三維數字化技術 在化工智能工廠中的應用研究

張 劍

(安徽省合肥市東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

化學工業一直是我國核心的工業組成部分之一，它不僅為各個領域提供充足的能源供應，也是現代高分子材料的支柱，其副產品更是可以為農業生產提供化肥、農藥等化工產物和農用塑料薄膜等有機材料，始終是我國發展的重點。然而，隨著現代建設走向高質化和產業鏈化，傳統化工企業大多出現產能過剩、結構性過剩，產業結構和產品結構不合理導致企業的能源效率較低等問題。為此，在信息技術和計算機科學飛速發展的基礎上，以計算機3D建模和數字化模擬為基礎，對化工領域的傳統制造技術進行優化，以進一步提高產能，并對整個生產環節進行合理創新，最終達到產業鏈智能化，是化工企業新的發展方向。

1 三維數字化工廠

1.1 三維數字化工廠的概念

在傳統的化工企業工廠中，相關的統計工作都是由人工完成，通過手寫或大量的EXCEL表格來記錄數據，效率低下且容易出錯，并且工作人員每一次的工作交接都會有隱藏的數據流失或文檔損壞的危險，人員的流動是企業不可避免的問題，這些因素都會對工廠數據保存有著潛在的威脅。

數字化工廠的建立基礎就是以數字化模型、方法和工具構成的綜合網絡，同時將其他擴展技術如仿真模擬和虛擬現實等有機結合在一起，通過強大的信息系統將工廠中所有的數據進行分類呈現，并將連續的數據鏈集成式管理，以提高整體產品生產鏈在整個生產過程中的生產效率和設備的動態性能。以數字化工程和信息工程對企業和工廠進行輔助式的新發展模式被稱為“三維數字化工廠(DF)”。

三維數字化工廠在工業領域的應用改變了工廠原本的工作模式，包括工廠的設備數據管理，更為便捷的安全、維護和檢修工作等。并且，三維數字化工廠與傳統的二維規劃不同，三維建模的存在使得物理空間的表達更為清晰和精準，對于任何出現的變化都可以在原來數據呈現的基礎上進行直接模擬和評估。數字化工程為工程的設備、生產線等系統提供了多方位的精確數據庫，為高效便捷的生產需求提供了有力保障。

1.2 三維數字化工廠的主要技術

工廠數字化的建成是計算機、數據分析等多種信息技術的交叉運用結果，通過對工廠生產和運營等環節進行建模模擬，來實現對工廠全方位、多角度的在線同步觀測和管理，其中，所使用到的技術包括數字化建模、優化仿真、虛擬現實、軟件編輯與集成等多種技術，具體如圖1所示。

圖1 三維數字化工廠建設應用技術Fig.1 Main technologies of 3D digital factory construction

在三維數字化工廠建成所應用的諸多技術中，數字化建模技術無疑是最為核心的模塊，數字化建模可以對工廠進行比例縮小，并按照設備參數和工藝流程在計算機中模擬重現。根據實際生產過程中的要求改變模擬的外部條件，還可以實現對整個生產流程的1∶1重現。優化仿真則主要用于對生產流程的時間、工序和不同工作流程之間的管理進行調整和模擬，如減少設備待機時間、緊湊生產工藝流程，減少生產過程中的無效時間，使得生產流程的效率達到最高。虛擬現實是在傳感器和感知設備的工作下，加強監管人員對生產流程的沉浸式體驗感，便于控制設備與工序。軟件編輯與集成則是對設備的對接進行優化以降低資源的浪費。

1.3 三維數字化技術在智能工廠中的應用優勢

..專業的數據模型

在化學工業領域中，設備和生產線的數據是最能完整、真實地體現設備狀況和生產流程情況的直接渠道。完整的數據應當具有精準、直接、全面3個最為基礎的特征，當工廠出現需要更換或維修設備情況時，一般對設備的調整時間要達到30 d以上，而通過三維數字化平臺對設備的相關參數和以往的工作信息，可以大幅度加快信息采集的進程，提高工作效率。

三維數字化工廠的建立具有特定的標準，在我國頒布的ISO 15926《工業自動化系統與集成及流程工廠》設備設施數據框架標準中明確規定了工程級三維數字化工廠的技術路線和數據模型建立流程。其工作范圍涵蓋大到工廠裝置系統，小到設備零件之間的連接關系，很好的保存了設備信息，為以后設備的調整和工藝的優化提供了堅實的數據基礎。

..行業標準的規范

三維數字化技術建立的基礎是計算機科學和數據工程，經過多年的發展與完善，數字化技術的標準已經趨于成熟，行業標準的規范性使得不同工廠之間的交流和數據對接減少了許多風險，在設備的更新和工藝交流過程中保證了雙方數據的準確性。

..直觀的交互方

虛擬現實技術的應用使得操作人員對設備數據具有很高的可視性和體驗感，即使不懂得計算機技術的設備管理人員也可直觀的體感數據的交互，減少了程序語言帶來的繁雜感。

2 三維數字化技術在智能工廠中的應用

2.1 三維數字化技術在地下設施管理應用

我國化工工廠的運輸系統都有部分鋪設在地下，具有分布廣、年代久的特點，對地下管道的管理和維護就變得相當困難，同時具有較大的工程隱患。利用三維數字化工程對地下管路進行建模重現，并通過信息化管理管道的信息，可以簡單明了地對地下管道的服役情況進行實時監控，減少人力物力的消耗。利用三維數字化技術對地下管路系統進行建模管理還有地下設施工程數據整合、預設作業方案、管理施工、故障預警及評估等優點。

2.2 三維數字化技術在安環管控中的應用

由于化工行業的特殊性質，石油、天然氣、煤粉以及它們的加工產品均具有易燃易爆的特性，石油、天然氣中還含有有機硫、硫化氫等有毒物質，不僅如此，高溫、高壓也是石油化工企業諸多設備的常見工作環境。所以，“安全第一”在化工企業中絕不僅僅只是口號。為了保證安全生產，化工企業都制定了嚴格的安全制度及具體的安全措施。而相對其他領域而言，化工工廠的安全管理范圍較廣，事故情況復雜，一旦出現問題，需要在極短的時間內快速反應并針對性的處理。三維數字化技術的應用則將工廠內各個設備參數和工藝流程的信息進行統籌，有助于對事故設備信息、相關流程的運行情況和危險性、人員疏散等多個方面進行分析和匯總，為安全防范和處理提供了堅實的數據支撐和技術幫助。

2.3 三維數字化技術在腐蝕監測和管理中的應用

在化工行業中，由于液相物料中經常混雜硫化氫、二氧化碳等酸性介質，管道和設備的腐蝕問題較為嚴重；而一旦運輸管道等設備失效，則可能導致發生嚴重的液相物料泄露的問題。所以，設備和管道的腐蝕防護與管理是不可忽視的一部分。然而，石化工廠的生產流程繁多，管道運輸系統極為復雜，且在運輸石油的過程中，在液相物料的沖擊或酸性介質的影響下，管道和設備的腐蝕問題受到很多因素影響。

利用三維數字化系統對液相物料的流速、pH值的檢測等信息進行模擬，在對相關裝置進行三維建模和條件施加的基礎上，同步使用傳感器則可以實現對整個工廠管道設備的在線腐蝕監測與防護，指導腐蝕排查，還能做到預防腐蝕失效。

2.4 三維數字化技術在智能工廠應用展望

傳統化工工廠的信息處理方式不僅耗費巨大的人力、物力，準確率也遠遠不及三維數字化技術在智能工廠的應用，并且，在虛擬現實和軟件編輯與集成系統的支持下，工作人員可以更為簡單、便捷地對整個工廠流程進行在線監控和管理，然而隨著計算機科學和信息工程的發展，三維數字化技術給化工工廠帶來的將不僅僅是設備系統的全面信息支持，也為工廠的管理提供更為流暢的優化管理和應用前景，對工廠中繁雜的系統進行有機整合和調整，等比例按照實際的物理空間實景展現給管理人員，更為便捷地實現對系統的檢測、維護與管理。

3 結語

三維數字化工廠的建立對傳統化工企業的產業效率提升和產業結構調整有重大意義，其不僅可對實際工廠中的產業流程提供模擬重現和動態演示，使得工作人員可在電腦觀察到整個工廠中產品生產過程；也能對工廠生產流程進行調整和優化，減少系統的無用時間，實現生產效率的提升；內置的行業標準和虛擬現實技術的應用更是可以提供生產流程的動態演示，加深員工對工作的了解。簡而言之，三維數字化智能工廠可以有效提高化工產業的效率，有著準確的數據支撐，和廣闊的應用前景及技術優勢。