1 氯碱行业推进智能化建设的意义

化工环境与安全管理是企业发展的先决条件之一，是企业生存的红线。氯碱化工是从事化工基础原料生产的行业，生产工艺流程长、复杂程度高，在其生产过程中，涉及到易燃易爆、有毒有害、腐蚀性气体、液体，有乙炔、氯乙烯、氯气、氢气、硫酸等危险化学品，生产企业的安全环保风险显而易见。为让全区域内危险源时时在监控下，整个生产时时在掌控中、突发状况应急响应及时等，利用智能化监测、检测、预警、风险识别、紧急停车等系统提升安全环保管理水平是有效的手段。

目前， 国内氯碱行业产能过剩，2021 年国内PVC 产能达 2 713 万t/a， 同比增长 1.8%， 占全球PVC 产能的 50%以上。而国内 2021 年 PVC 表观消费量为 1 994 万t， 受疫情影响出口大于进口量约为135 万t，产能剩余近 600 万t/a，市场竞争愈加激烈。

国家推动创新驱动高质量发展的要求， 化工行业的数字化、智能化转型势在必行。物联网、大数据、云计算、5G、 工业互联网以及智能控制等新型信息技术应用与普及， 给化工企业带来全新的创新发展思路和途径，基于海量工业数据的全面感知，通过端到端的数据深度集成与建模分析， 实现智能化的决策与控制指令，形成智能化生产、网络化协同、个性化定制、服务化延伸等新型制造模式。一些企业已经在数字化转型上取得了显著成就。

2 金泰化学智能工厂方案设计

金泰化学神木氯碱项目建设之初， 就以建设智能化工厂为项目建设的重点之一， 首先进行了智能工厂总体方案设计招标。 中标单位切合项目实际需求及智能化技术发展现状，精心设计智能工厂建设总体方案，方案设计以“顶层设计、分步实施、关键先行”为原则。 方案设计共分 6 卷，分别是总体设计方案、 数据中心、 过程监控 APP、智能工程管理APP、智能工厂经营 APP、技术支撑 APP。 6 卷包含22 个子项模块设计，其中有数据中心、工业互联网平台、生产管理系统、巡检机器人、先进控制(APC)、智能立体库等篇。 方案设计了 5 层智能工厂总体架构，见图 1。

图1 智能工厂总体架构

对于横向各层的智能模块有重点的设计专篇，如动设备监测与故障诊断系统设计， 列举了诊断的三种方法，基于信号处理、基于解析模型、基于知识;并对压缩机组的 8 种故障类型特征以及机泵的多种故障特征进行详细分析及相应解决方案。

3 金泰化学项目的智能化工厂建设实践

3.1 装置自动化及数据采集

3.1.1 智能控制层

(1)智能化 DCS 应用。 金泰化学神木化工项目DCS 选用 DeltaV 系统， 该系统在某些功能运用了AI 技术，如 PID 调节器的参数自整定功能，通过自学习功能积累数据，寻找最优参数，在经过评估确定最终的 PID 调节参数，该技术能够有效的替代人的经验整定方法，提高效率的同时，极大的提高了装置自动化运行水平。

(2)DeltaV 系统的电子布线技术，该技术 I/O 卡件的类型不局限于一个卡， 可随时通过硬件组态实现 I/O 类型转换。 信号传输以数字信号代替模拟信号，既提升了传输速度，又提高信号抗干扰能力，智能控制更加可靠。 另外，以光缆代替电缆，从而减少大量到机柜间的电缆及桥架， 节省电缆的费用远大于采用电子布线 DCS 的费用; 减少了敷设电缆、校线等施工量，提升了 DCS 系统的建设周期。

(3)先进控制应用。 以 VCM 精馏和锅炉燃烧的典型工艺，进行先进控制(APC)试验，针对这两个装置在详细设计时， 充分考虑了选用仪表精度及调节阀可调比，能够满足实施先进控制(APC)对硬件要求。 在这两个装置先进控制(APC)取得成功后，再对其它装置进行先进控制(APC)必要性分析，以提高生产收益且能平稳运行为原则， 逐步实施有进行先进控制(APC)必要的装置先进控制(APC)。 在先进控制(APC)基础上，逐步实现烧碱、PVC、热动力站全流程优化控制(RTO)设计及建设。

(4)聚合工艺采用了法国 KEMONE 工艺包，该工艺包要求有批量控制功能的 DCS 系统，DeltaV 系统的批量控制功能具有优势， 采用 Phase 模块方便批量控制实现，共建立了 Phase classes15 个，实际引用 103 个 Phase。 Phase 控制功能将顺序控制中的每一个工艺状态表达出来，包含 5 个活动状态(运行、保持、退出、重新启动和停止)、5 个被动状态(空闲、保持、完成、停止和退出)和 1 个故障监视器。在被动状态期间， 等待一个新的命令来执行活动状态。 在Phase 运行期间， 故障监视器连续执行并根据工艺逻辑来检查程序运行状态，当出现故障条件时，自动把程序从运行状态切换到保持状态。

3.1.2 采用多种通讯协议采集数据

金泰化学项目全面采用智能仪表、 智能阀门定位器、智能电动执行器以及分析仪，各类仪表设备都带 HART 通讯协议，利用 AMS 系统实现全部仪表、阀门数据接入 DCS 系统，存储于 DCS 数据库。 对于PLC 控制系统采用了 Modbus Tcp 或 Profibus dp 通讯协议传输数据至 DCS 系统。 对于独立业务系统，采用 Wed service 通讯协议至工业互联网平台。 在DCS 系统配置了 OPC UA 通讯服务器， 通过 OPCUA 服务器将数据接入到数据中心的工业互联网平台数据库。 各应用模块就可以直接共享生产现场各类生产数据。

3.2 从信息化到数字化、智能化的实现

(1)建设企业私有云数据中心

数据 中心 云管 平台 软件选 用 UCloudStack 平台。 整体产品架构由基础硬件设施、虚拟核引擎、智能调度系统、核产品资源、统云管平台及运维管理平台组成，为平台租户、管理员及运营员提供云平台管理和服务;核心服务器 224 核，运行内存 1 024 GB，存储容量 15 360 GB;私有云服务器 896 核，运行内存 3 072 GB， 存储容量 860 T;UPS 120 kVA 电源保障;消防系统;空调系统;配有两台核心交换机、两台内外网负载均衡服务器、防火墙、防病毒网关、上网行为管理、VPN 网关、 数据库审计、 运维审计、Web应用防护及上网行为管理服务器。 数据中心采用一体化环控设计， 优刻得云管平台可以简单的在集群中增加节点以扩展集群规模和性能， 可以通过三副本的方式容忍最多两个节点同时故障， 并且硬件故障时数据重建速度快，性能几乎不受影响;管理维护统一 WEB 界面管理，维护方便无需配置 LUN、卷、Raid 组;并提供秒级的数据备份机制，防治中病毒、误删除、数据中心故障导致的数据丢失，可以快速恢复重要业务系统， 为智能工厂各业务模块安全稳定运行奠定了基础。

(2)工业互联网平台建设

工业互联网平台选用了 MACS7 平台， 功能主要包括三个方面，一是工业互联网平台服务;二是大数据治理、分析;三是人工智能。工业互联网平台架构如图 2。

图2 工业互联网平台架构

工业互联网平台服务从应用层面提供三层，第一层是物联网平台， 主要负责边缘端数据采集和控制，包括智能物联网关、IoT 边缘智能服务器以及人工智能控制器等;第二层是工业互联网平台服务，负责物联网设备接入、 对象化模型组织、 数据存储处理、可视化数据分析、工业应用软件开发、大数据分析和人工智能算法应用等; 第三层是公司应用软件生态， 通过工业互联网平台构建面向特定场景的智能工业应用， 逐步积累形成面向业务岗位需求的智能化应用。

数据资产管理平台， 可多策略实现大批量数据的统一归集，形成统一资源目录，使得企业数据显性化;促进企业与集团的数据管理及标准落地，实现治理闭环，持续净化数据环境;监控数据交换行为及共享情况，使得消费方获取数据规范化、高效化;开展数据融合与加工，支撑企业运营管控，通过数据血缘分析，支撑业务追溯，洞察业务问题。

人工智能提供了机器学习与开发， 采用机器学习、深度学习、自动学习等多种机器学习方法，帮助用户从大量数据(包括中文文本)中挖掘出隐含的、先前未知的、对决策者有价值的关系、模式和趋势，有助于发现业务趋势， 揭示已知事实， 预测未来趋势。 为用户提供了覆盖数据价值发现及应用的全流程的“端对端”的解决方案，对用户来说，通过使用平台，可以大大降低 AI 技术门槛，提升建模效率，进而加速企业的数据价值变现，助力企业的数字化运营。

提供工业数据分析服务， 支持收集并分析海量工业历史数据，通过离线分析训练可构建算法模型。提供数据源管理、数据预处理、模型训练、离线预测、在线预测等功能。 提供开箱即用的通用算法，包括分类、回归、聚类、关联规则、模型预测、数据预处理、模型评估等。支持自定义算法的上传、领域算法模型的上传、检索。

(3)智慧生产系统

智慧生产实施范围覆盖全部生产装置、 公用工程以及辅助设施，系统以工业互联网平台为基础，实现数据的采集和统一管理， 实现生产指挥、 生产计划、物料管理、计量管理、操作管理、工艺管理、质量管理、生产绩效，及相关应用集成，并提供对应的移动 APP。

生产实时调度指挥根据生产调度及各级生产技术管理人员的具体需求为依据， 进行调度监控总貌图、工艺、能源、安全、环保等主题监控画面的组态展示。方便管理人员全面了解企业实时生产信息，提高对生产现场的调度能力，缩短事故处理时间，减少事故损失。

生产运营监控从智慧生产各业务模块抽取数据， 根据各级领导和管理人员关注的生产指标及其他信息进行设计开发，以驾驶舱的形式进行展示。帮助企业管理人员直观获取决策数据，辅助决策，使企业生产和管理更趋合理化。

生产预警根据需要实现报警分级管理， 主要对工艺测量点、设备状态健康点、安全风险点、环境排放点等进行监控。 生产预警可以第一时间发现异常通过短信或者 APP 消息告知相关责任人并进行报警记录; 分级推送可以减少各岗位发现异常不及时处理不作为情况。

生产计划制定是根据装置产能结合历史产量进行推算， 并依据产量计划计算获得原料及能源消耗计划。计划跟踪抓取生产实际数据进行统计对比，反映生产计划的完成情况， 以表格或者图标的形式进行直观展示。 合理安排生产计划， 可以避免停工待料、前后工序不衔接等问题，缩短制造周期，减少库存量。

工艺管理根据产品工艺规程要求设定工艺报警条件，并对工艺过程数据进行报警提示和记录，规范工人操作行为，提高工艺管理水平;通过操作记录的自动化、实时化，然后基于操作记录实现对装置的工艺平稳率、产品质量、能源消耗等分析，建立操作寻优模型，寻找最佳操作参数，优化操作指导。

物料管理主要由装置管理、罐区管理、进出厂管理、仓库管理、物料平衡构成，是对厂区的储罐和仓库进行科学有效的管理，包括了储罐的信息管理、物料的移动管理和固体仓储的出入库管理三个方面。

一方面帮助用户完成现场的作业管理， 另一方面也为生产调度和生产统计提供数据支撑。

公司实验室管理 LIMS 系统， 质量管理做为LIMS 系统的补充， 根据用户需要通过接口获取LIMS 系统相关数据，进行相关报表和图表的设计展示， 方便生产管理人员及时直观的获取相关质检信息。

企业根据管理实际建立合理的生产绩效指标，指标范围包括生产运行指标、技术经济指标、工艺操作指标及能源、安全、环保、质量等指标。系统自动获取各指标实际数据并根据考核规则进行扣减分操作，为生产绩效的考核提供数据支持。

(4)智慧能源系统

智慧能源实施范围覆盖公司全部生产装置、公用工程以及辅助设施，以工业互联网平台为基础，实现能源数据采集、能源监控、能源计划、能源计量、能源平衡、能源统计、能源优化、能管中心等功能，并提供对应的移动 APP。

能源监控根据各能源介质的实际生产、 消耗和管网建设为依据，结合用户使用习惯，绘制能源监控画面，并辅以变色、闪烁等动态特性进行异常提示。方便调度管理人员实时监控全厂能源消耗及生产过程，及时发现异常并处置。

能源计划根据公司生产计划编制能源年度、季度、月度计划，包括能源消耗计划、能源产品计划、能耗指标计划等。能源计划通过对企业的能源生产、供应情况、 生产需求情况等模型计算得到满足约束的最佳结果，帮助企业实现节能降耗。

能源计量包括能源计量模型和计量记录; 计量模型主要配置各用能单位能源计量仪表信息， 系统根据计量周期对各仪表实时读数定时进行自动采集并生成计量记录。 能源计量通过自动抄表功能可以大大减少企业抄表人员数量， 提升数据的及时性和准确性。

能源平衡，由于能源传输过程中会出现损耗，能源平衡即用于各级计量点能源损耗数据的分摊，可以选择按比例分摊、按系数分摊、固定值分摊或者不分摊，以满足客户各种实际的分摊要求。通过对损耗的及时分摊可以让能耗分析更准确更客观， 并减少月底集中分摊时的争议情况。

能源统计以各用能单位的能源平衡记录为基础，根据用户需求使用报表工具设计开发，对能源数据进行统计分析。 能源数据自动统计可以大大减少人工录入工作，且更加及时准确，对数据的挖掘利用更加深入。

能源优化包括包括蒸汽动力优化及蒸汽管网优化两部分，此两部分内容统一建模实施，实现统一融合、 综合展现和业务使用，实现离线模拟功能。 建立集产汽、用汽、蒸汽管网、锅炉给水系统、发电、燃料消耗、运行成本为一体的公用工程系统模型，成为蒸汽动力系统管理与决策的实操工具。用汽设备用汽优化;管网瓶颈诊断;系统热损失评估;炉、机运行优化;循环水系统优化;疏水系统优化。

(5)智慧设备

设备的规划、制造、安装、调试、验收、使用、维护检修、改造、更新直至报废的全过程管理。 配合数据中台，建立对应的结构，记录相关的数据，方便以后的查询和存档，记录设备从规划到采购、安装调试，一直到验收完毕，并根据情况进行登记和审批。

设备运行安装完毕， 需要记录设备本身的各种信息，从安装位置，到各种数据的采集、维修、相关的资料和档案等。 这些内容需要进行记录和查询以及修改。 设备运行管理，比如开停机、日常状态、检查等。

当设备出问题时， 需能进行维修相关处置，首先，需要能获取到设备的异常以及告警信息，提示用户去进行处置，之后可以通过计划和工单，来对设备进行维修。

现场巡检是指巡检人员通过手机 APP 登录到系统，并使用 RFID 地址定位功能确定巡检点位，逐个调出巡检指标，填入巡检数据完成巡检。现场巡检流程由巡检班组负责人配置， 班组负责人在系统中可通过选择巡检点(设备、设施、关键位置等)和巡检内容，配置巡检流程各步骤及整体巡检流程。远程巡检是相对传统巡检而言，使用远程巡检，巡检工作人员可以通过大屏、Web 系统、 手机 APP等工具，通过生产视频接入、现场机器人、远程感知、自动读表等方式完成巡检， 而无须到厂区各巡检点现场查看。

利用物联网(IOT)、视频识别、预测性工业诊断、工业互联网等技术手段，实现厂区设备数据与运行数据的采集、融合、分析，从而自主发现厂区运营的异常情况， 并通过系统告警消息等将异常情况推送到厂区工作人员， 由工作人员根据告警开展针对性地工作，保证高效稳定运行。

(6)智慧安环

智慧安环具有四个业务功能：一是智慧安全：通过重大危险源管理、设备安全管理、危化品管理、特殊作业管理等功能，实现对设备、危化品、危险源、特殊作业的全流程监控、排查、预防提供了保障。 二是智慧环保：结合物联网、数据分析等技术手段，实现了对各类污染源、固废、设备等信息的台账录入、设备检测及可视化图表的分析等功能，以更加精细、智能的方式，协助企业完成环境管理;三是智慧应急：构建统一指挥、专常兼备、反应灵敏、上下联动、平战结合的应急管理体制， 实现覆盖监督管理、 应急预案、指挥救援、应急演练和物资、人员、车辆等信息采集等业务域的业务应用。 四是综合应用： 结合移动端，实现了企业信息，规章制度、法律法规的录入、宣传等功能， 并结合线上课程学习， 有效传达企业文化，法律常识，以及规章制度，并能够对人员的学习情况进行查询、监督。

(7)智能物流系统

以进销存系统、仓储管理系统 WMS、运输管理系统 TMS、无人磅房系统及包装、全自动装车等自动化系统为基础，搭建智能物流系统，实现销售、采购的线上无纸化、流程化运营管理以及成品粉料、液体产品的全自动化入库、存储、出库。 进销存系统的销售管理流程，从产品销售价格管理、合同管理、订单管理、 提货管理等全部实现线上操作， 提货车辆进、出厂实现车牌识别，客户、车牌、合同、订单、余款等通过后台服务器关联，自动进相应计算管理，自动打印订单等票据。 采购管理类似销售管理。WMS 系统实现入库 PDA 扫码上货架管理，后台服务器建立了与实体货架同数量的货位信息，及货架存货信息，实时更新货架货物变化情况，可实现实时掌握库存情况，低库存报警提示，有效的减少了盲目采购备用物资而占用流动资金的情况。 系统采用 WEB 端、PDA 手持终端、电子大屏，DP 总线等技术。

(8)数字化交付，逐步建立数字双胞胎工厂

本项目详细设计采用数字化设计平台， 应用SmartPlant P&ID 软件绘制工艺流程图，工艺图是活化的智能 P&ID 图，其中的设备、管道、仪表、电气等均带有属性。 采用 smart 3D 工厂建模可引用智能P&ID 图并带入设备、仪表、管道等属性。 数字化设计集成交付平台是 SmartPlant Foundation，是专门为满足工厂全生命周期的需求而设计的系统， 能够提高工程项目和工厂运营信息的有效性、完整性、准确性。将各个阶段的数据集成在一起，包括设计、采购、收购、运营和维护，使工厂信息成为用户的资产，有助于做出实时的商业决策，从而降低费用、提高质量和可靠性、缩短项目周期和工厂停工时间、解决工厂的生产、变革和安全问题。

3.3 少人或无人操作的自动化装置

(1)PVC 立体库及自动装车应用在国内较为超前，立体库采用 WMS 系统管理，红外定位货位等技术;PLC 控制系统完成堆垛机、穿梭机、自动装车等顺序控制。 减掉了 PVC 从码垛到库房的人工叉车输送入库、人工叉车出库及人工装车的人工操作环节，实现了 PVC 从包装到码垛入库、存储、出库及装车的全自动化流程。WMS 系统实现了根据用户需求的按批次及品质的选择模式出库及库位的合理分配，提升了效率。

(2)液体灌装采用 PLC 及批控仪与智能物流系统对接，可实现全自动按订单量自动灌装。液碱自动装车具体流程为槽车入位， 司机按照引导屏的指示调整槽车位置。槽车进入正确位置后，自动止轮器自动止动，司机打开槽车灌装口盖，相机判断槽车盖是否正确打开。 司机刷卡，装车控制仪验证车辆信息，读取槽车罐口中心坐标， 自动升降鹤管移动到槽车罐口上方， 激光雷达扫描罐口， 确认鹤管插入槽车后，机械臂自动连接静电保护器，同时，安全联锁系统启动，鹤管就位后，开始定量充装，充装结束后，鹤管自动回到停靠位置，司机关闭槽车盖，自动止轮器收回并移动到停靠位置，司机驾驶槽车离场。

(3)巡检机器人，项目设置 7 台智能巡检机器人，5 台防爆机器人布置于烧碱及 PVC 装置区，完成电解厂房一二线二楼、 氯压机、 氢压机及转化、VCM 压缩、精馏、尾气回收等工序巡检任务、两台非防爆机器人布置于公辅装置区， 完成空压制氮站及脱盐水站等工序巡检任务。

巡检机器人主要有以下功能： 利用图像识别功能，实现现场仪表读数，另外还具备温度、声音检测以及现场跑冒滴漏检测等功能。

(4)视频监控替代部分人工巡检，设置的 1 002个高清摄像机覆盖了全部生产装置区， 视频监控摄像机采用 400 万像素高清摄像机， 后台存储服务器存储视频数据，利用视频监控积累的大量图像数据，对图像数据进行特征化处理，以实现机器学习，从而判断现场的跑冒滴漏及异常生产状况。

4 结语

智能化建设不是一蹴而就的工程， 其原因有三点，一是随着计算机芯片技术、软件工程技术以及网络技术等的不断发展升级，智能化硬件、软件也会随之升级改造;二是企业追求效益最大化不会止步，工艺、设备技术改造就要相应的进行技术创新优化，那么智能化实现的功能也要相应跟上; 三是随着人类对于安全环境的更高要求， 必然需要采用更先进智能化手段以实现安全环保的更高要求。