淺析三維數字化工廠技術在煉油化工企業中的應用

董 超

（大慶煉化公司信息中心，黑龍江 大慶 163411）

0 引言

隨著煉油化工技術的逐步發展，石化企業生產規模越來越大。盡管自動化程度不斷提高，但由于用工不斷減少，人員不足，企業在生產運行、生產管理、安全環保等方面仍然面臨著越來越大的壓力和挑戰。大型石油石化企業一般擁有幾十套生產裝置，數不清的管線和閥門，單純依靠圖紙，難以完全掌握其實物設備的具體空間位置，現有的DCS、MES、ERP、HSE 等生產運行和業務管理系統也無法同時展示設備、管線、閥門等的屬性信息和空間信息。為了將現有的信息系統與設備、管線等現場實物有機融合，提高生產管理人員發現、處理問題的速度，結合當下三維建模與系統集成的發展趨勢，專家們提出了“三維數字化工廠”的概念。

1 三維數字化工廠的關鍵技術

1.1 數字化建模技術

需要建立裝置設備模型、生產環境模型、工藝模型（工藝規則、加工路線）以及生產管理模型（系統的限制和約束關系）等。三維數字化工廠是建立在模型基礎上的綜合應用管理系統，所以數字化建模是數字化工廠的基礎。

1.2 優化仿真技術

在數字化建模的基礎上，對生產系統裝置設備布置、加工能力、加工路線等各方面進行動態仿真和優化。

1.3 虛擬現實技術

文本信息、圖表和二維圖紙很難滿足數字化煉廠的需求。隨著三維技術發展，具有沉浸性的虛擬現實技術使用戶能身臨其境地感受裝置的設計建造過程和生產加工過程，使用戶對現場工藝的了解更全面、準確、便捷。

1.4 軟件之間的重組和集成

數字化工廠軟件模塊之間以及和其他軟件模塊之間的信息交換和集成。

1.5 應用工具

產生虛擬環境的工具集、各值班費數據轉換工具、設備控制程序的生成器、各種報表的輸出工具等。

2 目前三維數字化工廠主要的建模方法

2.1 手工建模法

依靠高清現場照片、紙質資料或電子版資料作為建模依據，運用手工的方式，在三維繪圖軟件中建模。然后，再讓裝置現場技術人員進行校對，最后根據校對結果進行完善的建模方法。

2.2 導入模型法

導入模型法是將裝置工程設計數字化移交的三維PID 模型通過格式轉換，直接導入到三維工廠系統的建模方法。

2.3 激光掃描建模法

激光掃描建模法是運用激光掃描儀對現場裝置進行360°的全景掃描，掃描前在場景中布置一定數量的標靶，掃描結束后在輔助軟件上按照相同標靶對圖像進行拼接，形成與現場一致的點云，然后再依托這些點云進行建模。

3 三維數字化工廠的實施過程

應用數字化工廠技術建設數字化煉化系統的一般實施方式是：首先建立煉廠包括設備靜態屬性信息的二維和三維模型，再嵌入各設備實時信息（機組檢測、物流數據、工藝狀態等設備相關數據），并與運營管理綜合層面的信息系統進行集成，實現煉廠信息的三維綜合展示和模擬。

三維數字化煉廠實施的步驟大致為：

（1）構建全廠裝置、設備的三維模型，或手機、轉化工程設計建設中產生的三維模型。

（2）數字化煉廠全生命周期管理系統建立。

（3）工程設計文檔集成（電子PID 圖、CAD 圖）。

（4）其他各種信息化系統集成（MES、ERP、視頻監控等）。

顯示集成：根據共享的公用識別密鑰在公用門戶中顯示來自多個系統的數據。例如：將來自工程設計基礎和維護系統的儀表數據顯示在同一個門戶網站中。

數據集成：將來自多個來源的數據整合到公用儲存庫中。例如：將來自多個承包商的數據導入到公用工程數據庫中。

應用程序集成：提供在多個應用程序之間映射和交換數據的機制。例如：在工程設計基礎上創建或更新的位號將觸發更新維護系統中的相應功能位置。

業務流程集成：對應用程序集成進行了擴展，以將所涉及的業務流程考慮在內并提供用戶干預、在接收系統中啟動操作等功能。

合成小程序：在公用用戶界面中無縫利用兩個或多個系統中的數據，從而提供個別系統中沒有的新功能。

4 三維數字化工廠的功能應用

4.1 三維模型展示

三維立體展示裝置、罐區、設備、管線（包括地上地下）、閥門的物理分布情況，同時顯示模型經度、維度、高程等信息。

4.2 生產工藝管理

集中顯示裝置、設備各位號的實時數據及趨勢、閾值報警、裝置生產報表等信息。實時數據來源于MES、生產工藝報警平臺等系統數據，通過開發數據接口，將實時數據寫入系統數據庫中，再由系統界面實時刷新顯示。

4.3 管線、設備管理

通過選中塔、泵、壓縮機、罐、管線等設備，顯示設備、管線基本信息、操作規程、技術參數、故障信息、維修記錄、配件及庫存等信息。

4.4 HSE 管理

在系統中的三維模型上可實時顯示各關鍵監測點的環境監測數據和報警信息。

4.5 工業視頻信息顯示

系統可集成顯示工業監控攝像頭實時畫面，點擊三維場景上的模型可彈出工業監控實時畫面。

4.6 快速查找、查詢和檢索

可通過輸入模型名稱、位號、設備名稱、管線名稱、消防栓名稱等實現搜索和快速定位。

4.7 智能視圖（三維漫游）

三維數字化工廠可實現基于角色的、靈活的導航方式，包括隨機漫步、順序顯示等，全方位展示三維模型。

4.8 異常管理

當生產裝置出現異常時（包括：工藝指標超標、環保監測指標超標、平穩率超標等），平臺自動報警，點擊報警信息，視角可自動跳轉至發生問題的界面，便于快速定位、分析問題。

4.9 可視化培訓

通過錄制腳本，實現各類操作（開工、停工、突發事件處理等）和危險場景應急演練的可視化培訓。可以根據需要制作腳本，實現定點瀏覽、視角移動、打開或關閉各類數據、設置文字和圖片標簽等。可以播放、暫停、停止播放腳本，也可搭配專業仿真軟件進行仿真培訓。

5 總結

三維數字化工廠具備直觀、精確、集成、協同等優點，通過精確的實體（塔、罐、泵、房屋、地上地下管線）位置和層級描述，提供準確的3D 全景展示；通過與實體實際狀況準確對應，易于變更維護，確保與實體改造同步更新。實現跨專業集成和設備模型、物理屬性、生產工藝流程的充分融合，通過集成實體的內部和外部各種屬性，實現實體信息、經營管理和生產流程數據的完美結合。

通過三維數字化工廠的建立，可將MES、ERP、工業視頻監控安全預警等系統進行有效結合，便于各級生產管理人員和一線操作人員關注生產實際運行情況，指導一線技術和操作人員，加快分析、處理解決故障的速度，降低事故發生的風險，保障裝置平穩運行。