智能制造背景下化工行業智慧互聯的發展模式

劉忠春(江西永通科技股份有限公司，江西 贛州 342800)

0 引言

在現代科技發展的浪潮中，新一代信息技術與工業過程深度融合，提高了工業過程的協同、優化與控制能力，形成了以智能制造為核心的未來制造業發展新模式。2015年國務院印發《中國制造2025》行動綱要標志著我國智能制造強國戰略的正式開啟，近年來，國家又相繼提出了“工業互聯網+”等重大發展戰略，加速了我國產業變革步伐。化工行業屬于流程制造業，是信息技術運用最重要的領域之一，而且隨著我國“碳達峰、碳中和”遠景目標的提出，作為傳統高耗能行業的化工企業也將面臨日益嚴格的環保壓力，智能制造與綠色制造將成為發展必然。不同于傳統的離散型制造行業，化工行業需要在分子、過程、園區及產業鏈上互聯協同，進而形成了化工行業特殊的智慧互聯發展模式，助力化工行業實現智能制造與綠色發展。

1 化工行業發展中的挑戰

1.1 面向全產業鏈的集成

化工行業不僅是支撐我國經濟發展的重要原材料行業，還是資源密集型的高耗能、高污染行業，與能源、材料、環境等領域高度融合，產生了跨企業的全產業鏈集成需求。在全產業鏈集成模式中，化工企業的競爭優勢不僅體現在生產效率與規模上，其對上、中、下游產品的垂直整合能力也必須具有優勢。因此，化工行業不僅需要研究和發展其生產上的內在規律，還需要研究和認識全產業鏈的時空結構及其傳遞與連通機理，這也是未來化工行業工程研究的重點。現在的化工行業正處于以智能化為代表的發展新階段，創新升級正成為化工行業發展新導向，而這種創新無疑需要進行跨領域合作，并以客戶需求為導向，深入推進全產業的集成。

1.2 更嚴格的健康與安全標準

不同于其他行業生產活動，化工行業生產過程中需要高溫、高壓等嚴苛生產工藝，以及化工原材料具有的揮發性、易燃易爆性、易致毒等特征，使得化工行業在生產過程中存在著較大的安全風險。為此，國家針對化工行業提出了更為嚴格的健康與安全標準，并通過法律的嚴格約束，促進化工企業在技術層面對工藝與設備進行升級改造。在智能制造背景下，化工行業還需要利用工業大數據和高性能計算技術以實現安全信息在化工全生命周期內的傳遞與共享，如在化學品生產階段，利用深度學習技術對化學品生產過程中可能安全風險進行預測，幫助員工使用更加安全穩定操作方案。但是，安全不僅是技術上的升級改造，還需要制定出一套科學的安全管理模式，并定期組織員工進行安全知識學習與設備規范化操作培訓。此外，健康與安全還是一項能夠給企業帶來豐厚回報的戰略投資，這也必將開拓化工行業新的價值領域與產業布局。

1.3 綠色循環低碳的發展導向

通過碳減排應對氣候變化已經成為全球共識，在新發展階段，國家提出的“碳達峰、碳中和”目標將成為化工行業綠色、低碳、循環發展的內生動力。化工行業作為傳統的高碳排放行業，其行業的高速發展也一直飽受以污染生態環境為代價的質疑，現實中，化工行業不僅存在著能源消耗碳排放，同時也存在著工業過程碳排放，如：合成氣變換制氫、金屬冶煉、玻璃水泥生產過程中的二氧化碳逸散等。在碳中和的大背景下，綠色、循環、低碳的將成為化工行業未來轉型升級的主要方向，化工行業要實現綠色、循環、低碳發展，技術創新是關鍵，既要充分利用綜合能源服務提高能源利用效率，如：安裝冷-熱-電聯產裝置、利用太陽能和風能發電等，還要大力發展二氧化碳捕集、利用與封存(CCUS)技術，實現化學過程碳減排和提質增效。在碳中和政策的影響下，化工行業應摒棄傳統的高碳發展模式，以綠色、循環、低碳為新的發展目標，進一步推進行業的可持續發展。

2 智能制造背景下的智慧互聯化工

由于化工行業具有生產過程性的特點，在生產過程中需要對原料、反應過程、工廠、化工園區及產業鏈等進行多尺度地協同耦合，以期實現物質、能量、信息、資金等在跨尺度領域的科學分配。因此，化工行業的智能制造與傳統制造業相比存在特殊性，不僅要利用新一代信息技術實現生產過程智能化，還要強調全生產過程及產業鏈的協同與業務流的優化整合。化工行業智能制造是以市場需求與可持續發展為導向，以開放協同和智能化為特色，綠色循環低碳的化工行業新型制造模式，旨在推進化工行業實現轉型升級、提質增效、協同與綠色發展。在具有化工行業特色的智能制造背景下，智慧與互聯將始終貫穿于化工行業未來發展過程中，我們將化工行業智能制造新模式稱之為智慧互聯化工[1]。

智慧互聯化工首先是互聯的，通過將化工過程分為過程尺度、園區尺度與產業鏈尺度等，以實現化工行業面向多尺度互聯的供應鏈網整合。比如在過程尺度，針對產品需求的越來越細化，化工企業要表現出柔性化能力，及時調整生產組織與加工工藝，以適應日益細化的市場需求。其次，智慧互聯化工是綠色的，化工企業不僅可以通過自身技術升級與工藝優化來減少污染物排放，還可以在園區尺度，通過構造化工園區循環產業鏈，進行合理的循環經濟布局，增強園區內化工企業關聯度，實現企業間的耦合共生與末端封閉，在提升效益的同時降低污染。而且，化工園區內還可以增加熱電聯產與太陽能、風能發電裝置，提高能源利用效率，進一步從能源處降低碳排放。最后，智能化是智慧互聯化工重要的技術特征，物聯網、大數據、人工智能和新一代通訊技術正在促進化工生產制造過程的升級改造，而同樣以此為基礎的智慧化工園區試點建設則是未來化工園區發展的主要方向。無疑，以大數據+算法+新一代通訊技術為關鍵要素的技術特征是實現智慧互聯化工的必要條件[2]。

3 智慧互聯化工的典型發展模式

3.1 面向供應鏈協同的柔性生產模式

不同于傳統的規模化生產方式，智慧互聯化工需要在兼顧規模化的同時對客戶個性化需求有著更強的敏捷性和柔性。這就要求生產系統能夠根據客戶需求的變化而迅速調整，以解決小批量、多品種生產模式中的效率問題。當前，建設化工園區以推進化工企業退市入園成為化工行業重要的發展模式，在園區尺度上構建完備健全的供應鏈網絡可以提升企業間的協同制造能力，通過企業間信息共享，快速響應客戶需求，提高產品柔性并縮短生產周期，更好地彌補單個化工企業柔性化水平不高的問題。中國化工新材料(嘉興)園區就是供應鏈協同柔性生產模式的典范，該園區以熱電聯產為核心和源頭，構建起能源-產品-廢棄物-再生資源利用的循環產業鏈，以園區為載體實現供應鏈網的協同制造與化工企業的柔性生產[3]。

3.2 綠色化的工業工程與制造模式

在新發展階段，國家提出的環境保護與“碳達峰、碳中和”目標將成為化工行業綠色、低碳、可持續發展的內生動力。為此，化工行業必須以綠色可持續發展為目標，積極響應國家環保政策號召，推行節能舉措，在工業工程與制造模式領域進行創新，并將循環經濟引入到現代化工行業發展中。基于循環經濟的化工生產過程屬于綠色化學范疇，以化工園區為載體，通過集成多化學反應過程，使一個反應排除的廢棄物盡可能作為另一個反應的原料，以實現反應過程“零排放”，降低廢棄物對環境的污染。另外，低碳化工將是未來化工行業發展的重中之重，通過對化工園區實施園區型綜合能源系統改造，優化冷/熱/電負荷需求結構，進一步降低能耗，并將CCUS等深度脫碳技術應用到化工生產過程中，減少化工過程碳排放。

3.3 智能化設備管理模式

化工行業屬于設備密集型行業，設備智能化是智慧互聯化工的基礎。智慧互聯化工不僅需要實現生產設備的智能化升級改造，還需要構建基于工業互聯網的智能化設備管理模型與智能化設備指標評價體系。智能化設備管理模式是應用于化工全生命周期內的主要過程技術，即從產品研發階段開始到產品生產運行與更進一步的工藝改進，都可以利用智能化設備管理模式，以提升產品研發效率與生產過程中的本質安全。而且，利用智能化設備管理模型對設備的運營管理需求進行系統梳理，還可以對設備運行狀態進行實時監控，并運用大數據分析技術對設備信息進行分析預警，以智能化設備指標評價體系為參考，分析異常警示與故障之間的關聯性，設計預防性的維護計劃，找出設備的最佳維護周期，防止重大安全事故發生，避免非計劃停產損失。

4 結語

綜上所述，在新一輪科技革命的大背景下，智能制造與綠色制造將成為化工行業發展的必然選擇。通過分析現如今化工行業發展中的挑戰，提出了以面向供應鏈協同的柔性生產、綠色化的工業工程與制造與智能化設備管理為代表的智慧互聯化工發展模式，以期推進化工行業實現智能制造與綠色發展。