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浅析三维数字化工厂技术在炼油化工企业中的应用
董 超
（大庆炼化公司信息中心，黑龙江 大庆）
摘要：“工业3.0”时代以来，信息技术广泛应用于炼油化工企业,随着企业信息化建设的全面推进和应用，形成和积累了涉及炼化生产运行各个方面的海量数据资产，数字化工厂技术成为整合、分析和应用这些数据的最好选择。本文介绍了三维数字化工厂系统的关键技术、建模方法和实施过程，阐述了炼油化工行业三维数字化工厂的内涵，并从多个方面展示了三维数字化工厂的功能应用。
关键词：三维工厂；数字化；炼厂
引言
随着炼油化工技术的逐步发展，石化企业生产规模越来越大。尽管自动化程度不断提高，但由于用工不断减少，人员不足，企业在生产运行、生产管理、安全环保等方面仍然面临着越来越大的压力和挑战。大型石油石化企业一般拥有几十套生产装置，数不清的管线和阀门，单纯依靠图纸，难以完全掌握其实物设备的具体空间位置，现有的DCS、MES、ERP、HSE 等生产运行和业务管理系统也无法同时展示设备、管线、阀门等的属性信息和空间信息。为了将现有的信息系统与设备、管线等现场实物有机融合，提高生产管理人员发现、处理问题的速度，结合当下三维建模与系统集成的发展趋势，专家们提出了“三维数字化工厂”的概念。
1 三维数字化工厂的关键技术 1.1 数字化建模技术
需要建立装置设备模型、生产环境模型、工艺模型（工艺规则、加工路线）以及生产管理模型（系统的限制和约束关系）等。三维数字化工厂是建立在模型基础上的综合应用管理系统，所以数字化建模是数字化工厂的基础。
1.2 优化仿真技术
在数字化建模的基础上，对生产系统装置设备布置、加工能力、加工路线等各方面进行动态仿真和优化。
1.3 虚拟现实技术
文本信息、图表和二维图纸很难满足数字化炼厂的需求。随着三维技术发展，具有沉浸性的虚拟现实技术使用户能身临其境地感受装置的设计建造过程和生产加工过程，使用户对现场工艺的了解更全面、准确、便捷。
1.4 软件之间的重组和集成
数字化工厂软件模块之间以及和其他软件模块之间的信息交换和集成。
1.5 应用工具
产生虚拟环境的工具集、各值班费数据转换工具、设备控制程序的生成器、各种报表的输出工具等。
2 目前三维数字化工厂主要的建模方法 2.1 手工建模法
依靠高清现场照片、纸质资料或电子版资料作为建模依据，运用手工的方式，在三维绘图软件中建模。然后，再让装置现场技术人员进行校对，最后根据校对结果进行完善的建模方法。
2.2 导入模型法
导入模型法是将装置工程设计数字化移交的三维PID 模型通过格式转换，直接导入到三维工厂系统的建模方法。
2.3 激光扫描建模法
激光扫描建模法是运用激光扫描仪对现场装置进行360°的全景扫描，扫描前在场景中布置一定数量的标靶，扫描结束后在辅助软件上按照相同标靶对图像进行拼接，形成与现场一致的点云，然后再依托这些点云进行建模。
3 三维数字化工厂的实施过程
应用数字化工厂技术建设数字化炼化系统的一般实施方式是：首先建立炼厂包括设备静态属性信息的二维和三维模型，再嵌入各设备实时信息（机组检测、物流数据、工艺状态等设备相关数据），并与运营管理综合层面的信息系统进行集成，实现炼厂信息的三维综合展示和模拟。
三维数字化炼厂实施的步骤大致为：
（1）构建全厂装置、设备的三维模型，或手机、转化工程设计建设中产生的三维模型。
（2）数字化炼厂全生命周期管理系统建立。
（3）工程设计文档集成（电子PID 图、CAD 图）。
（4）其他各种信息化系统集成（MES、ERP、视频监控等）。
显示集成：根据共享的公用识别密钥在公用门户中显示来自多个系统的数据。例如：将来自工程设计基础和维护系统的仪表数据显示在同一个门户网站中。
数据集成：将来自多个来源的数据整合到公用储存库中。例如：将来自多个承包商的数据导入到公用工程数据库中。
应用程序集成：提供在多个应用程序之间映射和交换数据的机制。例如：在工程设计基础上创建或更新的位号将触发更新维护系统中的相应功能位置。
业务流程集成：对应用程序集成进行了扩展，以将所涉及的业务流程考虑在内并提供用户干预、在接收系统中启动操作等功能。
合成小程序：在公用用户界面中无缝利用两个或多个系统中的数据，从而提供个别系统中没有的新功能。
4 三维数字化工厂的功能应用 4.1 三维模型展示
三维立体展示装置、罐区、设备、管线（包括地上地下）、阀门的物理分布情况，同时显示模型经度、维度、高程等信息。
4.2 生产工艺管理
集中显示装置、设备各位号的实时数据及趋势、阈值报警、装置生产报表等信息。实时数据来源于MES、生产工艺报警平台等系统数据，通过开发数据接口，将实时数据写入系统数据库中，再由系统界面实时刷新显示。
4.3 管线、设备管理
通过选中塔、泵、压缩机、罐、管线等设备，显示设备、管线基本信息、操作规程、技术参数、故障信息、维修记录、配件及库存等信息。
4.4 HSE 管理
在系统中的三维模型上可实时显示各关键监测点的环境监测数据和报警信息。
4.5 工业视频信息显示
系统可集成显示工业监控摄像头实时画面，点击三维场景上的模型可弹出工业监控实时画面。
4.6 快速查找、查询和检索
可通过输入模型名称、位号、设备名称、管线名称、消防栓名称等实现搜索和快速定位。
4.7 智能视图（三维漫游）
三维数字化工厂可实现基于角色的、灵活的导航方式，包括随机漫步、顺序显示等，全方位展示三维模型。
4.8 异常管理
当生产装置出现异常时（包括：工艺指标超标、环保监测指标超标、平稳率超标等），平台自动报警，点击报警信息，视角可自动跳转至发生问题的界面，便于快速定位、分析问题。
4.9 可视化培训
通过录制脚本，实现各类操作（开工、停工、突发事件处理等）和危险场景应急演练的可视化培训。可以根据需要制作脚本，实现定点浏览、视角移动、打开或关闭各类数据、设置文字和图片标签等。可以播放、暂停、停止播放脚本，也可搭配专业仿真软件进行仿真培训。
5 总结
三维数字化工厂具备直观、精确、集成、协同等优点，通过精确的实体（塔、罐、泵、房屋、地上地下管线）位置和层级描述，提供准确的3D 全景展示；通过与实体实际状况准确对应，易于变更维护，确保与实体改造同步更新。实现跨专业集成和设备模型、物理属性、生产工艺流程的充分融合，通过集成实体的内部和外部各种属性，实现实体信息、经营管理和生产流程数据的完美结合。
通过三维数字化工厂的建立，可将MES、ERP、工业视频监控安全预警等系统进行有效结合，便于各级生产管理人员和一线操作人员关注生产实际运行情况，指导一线技术和操作人员，加快分析、处理解决故障的速度，降低事故发生的风险，保障装置平稳运行。
参考文献：
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