智能天然氣凈化廠建設實踐

高進，張孜博，傅適，李顯良

(中國石油西南油氣田分公司 重慶天然氣凈化總廠，重慶401147)

自中國提出智能制造以來，為了促進和加快智能制造的進程，實現智能制造強國的夢想，先后出臺了《國家智能制造標準化建設體系指南》《機器人產業發展規劃(2016—2020)》《關于深化制造業與互聯網融合發展的指導意見》《智能制造發展規劃(2016—2020)》等文件，有效推動了智能工廠建設在各行各業的蓬勃發展，在全國也出現了多家智能工廠建設的示范單位。

中國石油西南油氣田分公司重慶天然氣凈化總廠(以下簡稱凈化總廠)主要負責天然氣凈化業務，并利用脫除的含硫化合物生產硫磺，是國內最早從事天然氣凈化的專業化公司，現有凈化裝置20套，具有處理原料天然氣2.4×1010m3/a的生產能力，是綜合配套齊全、技術先進的大型天然氣凈化廠[1]。面對新時代天然氣大發展的黃金時期，該分公司建立全國最大天然氣生產基地的發展戰略；面對員工數量逐年遞減而裝置數量逐年增多的現狀以及提質增效的壓力，公司承擔智能凈化廠建設試點的主體責任，結合凈化總廠建設中國天然氣凈化基地的戰略定位[2]，凈化總廠有必要進行智能工廠建設作為其推動和實現自身戰略目標的驅動力。

1 智能凈化廠特征及建設實施建議

1.1 智能凈化廠

智能凈化廠是通過自動化、信息化、工業化、現代管理、信息物理系統等綜合技術手段，使天然氣凈化廠的生產運營過程具有全面感知、分析預測、自主決策、優化執行的能力，實現工廠的辦公、管理及生產自動化，達到加強及規范企業管理、減少工作失誤、堵塞各種漏洞、提高工作效率、安全生產、提供決策參考，最終達到動態平衡、最優生產、無人(少人)干預、效益最佳的目標[3]，構建高效、節能、綠色、環保、舒適的人性化工廠。

潘云鶴院士在“2019中國(杭州)工業互聯網大會”上的主題演講中提出： 工廠智能化主要體現在兩個方面，首先是生產過程智能化，其次是生產管理的智能化。因此，簡單的說，智能凈化廠就是在自動化、數字化的基礎上，綜合云平臺、物聯網、大數據分析、機器學習、AR/VR等新一代智能化技術，構建具有“全面感知、自動操控、智能預測、輔助決策”特征的天然氣凈化廠。

1.2 智能凈化廠建設愿景

智能凈化廠是以“生產運行操作受控、安全環保風險受控、設備設施完整受控、檢查維修質量受控、經營管理數字化、輔助決策智能化”為建設需求，打造“生產動態全面感知、生產過程自動控制、流程業務模塊化、生產裝置可視化、趨勢特征智能預判、輔助決策科學敏捷”的核心能力，最終實現“產品氣合格外輸、三廢達標排放、裝置安全高效運行”的智能凈化廠。

1.3 凈化總廠智能工廠建設實施建議

通過學習借鑒四川石化、九江石化等國內石化企業智能工廠建設案例，參考國家、石油化工行業、中國石油集團公司、西南油氣田分公司等相關標準以及兄弟單位的物聯網建設成果，根據智能凈化廠的定義、特征，并結合天然氣凈化廠的特點以及凈化總廠智能工廠建設現狀和生產、管理需求，提出智能凈化廠建設實施建議。

1.3.1智能凈化廠建設方案

智能凈化廠建設緊密遵循公司整體發展規劃，按照分公司信息化頂層設計，匹配分公司“三步走”的業務戰略，充分利用分公司已有資源和系統，整合凈化分廠控制網、視頻網、物聯網中的各類數據，實現數據在生產網—辦公網中的傳輸、存儲和應用。采用自動化技術、實時優化技術、機器人技術，提升天然氣凈化生產全過程自動化水平；采用物聯網技術、大數據技術、數據集成技術、數字孿生技術、云計算技術、人工智能等多種主流信息技術，建立天然氣凈化生產全過程遠程監控、多業務協同、預測預警等功能的一體化管控系統。實現天然氣凈化工藝全過程實時洞察、全面感知，進而達到自動操控，提升生產全過程安全管控水平，最終實現智能凈化廠建設目標。

1.3.2智能凈化廠總體架構

智能凈化總廠實行辦公網和生產網兩網并行運行，其間不能實現數據互通，必須通過分公司級或以上的數據中心才能實現兩網互通。生產網由1個平臺和2個數據庫組成，實現凈化裝置的智能生產、智能運行、智能作業；辦公網由1個平臺和1個數據庫組成，實現天然氣凈化廠企業智能管理。智能凈化廠總體架構如圖1所示。

圖1 智能凈化廠總體架構示意

1)生產網架構。1個平臺是指建設以生產作業智能預測預警為目標，基于物聯網及工業控制系統的凈化智能生產一體化平臺，平臺分為作業管控層和指揮協同層。作業管控層為分廠層級，實現智能預測預警、設備監測、安環監測、智能巡檢、智能報警、操作監控、作業監控、應急指揮、數字孿生系統等功能；指揮協同層為總廠層級，實現遠程診斷、生產跟蹤、視頻監控、協同調度指揮、音視頻融合等功能。

2個數據庫是指分廠物聯網數據庫和凈化總廠生產集成數據庫。分廠物聯網數據庫實現物聯網數據、視頻數據、工業控制系統實時及歷史數據本地化存儲，支持分廠層級生產作業管控的需要；每個凈化分廠都需建立1個物聯網數據庫。凈化總廠生產集成數據庫實現各凈化分廠物聯網數據的采集、匯聚存儲，并支撐總廠指揮協同業務需要。

2)辦公網架構。1個應用平臺是指基于凈化業務數據池，通過大數據分析等技術手段實現凈化總廠層級三維凈化智能管理一體化平臺，增強安全、生產、質量、銷售、設備、調度等業務領域核心信息系統和核心數據的綜合集中和共享，為管理者提供全面監測運營與分析的決策系統，形成以平臺為核心的數據集成共享通道，打破壁壘，增強外部數據獲取與分析能力，為各級管理提供數據支撐，實現針對各個業務主題的數據建模、分析以及運營監測管理，使得公司決策和各管理層“看得到、管得著、控得住”。

基于分公司開發生產管理平臺，為凈化分廠打造分廠數字化管理子系統以及凈化廠完整性管理信息子系統。分廠數字化管理子系統實現分廠巡回檢查、常規操作、分析處理、維護保養、檢查維修(施工作業)、變更管理、屬地監督、作業許可、危害因素辨識、智能庫房管理等管理流程的標準化、規范化、數字化。凈化廠完整性管理信息子系統是依托分公司天然氣研究院在凈化領域研究多年的成果，繼續開展風險評價技術研究及實踐應用、體系文件編制、信息平臺研發、無損檢測技術應用、腐蝕監測系統研發等，為凈化廠提供完整性管理技術支持。

1個數據庫是指1個凈化業務數據池，依托西南油氣田分公司西南區域數據湖，搭建凈化業務數據池，凈化業務數據池是分公司數據湖的子集，凈化業務數據匯入數據湖，實現凈化數據采集、治理及對外服務。

1.3.3智能凈化廠網絡架構

智能凈化廠網絡架構在分廠層級通過OPC服務器采集DCS實時數據，通過視頻網關將視頻專網中的視頻進行轉換、實現流媒體數據采集轉發，通過物聯網網關將物聯網中不同通信協議的設備進行協議轉換，實現物聯網設備的連接和通信、采集。實時數據、流媒體數據以及物聯網數據采集后存儲在分廠物聯網數據庫中，為分廠生產網生產作業管控等應用提供數據支撐。

各分廠數據通過生產網傳輸、匯聚到總廠生產集成數據庫，實現下屬各分廠數據的匯聚存儲，同時為總廠生產指揮協同等應用提供數據支撐。分廠數據通過生產網最終傳輸到分公司的SCADA服務器、視頻服務器以及生產數據平臺，通過生產數據平臺穿越防火墻進入辦公網。

在辦公網中，依托分公司云計算平臺、分公司已有系統及平臺，構建凈化業務數據池以及凈化智能管理一體化平臺，為總廠、分廠辦公網用戶提供經營管理、輔助決策應用。

智能凈化廠網絡架構如圖2所示。

圖2 智能凈化廠網絡架構示意

1.3.4智能凈化廠數據架構

智能凈化廠數據架構如圖3所示。

圖3 智能凈化廠數據架構示意

1)生產網數據架構。在分廠實現底層DCS，物聯網和工業視頻等數據源的采集、存儲，并為分廠作業管控應用提供數據支撐。實現總廠及氣礦對下屬分廠數據的匯聚存儲，并為總廠及氣礦指揮協同應用提供數據支撐。數據上傳至分公司層，實現分公司層級的數據存儲。

2)辦公網數據架構。在分公司層級通過數據映射穿越防火墻后傳輸至分公司生產數據平臺，最終匯入凈化業務數據池，為凈化廠數字化管理子系統、完整性管理子系統以及凈化智能管理一體化平臺提供數據支撐。凈化分廠在辦公網的底層數據源，通過數據傳輸至各應用系統平臺，最終也將匯入凈化業務數據池，實現凈化業務數據的集中存儲、管控。

2 凈化總廠智能工廠建設實踐

2.1 智能工廠建設的依據

自國家提出智能制造以來，凈化總廠就開始了智能工廠建設的思考和探索。凈化總廠在2017年12月西南油氣田分公司凈煉化專業技術座談會上做了題目為《智能天然氣凈化廠建設》專題報告、2018年開展了廠級科研項目《天然氣凈化廠智能工廠建設研究》、2019年12月發表論文《智能天然氣凈化廠建設展望》、2020年7月發表論文《天然氣凈化裝置無人巡檢模式探討及實踐》。2020年6月完成了《西南油氣田智能凈化廠建設方案》編制，成為該分公司智能凈化廠建設的指導性意見和專業標準。

2.2 智能工廠建設實踐

近幾年，凈化總廠先后開展了龍王廟凈化廠物聯網、忠縣凈化廠數字化巡檢平臺、動設備在線監測系統等建設項目；目前正在開展安岳凈化廠物聯網項目、龍王廟凈化廠電站智能機器人巡檢系統、物資庫房智能倉儲管理系統、智慧工廠管理平臺等項目建設，以及大竹凈化廠數字化管理平臺和凈化總廠自動化作業試點工程項目建設的可研和初步設計。

2.2.1龍王廟凈化廠物聯網

利用射頻、移動網絡、大數據分析等技術，打造集數字巡檢、設備管理、能源管控、智能運行分析、問題閉環管理、數據對比、化驗分析管理、臨時任務督辦、備品備件管理、能耗分析、故障預警、工作任務到期提醒、統計分析等功能于一體的物聯網平臺，如圖4所示。

圖4 龍王廟凈化廠物聯網平臺示意

2.2.2忠縣凈化廠數字化巡檢平臺

利用物聯網、移動網絡、工業控制等技術，通過手持終端、工業防火墻等設備，構建具有電子巡檢、檢修工單派發、設備臺賬管理、操作卡管理、化驗分析數據管理、請銷假管理、車輛調派、值班記錄管理8大功能的綜合應用平臺。

2.2.3凈化總廠動設備在線監測系統

通過配置振動、溫度探頭，傳感器，I/O卡件等，實現對動設備的運行監控、直觀展示、提前預警和故障預防。

2.2.4大竹凈化廠物聯網示范工程

通過增設智能儀表、高清攝像頭、HART數據采集器，實現現場生產數據100%采集，快速呈現、感知現場狀態。

2.3 凈化總廠智能工廠建設現狀

凈化總廠是西南油氣田分公司規模最大、裝置數量最多的專業化生產單位，承擔著該分公司“智能工廠”的規劃與建設的主要責任，也是天然氣凈化廠智能工廠建設的試點單位，對標該分公司智能油氣田建設要求，其智能工廠建設進度滯后于公司“2020年全面建成數字化油氣田”的階段建設目標，目前仍處于數字化建設階段，正在全面推廣物聯網建設和開展部分智能項目試點工作。

雖然凈化總廠智能工廠建設進度滯后于公司智能化油氣田的階段建設目標，但對標《西南油氣田智能凈化廠建設方案》中關于智能凈化廠“全面感知、自動操控、智能預測、輔助決策”四個特征來看，凈化總廠已初步具備“全面感知、自動操控”的特征，正在向“智能預測、輔助決策”的方向推進。由于凈化總廠各裝置設置有包括DCS，SIS，GDS，現場PLC等較完善的自控系統、電氣綜合自動化系統、監控系統、安防系統等，從近幾年開展的智能工廠建設項目來看，主要側重于基礎設施升級、自控系統完善、物聯網建設、生產網應用部署、辦公網系統集成等，是對“生產動態全面感知、生產過程自動控制”能力的補充完善，是對“流程業務模塊化、生產裝置可視化”能力的加強和優化，是對“趨勢特征智能預判、輔助決策科學敏捷”能力的打造和推進。

3 凈化總廠智能工廠建設存在的不足

3.1 已實施項目與預期效果存在一定差距

從已實施項目建成后的使用效果和目前正在開展項目的建設內容來看，設計的功能與實際應用的功能有一定的差距，導致應用效果不理想，其原因為： 一是建設內容主要集中在現場儀表設備信息的采集，實現的功能也只是對采集數據進行簡單利用，并未對其進行大數據分析以及輔助生產決策管理，導致數據利用率低；二是管理平臺的結構和功能模塊開發未進行規范統一，無法在其他分廠進行應用推廣；三是管理平臺的建設和開發水平有待提高，導致管理平臺的實際運行效果與建設目標有一定差距；四是管理平臺功能需要在應用中不斷修改完善，但目前僅有項目建設的投入，無后期功能維護投入，導致功能模塊在后期推廣應用中存在較大阻力，可能出現應用終止的情況。

3.2 現有數據開發利用率低

凈化總廠各分廠設置有DCS，SIS，F&GS以及電氣綜合自動化系統，其采集生產裝置全部關鍵工藝參數及絕大部分數據；人工巡檢和化驗分析也產生了大量生產數據，同時還有各類上報資料的統計數據以及現有的監控系統、安防系統等，這些海量數據除數據生成時發揮作用外，作為備份資料保存或過期資料銷毀，再次利用率低?，F有數據開發利用率低，并且每天都有大量數據產生，大量的數據被丟棄。但從凈化總廠已開展和正在進行的智能化項目內容可以看出，還是側重于基礎數據的采集，如現場設備設置大量的RFID電子標簽等。

3.3 上級統建系統無法有效融入智能工廠建設方案

目前凈化總廠在用的信息系統統建系統有29套，包括集團公司統建系統16套，分公司統建系統13套，如圖5所示。這些系統普遍按照業務主導方式，采用垂直管理模式建設，一是缺乏數據整體規劃，業務數據分散采集、獨立使用，各系統間相互獨立，彼此間不能共享數據，不能進行業務協同，形成了嚴重的信息孤島[4]；二是信息系統覆蓋不全，不能全面有效覆蓋天然氣凈化業務全生產環節；三是建設模式未能滿足“兩化融合”要求，信息系統與自控系統數據尚未實現數據對接，各系統重復采集數據；四是天然氣凈化廠是氣田開發一個不可缺少的環節，有其特殊性，受制于上下游，行業規模小，其裝置比煉油化工裝置簡單，但又比集輸管線場站復雜，導致上級公司統建的信息系統對凈化總廠的適應性差；五是對凈化總廠而言，上級公司統建的信息系統都是單向上傳數據，無法從這些系統中獲取數據，更談不上有效開發利用這些數據。

圖5 凈化總廠在用的統建信息系統統計示意

3.4 建設方案形成晚導致建設進程緩慢

在分公司范圍內，凈化總廠是唯一以天然氣凈化為主業的專業化公司，也是天然氣凈化廠智能工廠建設的試點單位。自2017年以來，凈化總廠開始委托外部單位進行智能凈化廠的建設方案編制，直到2020年6月凈化總廠才完成《西南油氣田智能凈化廠建設方案》的編制。由于缺乏智能凈化廠建設方案，導致各凈化廠沒有統一的建設方向和標準，智能凈化廠建設滯后于分公司智能油氣田的建設進程。其主要原因為： 一是已實施的龍王廟凈化廠物聯網、忠縣凈化廠數字化巡檢平臺建設項目效果不理想，無法對智能凈化廠的建設方案提供參考和指導意見；二是上級公司統建的信息系統對凈化總廠是必須使用的，其對智能工廠構架及方案有很大影響；三是天然氣凈化廠在國內行業規模小，還未出現可以參照的智能工廠建設案例；四是由于受個人對智能工廠的理解程度、認知度以及接觸了解的信息差異影響，導致不同的人對于智能凈化廠的定義、功能、建設思路以及建設內容也存在差異。

4 凈化總廠智能工廠建設現狀改進建議

4.1 加快智能凈化廠建設進程

盡快完成智能凈化廠建設的頂層設計并加快實施，推進智能凈化廠建設方案的落地和實施。通過智能凈化廠建設方案確定智能凈化廠的定義、目標以及建設思路，實現建設智能凈化廠的思想統一、目標一致。

制訂智能凈化廠建設基礎性的技術要求： 提出如開發平臺、數據結構、系統接口標準等基礎性的技術要求；實現凈化分廠各類傳感器數據、儀器儀表數據、音視頻數據以及實時數據的接入，屏蔽數據間的異構性，對它們進行統一的存儲、預處理，為應用程序提供統一的接口標準，打破信息孤島，橫向打通信息空間；同時為集成現有分公司、集團公司統建系統提供接口標準。

4.2 補充完善自控儀表及提高裝置自動化水平

補充和完善現場儀表，實現裝置工藝參數監控全覆蓋，替代或取消人工巡檢，實現無人巡檢[5]；用自動化設備替代或減少人工操作，提高裝置自動化水平，如實現工藝介質組分的在線監測，減少人工分析頻次和分析項目；實現多設備的全自動切換和啟停；實現全自動在線式溶液過濾器清洗；空氮、鍋爐、硫冷凝器排污、加藥自動控制；實現危險作業區域自動分析等；實現裝置現場巡檢、值班值守的無人化，避免或減少人員去現場。

4.3 開展現有數據的二次開發利用

現有DCS，SIS，F&GS以及電氣綜合自動化系統以及化驗人工分析等大量來自于生產裝置的數據，具備對生產裝置某些功能、參數、設備進行趨勢特征智能預判的數據基礎；對現有數據設置分廠級和總廠級兩級數據存儲服務器，形成數據湖，可以對這些數據進行有選擇性的二次開發利用，實現對生產裝置運行趨勢的預測預警，如設備泄漏及腐蝕等的預測預警。若單一功能、參數、設備等的趨勢預測預警項目越多，則裝置整體的趨勢預測預警功能會越強大。

4.4 正確認識智能凈化廠的建設過程

智能工廠是近些年科學技術高速發展形成的概念性產物，屬于新興事物，目前還沒有統一的標準和產品。在智能凈化廠建設項目實施過程中，應摒棄智能凈化廠無所不能、無所不管的理解，更應摒棄將智能凈化廠理解為高高在上的高科技和遙不可及的夢想，還應摒棄一提到智能凈化廠建設就需要機器人、無人機、海量數據等激進思想，智能凈化廠建設需要結合企業內外部環境、條件及基礎，不能一蹴而就，是一個不斷完善、改進、優化的長期過程，需要穩扎穩打[6]；更需要結合企業現狀及將來的發展趨勢以及智能凈化廠建設不同階段需求分階段推進。

4.5 用智能凈化廠項目解決目前最迫切解決的問題

在智能凈化廠建設的總體框架下，應結合凈化總廠目前生產、運行、管理等環節中的難點、痛點進行梳理、分析來編制針對解決某一個或幾個問題的智能凈化廠建設的單項實施方案。該類方案由于建設內容相對較少，又具有實施的迫切性，因此容易通過上級部門審批，實施后的效果也明顯，同時又具有可復制性和推廣性。如目前各分廠普遍存在的生產數據需在多個系統中多次重復提報的問題，可以實施一個項目解決。

4.6 堅持應用和開發并重的智能工廠建設模式

在智能凈化廠建設項目推進過程中，應堅持應用和開發并行的方式。如儀表設備HART信息采集，從已建成的安岳凈化廠等幾個新建凈化廠以及目前正在推進的大竹凈化廠聯網建設情況來看，通過設置HART信息采集器串接在儀表4～20 mA電流回路中讀取HART信息；DCS產品配套的FDM智能儀表管理系統，具有智能儀表管理功能，能直接從DCS中讀取儀表HART信息，與增加HART協議數據采集器相比，節約硬件采購成本，大幅降低中心控制室的施工量，縮短工期，更能保證使用效果。HART信息采集器和FDM智能儀表管理系統與HART設備連接對比如圖6所示。此外，如監控系統與DCS聯動、監控系統與FGS聯動等功能也是如此。

圖6 HART信息采集器和FDM管理系統與HART設備連接對比示意

5 結束語

智能工廠的建設是一項系統工程，涵蓋的面比較廣，涉及管理、信息技術、業務發展、數據應用、標準化等眾多內容，同時不同類型、不同規模和不同“兩化融合”發展水平的企業智能工廠建設的路徑不盡相同[7]。到目前為止，智能天然氣凈化廠的定義和特征還沒有形成統一的認識，必將隨著科學技術的進步和發展而不斷更新，因此智能天然氣凈化廠建設是一個長期的過程，也是一個不斷改進和完善的過程。隨著西南油氣田分公司“十四五”產能的持續穩步提升、建成中國“氣大慶”的發展目標快速推進以及2030年建成800億天然氣產量規模的實施，凈化總廠作為該分公司含硫天然氣處理的專業化公司，也面臨快速增產的壓力和機遇，同時也迎來了智能工廠建設的最佳時間；凈化總廠在未來減員增效的嚴峻形勢下，唯有勇擔責任，開拓思路，加快推進智能工廠建設，借助先進的數字化、智能化技術進行智能工廠建設，保證安全生產、清潔生產、高效生產，助推中國天然氣凈化基地戰略目標的實施。