石化化工行业生产制造数字化转型需求、举措及成效如何？

智能为方向，生产制造数字化提高企业生产质量。

1.转型需求分析

流程工业生产操作多变，亟需通过工艺优化为降本增效 开创新空间。以炼化行业为例，装置多、规模大、流程复杂， 生产过程涉及许多变量优化的单元操作，原油的品质决定了 其生产难度、生产成本和产品质量。我国原油对外依存度超 过 70%，而进口原油多为重质（比重大于 0.8）、高硫（含硫 ＞0.5%）、高酸（酸值＞0.5mgKOH/g）的高腐蚀性原油，在 生产过程中会导致氢气、酸性气等系统大幅波动和催化剂结 焦、失活，必须通过催化加氢脱酸、催化裂化等工艺进行加 工，提高生产难度。同时，随着高价值石油产品的需求不断 增加，提高加工量的同时提高收率、提高效益成为炼化行业 的主要优化方向。如何通过工艺优化、先进控制等手段，提 升高附加值的炼油和化工产品的收率，优化产品结构，成为 企业提高经济效益的关键，传统由技术员根据设计参数和经 验确定操作值的做法，已经难以满足多变的生产过程调控需 求。

兼具流程、离散特点的行业劳动生产率较低，亟待加快 智能化改造。以轮胎行业为例，劳动生产效率是发展质量的 综合体现，目前我国轮胎企业的生产效率与美、日、法等轮 胎工业强国的差距显著，我国轮胎企业的生产效率不足世界 先进水平的 1/2，仍有较大提升空间。轮胎行业兼具在离散型制造业和流程性制造业共同的特点，呈现出多目标、多约束、 动态随机的环境条件，对于轮胎生产过程，生产计划调度的 复杂程度主要由资源配置、物料清单、工艺流程等多个要素 共同决定的。过去轮胎生产企业主要通过技术人员和一线员 工的生产经验和纸本的生产技术规范来保障生产运行；通过 市场销售人员向工厂制造部门人员通过传真、电子邮件等方 法传递订单，由制造部人员根据订单信息人工分解成生产计 划下发到工厂车间进行生产来进行调度；公司管理层定期根 据品质、财务、生产、市场等部门的提报数据进行分析和确 定下一步企业运营计划。整个过程存在数据准确性、即时性、 完整性不足的问题，影响生产工作效率。

安全是石化化工行业的生命线，传统信息化手段难以根 本解决风险隐患。石化化工行业是高危行业，具有高温高压、 易燃易爆、有毒有害、连续作业、点多面广等特点，安全事 故频发。“十三五”以来，行业安全事故总量逐年下降，2020 年全国化工事故起数和死亡人数较 2016 年分别下降 35%、 23%，较大以上事故起数下降 17%。“十四五”时期，石化化 工行业正处于“由大变强”的升级跨越关键时期，生产、储存、 运输、废弃处置等环节传统风险处于高位，风险隐患叠加并 进入集中暴露期，防范化解重大安全风险任务艰巨复杂。安 全是石化化工行业的生命线，也是不可逾越的红线。如何从 源头实现本质安全、加强生产安全防控、做好事故应急保障成为石化行业面临的严峻问题。当前，石化化工企业传统安 全信息化建设是以线下流程为主、信息化为辅，通过对事件 的隐患记录、统计分析发现问题，之后督办排查、风险溯源， 最后解决问题，符合传统工作开展的思路，但是存在滞后性， 难以面对新形势下的安全生产需求。

环境约束趋紧，逐步成为影响行业可持续发展的关键因 素。根据第二次全国污染源普查公报，工业源挥发性有机物 排放量为 482 万吨，占比 47.3%，排放量位前三位的化学原 料和化学制品制造业，石油、煤炭及其他燃料加工业，橡胶 和塑料制品业均属于石化化工行业，合计占工业源挥发性有 机物排放量的 44.78%，行业发展面临的环境挑战巨大。传统 化工企业生产运行过程中的安全及能耗管理，主要是依赖 DCS 控制和技术人员等一线员工的生产经验，环保治理水平 难以得到本质提升。

双碳改革加速，碳排放统计、核算、跟踪难以满足工作 要求。石化化工行业既是能源生产大户，又是能源消耗大户， 在“双碳”目标和能源转型大势推动下，减碳减排、绿色发展 压力逐步增大。这就要求要大力发展循环经济，走绿色低碳 发展之路，实现可持续发展。加快打造绿色炼化产业、绿色 储运体系、绿色循环体系将成为行业迈向绿色低碳发展的重 要路径。如何通过现有工艺优化、新技术和新装备研发减少 碳排放，发展循环经济成为炼化行业面临的重大课题。石化化工企业传统碳排放管理工作处于“黑匣子”之中，阻碍了对 内工作的开展。碳排放年度盘查都停留在企业管理部门层面， 无法具体到排放主体。例如，某企业碳盘查工作由安环处负 责，全年的数据只能依靠线下报表汇总，工作量大，碳排放 活动数据滞后且数据质量不高，同时缺乏有效的数据支撑， 企业的节能降碳工作开展缓慢。

2.转型举措及成效

1.炼化等流程制造业的优化生产向“安稳长满优”转变

（1）炼化一体化生产工艺流程

原油通过一、二次加工装置生产出国标汽油、国标柴油、 航空煤油、航空煤油、石脑油、液化气等产品；部分产品经 过三次加工装置向化工方向发展，主要分为三个发展方向： 一是芳烃发展方向，最终产品为工业塑料、有机玻璃、合成 洗涤剂、聚酯薄膜、涂料、医药等；二是乙烯发展方向，最 终产品为工程塑料、改性塑料、树脂、聚乙烯、纺织服装、 合成革等；三是润滑油发展方向，最终产品为润滑油、板蜡、 粒蜡、白油等。

（2）先进控制应用

①控制综合监控

通过 OPC 通讯从 DCS 取数，应用云计算、大数据技术 对控制回路的性能自动进行综合性能评估、故障诊断、监控， 提供控制回路性能评估报告，指导技术人员线下对控制回路进行整定优化，为实施先进控制 APC 和在线实时优化 RTO 创造条件，提升生产装置效能。读取 DCS 回路信息如测量 值、设定值、阈值等数据，自动生成监控图形，直观显示每 个回路的性能概览，帮助用户分析诊断控制回路性能低下或 故障原因。例如，某炼化企业实施装置控制回路性能监控整 定项目后，通过对组态程序更改和优化控制方案，控制回路 参数整定后，工艺控制操作平稳，装置 DCS 自控率持续保持 100%，大大减少了操作工操作频率，降低设备故障的概率。 通过 DCS 参数优化整定，2021 年 3 月份回路运行状态为中 的减少了 95.9%；状态为差的减少了 92.0%；运行状态为优 的提高了 185.6%，控制回路运行状态得到明显改善，有力支 撑了装置平稳生产。

②先进控制 APC

先进控制解决方案包括多变量控制器性能管理、软测量 在线等功能。通过建立符合控制要求的软仪表模型，根据装 置实际情况和生产方案，选定 APC 控制器的操纵变量、干扰 变量和被控变量；根据实际测试数据、生产运行机理，考虑 控制策略的要求，建立较准确的 APC 控制器动态模型；根据 装置操作、设备约束实际情况，制定合适的约束控制策略， 并落实到在线 APC 控制器。例如，某炼化企业合成材料部 PE 装置实施 APC 系统后，实现了装置生产的优化操作，达 到了优化产品质量的目标，控制器平均投运率大于 99%，提高了装置的操作稳定性；标准偏差平均降低 30%上，关键变 量抗干扰能力明显增强；粉料熔融指数和粉料密度的 CPK 提 高 30%以上，实现自动牌号切换，提高牌号切换的一致性， 年增效超过 500 万元。

③实时在线优化 RTO

实时在线优化技术是使用采用标定数据和设计数据、采 用严格机理方法，建立装置的实时优化模型。通过在基础模 型的建立基础上对模型的数据进行整定，建立相匹配的优化 模型，真实反映装置工况，帮助生产操作更接近真实的工艺 约束。优化模型可以帮助用户企业做各种假定状况的案例分 析，对各种变化因素所带来的安全隐患进行预先的评估，规 避排除安全隐患，从而提高企业生产的安全性；基于模型的 设备性能在线监测系统能具有极高的精确性，可以帮助用户 计算出设备渐衰状态，在设备出现严重问题前及早检测出设 备的问题，从而及时合理地安排清洁及维护作业，避免生产 条件进一步恶化；基于质量平衡，能量平衡的模型可以帮助 用户检测过失仪表，消除仪表故障对生产的影响，是装置“安 稳长满优”生产的重要保障。例如，某炼化企业实施重整在线 优化 RTO 系统以来，实现了自主卡边操作，提升了装置的边 界效益，按照装置运行 8000 小时计算，可多加工重整原料 4000 吨，预年增效 98 万元；180 万吨/年重油催化装置在线 实时优化，掺渣量提高 1.28%，使高附加值产品收率最大化，年增经济效益 2080 万元。

④设备腐蚀监测

通过采集电气和仪表设备的自诊断信息和重要的运行 状态参数等报警信号并集中监控，智能判断需要重点关注处 理的设备报警，及时发现运行中潜藏的故障苗头，是建设投 用设备腐蚀监测系统的关键。例如，某企业选取重要装置关 键部位实施在线定点检测腐蚀速率，实现腐蚀状态量化评估 及图形展示，及时发现腐蚀隐患，主动采取防护措施，保障 装置运行安全，使管理人员能主动分析腐蚀情况，对腐蚀险 情做到早发现、早处理；采集系统各类故障报警信息并进行 记录，分门别类进行统计分析，通过优化报警策略、数据采 集策略、远程诊断等措施，动态掌握设备运行状况，提升预 知性检修水平，保证设备和生产稳定运行。据统计，千台机 泵密封消耗量同比下降超过 15%，滚动轴承使用寿命同比增 加 20%以上。

2.轮胎等兼具离散特点的行业加速推进装备智能化应用

轮胎智能化工厂打破了传统轮胎企业的生产工艺和集 中式的生产方式，通过采用生产制造执行系统（MES）辅助 多类智能设备及电子标签匹配系统（MEP），融“产品定制化、 企业互联化、制造智能化”于一体，搭建了一个由用户（订单） 指挥、数据驱动、软件运行的智能生态系统。

（1）轮胎生产工艺流程

轮胎以天然橡胶或合成橡胶、炭黑、钢帘线或帘子布、 以及其他化工添加剂为原材料，经过橡胶密炼、胎坯成型、 胎坯硫化等工艺而生产。

（2）智能化装备应用

以双星轮胎为例，其智能化装备主要应用于以下场景：

①物料运输

工厂中所有物料的运输是通过AGV小车进行智能输送。 根据 APS 高级排产系统排出的订单生产计划，原材料由智能 AGV 小车分别输送到密炼工序、压延工序等相关生产工序。 密炼工序生产的胶片，由智能 AGV 小车运送到胶片库区指 定位置存放。根据排产计划，胶片由智能 AGV 小车从库区 分别输送到——多复合生产工序、内衬层生产工序、钢丝圈 生产工序等相关生产工序，分别生产成型所需的半成品，半 成品再由专用智能 AGV 小车输送到成型暂存区域；AGV 小 车采用无线射频技术，与物料位置进行配对，通过读取物料 工装上贴好的 RFID 标签，得知物料发出时间、所在工序， 自动备料所有半成品，做到真正意义上的智能识别搬运，机 器换人，提升物料输送的准确率。

②成型、硫化工序的运输

成型、硫化工序采用智能桁架机器人进行胎坯智能输送， 替代了传统的手搬肩扛。智能桁架机器人可以根据内嵌模型 模仿人类手臂的动作功能以按固定程序搬运轮胎，并智能识 别胎坯规格、花纹、层级、品牌，根据每台硫化机的需求， 自动输送到每个所需机台，解决了人工搬运用工数量大、劳 动强度高的问题，提升效率 200%，同时避免了搬运环节轮胎 污染，保证质量一致性的同时提高车间自动化水平。

③成品胎运输

成品胎通过智能码垛机器人装入 RGV 小车，RGV 小车 将轮胎输送到成品立体仓储区域。小车装卸、输送全自动无 人控制通道可设计任意长以提高整个仓库储存量，操作时无 需叉车驶入巷道，有效提高仓库运行效率的同时提高安全性。

④胎坯和成品的出入库

胎坯入库、出库，成品胎入库、出库，都是通过巷道堆 垛机器人来完成。它能够通过扫描智能识别取胎，放置于指 定位置，实现轮胎的先入先出。巷道堆垛机器人每天可以抓 取上万条轮胎，相较于人力生产效率提升 300%。

⑤自动化 MES 系统控制的智能输送线

通过 MES 系统控制的智能输送线体实现了无人操作， 智能分类、卸胎、输送、出入库，胎坯配送零误差，高效率、 高精度、低能耗，劳动效率提高 5 倍。

⑥智能评测

已完成安全生产培训的操作工通过刷员工卡可直接登 录到现场 MES 操作系统，登录成功后 MES 系统会自动将当 班人员信息及培训信息采集到信息中心进行展示，简化了 MES 登录流程，确保每位操作工都通过安全生产培训持证上 岗。

通过先进的数据采集方式将设备 PLC 的各项温度数据 获取到 MES 中，实时监控设备温度数据并自动与标准数值 进行比对，超差报警停机，大大减少了因超差导致残次品产 出的概率。

对产出胎坯的全流程质量跟踪，通过对每个机台产品的 外观、X 光、动平衡各项质量检测，对出现单条不合格品的机台进行预警，连续三条不合格的机台进行停机，直观地将 每个机台的产品质量实时展示，比传统方式下达停机整改单 缩短 99%的时间，并且大大减少了产出不合格品的概率。

实时监控每天设备生产数量，便于值班长和计划员对生 产规格调整，将每班生产计划可视化，实时掌握生产进度。 通过增加检测开关对物料进行检测，MES 扫描条码判断 是否正确并通过 LED 屏显示，若上料错误设备上料口会停 止动作。严格控制物料投入的准确性，确保产品的生产质量。

⑦智能仓储

利用电子扫描，智能龙门机器人对轮胎进行规格和等级 分类。整理整垛后，智能关节机器人进行立体装笼，由智能 RGV 小车送到成品立体库存储。根据订单系统的配送计划， 将按单生产的轮胎通过智能巷道堆垛机器人取出，运送到发 货区域，进行装箱发货。用户可以查看定制轮胎生产进度和配送进度。轮胎到达体验中心前，信息系统会自动发出短信， 通知用户；立体仓储避免轮胎挤压，提高了产品存储质量。

3.安全生产向动态感知与事前预防转变

①安全风险实时监测与识别

针对作业风险，系统对每周、每日的现场作业进行风险 评价和风险预警，规范不同风险等级作业的审核审批，以作 业计划性、准确性，提高了现场作业风险控制水平；采用物 联网等技术，全方位在线管理关键装置要害部位；采用人工 智能和视频分析技术，对生产现场人的不安全行为、物的不 安全状态进行智能识别和安全风险智能分析，开展安全帽检 测、安全带检测、可燃气联动等视频智能应用。例如，某企 业基于风险点构建安全态势一张图，实现风险识别的流程化 管理，提高了现场作业的计划性、准确性，有效控制了现场 作业风险，2020 年全年异常作业行为减少 92%。

②危化品智能管控

在企业生产全过程全环节应用物联网等新技术管控危 化品，采集危化品各环节数据；建设工业视频，对危化品设 备进行视频监控；在装卸环节，设置相应的泄漏物处置、防 火、防爆、防毒、中和隔离等应急设施及物资；在物流运输 环节，采用物联网监控危化品物流，与客户和承运商共享物 流数据；推动风险被动接警转为主动监测预警管理模式的转 变，有效化解重大安全风险、遏制重特大事故，全面提高安全管控水平。

③安全事件智能决策与应急联动

利用大屏幕系统和先进的视频会议、物联网、融合通讯 等技术手段，建立综合集成的调度应急指挥系统。通过调度 监控，对生产海量信息分专业、分类别的进行汇总展现、提 醒、分析和管理，实现进厂、出厂、装置投入产出、产品产 量、储运、公用工程等各生产环节的实时监控；建设应急管 理应用，辅助调度人员实时监控各生产环节情况，及时发现 问题并提醒处理，系统内置整合各类应急方案和资源信息， 主动推送异常处置方案策略，将生产损失降到最低，系统实 现调度“平战”结合，减少问题的发生，减少生产损失，使调 度人员对于生产全局情况和异常信息捕获更加及时、高效， 变事后控制为事前控制。

④动设备在线运行监测

基于物联网对高危泵进行监控，为重要机泵安装在线监 测系统，解决设备管理人员无法实时查看机泵波形频谱的问 题，实现数据可视化；通过实时状态监控，智能故障分析， 及时发现隐性故障，做到预知性维修。例如，某企业对动设 备在线监测以来，高危泵现场监测工作量减少 50%，普通机 泵现场监测工作量减少 85%，为基层减负成效显著。通过机 器代人，为转变外操巡检模式奠定基础，由人工现场检查改 为 DCS 主动预警模式，高危泵巡检频次从每天 2 次降低为每天 1 次，为公司每年节约人力资源共计 26 人以上。

4.碳排放与污染源监测向可视化转变

①能源管理

能源管理是从计划编制、生产运行、统计核算、能耗监 控到能源优化过程的管控，需要将能源管理业务流程融入固 化到系统建设的标准流程中，涉及装置、车间、公司三个层 面，涵盖装置操作、能源计量、能源统计、能源优化等 20 多 个岗位。能源管理主要功能包括：能源运行、能源优化、能 源统计、评价分析，从仪表计量、管网平衡、指标核算至统 计报表，线上全流程数据可视化，实现能源管理精细化，为 企业的能源产耗提供了数据支持。例如，某企业在项目实施 后，能源动力优化系统提高锅炉和汽轮机整体运行效率，优 化效益可达 200 万元/年；通过蒸汽管网优化，经济效益达 73 万元/年。

②污染源管理与环境监测

污染源管理与环境监测是对关键装置、有毒有害场所等 各类排放口及环保设施运行情况的可视化监控，对污水、烟 气排放等污染源实施 24 小时在线监测，发现异常及时反馈 和处理。例如，某企业对污水、烟气排放等污染源实施 24 小 时在线监测，实现污水、废气达标排放率 100%；通过泄漏监 测与修复，减少 VOCs 排放，VOCs 排放下降 24%；通过对 环保“三同时”管理，从源头管理实现清洁生产。通过环保隐患和溯源管理，杜绝无组织乱排乱放现象。

③碳资产管理

碳资产管理是在线计算企业各环节碳排放、碳资产数据， 跟踪督促落实碳排放控制措施工作任务进展，固化公司碳资 产管理机制和体系，实时跟踪优化企业中长期碳减排规划和 碳达峰、碳中和行动方案和计划执行情况，实现企业碳资产 清晰、碳管控到位、碳分配合理高效的低碳化管理。例如， 某企业通过碳盘查、碳核查，实现对装置生产排放情况的事 前预测、事中跟踪、事后分析，提高碳减排和碳交易效益； 通过数据分析和应用准确、完整、及时反映了公司碳减排碳 达标情况，及时优化生产以达到企业整体效益最大化；按照 每个装置每月减少碳资产计算工作量 1 天测算，全年降低成 本 130 多万元。