shù)字孿生工業(yè)大數(shù)據(jù)模型的大型工業(yè)設(shè)備健康管理，幫助企業(yè)實現(xiàn)動設(shè)備預(yù)防性維修，減少非計劃停工。包括：運行管理與預(yù)警、在線運行分析、故障診斷與預(yù)測和腐蝕評估與預(yù)測。
圖3 腐蝕診斷與評估
（3）工藝優(yōu)化與診斷
基于機理模型、工業(yè)知識庫和工業(yè)大數(shù)據(jù)模型的工藝機理模型，可以對生產(chǎn)過程的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控、分析、預(yù)警和評價，通過軟儀表、工況分析與診斷、系統(tǒng)優(yōu)化等應(yīng)用，分析生產(chǎn)瓶頸，深挖工藝潛力，以市場為導(dǎo)向，指導(dǎo)企業(yè)降低生產(chǎn)成本，增產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，提高企業(yè)整體經(jīng)濟效益。
圖4 工藝過程實時優(yōu)化
（4）煉化物料平衡
基于工廠模型、工業(yè)知識庫的物料平衡，實現(xiàn)生產(chǎn)全流程、全天候物流跟蹤，實時發(fā)現(xiàn)問題，提升運營精細(xì)化水平。主要包括物料移動、物料平衡、統(tǒng)計平衡、指令執(zhí)行、業(yè)務(wù)流程自動化、崗位工作臺六大模塊。確保企業(yè)指令從下達到現(xiàn)場作業(yè)信息感知及反饋均有線上管理手段支撐；對裝置、罐區(qū)、進出廠、倉儲的批次管理提升對物流量、質(zhì)跟蹤追溯的能力；實現(xiàn)多系統(tǒng)崗位工作統(tǒng)一管理。
圖5 全廠物料平衡
（5）調(diào)度指揮
基于工業(yè)知識庫，實現(xiàn)調(diào)度指揮在線閉環(huán)。提升協(xié)同指揮效率，提高科學(xué)決策水平。支撐全廠調(diào)度指揮應(yīng)用，實現(xiàn)基于管理知識的調(diào)度智能化。生產(chǎn)監(jiān)控為運行、進出廠、罐區(qū)、物料平衡等敏感環(huán)節(jié)提供高效監(jiān)控工具。預(yù)警告警為運行人員提供生產(chǎn)報警、生產(chǎn)預(yù)警、智能處理等信息。基于調(diào)度指令生成規(guī)則，對調(diào)度指令的編制、審核、發(fā)布、執(zhí)行與反饋過程實現(xiàn)在線閉環(huán)管理。
圖圖6 調(diào)度指揮平臺
三、實現(xiàn)價值，開拓創(chuàng)新
1. 實施效果
（1）大機組仿真的應(yīng)用
實現(xiàn)了壓縮機、汽輪機、干氣密封和潤滑油系統(tǒng)機組模型以及配套場景的三維可視化建模，各個機組的培訓(xùn)課程設(shè)計及拆裝展示與培訓(xùn)。并實現(xiàn)了PC和移動端多平臺的仿真培訓(xùn)模式，使新員工操作知識和技能得到快速、大幅提高，從而提高培訓(xùn)效率，提升了員工培訓(xùn)質(zhì)量和效果，減少了員工學(xué)習(xí)時間和培訓(xùn)成本。
（2）設(shè)備健康管理的應(yīng)用
通過實施強化了設(shè)備運行狀態(tài)感知、監(jiān)測和管理，提升了設(shè)備健康運行水平，使各級設(shè)備管理部門實時準(zhǔn)確的了解當(dāng)前的設(shè)備運行狀態(tài)，提升設(shè)備異常狀態(tài)預(yù)警和處置能力。引入模型和數(shù)據(jù)分析工具，評估設(shè)備運行狀態(tài)，優(yōu)化現(xiàn)場操作，降低設(shè)備運行風(fēng)險，支撐裝置長周期運行。通過預(yù)測故障，提前進行計劃維修，降低事故發(fā)生概率，避免非計劃停車。
（3）工藝優(yōu)化與診斷的應(yīng)用
提供生產(chǎn)裝置優(yōu)化解決方案，對生產(chǎn)過程的操作方案、工藝技術(shù)參數(shù)、裝置潛力和瓶頸等進行經(jīng)常性的定量分析和診斷，優(yōu)化裝置生產(chǎn)操作。把原油調(diào)合成套裝備與原油近紅外快評工具、原油加工優(yōu)化軟件深度融合，實現(xiàn)了對近百余種原油配方優(yōu)化和組分的精確控制，原料組分穩(wěn)定可控，確保了常減壓裝置平穩(wěn)經(jīng)濟控制。同時，將大數(shù)據(jù)分析與機理分析相結(jié)合，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)、石腦油原料進行分析建模，建立操作樣本庫，指導(dǎo)工藝參數(shù)優(yōu)化.通過機理模型驗證后，提高汽油收率和辛烷值，增效顯著。
（4）物料平衡的應(yīng)用
覆蓋生產(chǎn)裝置、罐區(qū)、碼頭、倉儲、進出廠、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)統(tǒng)計、計量等生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)，向下對接實時數(shù)據(jù)庫和LIMS，向上為ERP系統(tǒng)提供及時、準(zhǔn)確和完整的生產(chǎn)物料數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生產(chǎn)物流全流程管控。提升生產(chǎn)業(yè)務(wù)規(guī)范化水平，規(guī)范裝置、罐區(qū)、統(tǒng)計等業(yè)務(wù)管理流程，固化并形成標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)流程。實現(xiàn)了從原料進廠到產(chǎn)品出廠的全過程跟蹤和精細(xì)化管理。支撐生產(chǎn)統(tǒng)計月結(jié)提速，實現(xiàn)“日平衡、旬確認(rèn)、月結(jié)算”。
（5）調(diào)度指揮的應(yīng)用
實現(xiàn)調(diào)度自上而下、物料移動自下而上的業(yè)務(wù)流程自動化；創(chuàng)新物料統(tǒng)計平衡模式，實現(xiàn)班組、調(diào)度、統(tǒng)計數(shù)出一門。整覆蓋全公司生產(chǎn)業(yè)務(wù)調(diào)度指令流轉(zhuǎn)體系，將日計劃轉(zhuǎn)化為調(diào)度指令，實現(xiàn)指令從公司級調(diào)度、儲運/港儲調(diào)度、內(nèi)操、外操的在線閉環(huán)管理，調(diào)度指令與物料移動實時同步、業(yè)務(wù)聯(lián)動。在人員數(shù)量不變的情況下，使指令執(zhí)行效率顯著提高，實現(xiàn)新型減員增效。
2. 經(jīng)濟效益與社會效益
石化數(shù)字孿生應(yīng)用在中國石化下屬4家智能工廠試點企業(yè)投用，并向大型煉化企業(yè)、民營企業(yè)推廣。4家試點企業(yè)累計增效超過29億元（其中與數(shù)字孿生應(yīng)用相關(guān)經(jīng)濟效益為4.9億元/年），3家企業(yè)被評為國家智能制造試點示范，2家企業(yè)被評為國家首批綠色示范工廠。
ProMACE的創(chuàng)新應(yīng)用為我國石化企業(yè)樹立一個面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生應(yīng)用的模板和標(biāo)桿，還可為各類智能工廠所涵蓋的智能化技術(shù)提供應(yīng)用示范平臺。建設(shè)石化數(shù)字孿生應(yīng)用，具有示范性及代表性，符合國家“制造強國”戰(zhàn)略的核心內(nèi)容，打造數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的新名片，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)。建設(shè)過程中沉淀大量生產(chǎn)控制和過程數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)、人工智能等工具進行分析和試驗，促進了優(yōu)化和控制模型的產(chǎn)生和驗證，幫助企業(yè)快速獲取行業(yè)的最佳實踐、彌補自身不足。石化工業(yè)數(shù)字孿生應(yīng)用屬于典型的石油和化工行業(yè)工業(yè)軟件，通過研發(fā)和建設(shè)，打破了國外同類軟件在國內(nèi)的壟斷地位，提高了國產(chǎn)化自主可控水平。
3. 先進性與創(chuàng)新點
首次在石化行業(yè)建立了石化信息物理系統(tǒng)，及其體系結(jié)構(gòu)、單元模式結(jié)構(gòu)、單元層級結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和計算架構(gòu)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺上實現(xiàn)了石化信息物理系統(tǒng)的工程化實踐。
以ProMACE為平臺，首次實現(xiàn)了對石化工廠全方位的數(shù)字化、模型化描述。包括含物理資產(chǎn)描述的工廠模型、裝置與設(shè)備的三維模型、工藝機理模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動的大數(shù)據(jù)分析模型、基于專家經(jīng)驗的業(yè)務(wù)模型等。通過對工廠設(shè)計全過程的工程管理以及數(shù)字化交付，構(gòu)建煉化生產(chǎn)企業(yè)數(shù)字孿生，為企業(yè)生產(chǎn)運行提供可視化的環(huán)境。實現(xiàn)了基于數(shù)字孿生的資產(chǎn)全生命周期管理新模式。率先實現(xiàn)了全面感知、實時監(jiān)控、預(yù)測預(yù)警、智能處置、協(xié)同優(yōu)化、精準(zhǔn)執(zhí)行、學(xué)習(xí)提升的新一代生產(chǎn)營運管控的新模式。
四、追求無止境，創(chuàng)新不停歇
將石化行業(yè)應(yīng)用實踐和成果，轉(zhuǎn)化成面向全流程工業(yè)的“操作系統(tǒng)”標(biāo)準(zhǔn)與整體解決方案，向能源化工和其它流程行業(yè)領(lǐng)域推廣。
從支撐面向生產(chǎn)制造過程智能化的智能工廠、智能油氣田和面向產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計與科研活動過程的智能研究院，向支撐智能供應(yīng)鏈、數(shù)字化工程和智能加油站的場景發(fā)展，最終實現(xiàn)流程制造行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的應(yīng)用支撐。
在中國石化大型煉化企業(yè)全面推廣的基礎(chǔ)上，進軍民營大型煉化企業(yè)市場，推動民營煉化企業(yè)向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，強化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺在現(xiàn)代煤化工、生物化工等市場的優(yōu)勢地位。并借助“一帶一路”國家戰(zhàn)略，打開國際市場。
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