以信息化与工业化融合为核心的智能工厂建设实践

王素华

(中国石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

近年来，信息化技术飞速发展，以云计算、人工智能、大数据、物联网等为代表的新一轮技术革命正蓄势待发。制造业不再是传统的制造业，正不断向自动化和智能化方向发展。以信息网络技术加速创新与渗透融合为特征的新一轮工业革命孕育兴起，数字经济正成为全球经济增长的重要驱动力。实体经济和数字经济融合发展是不可阻挡的历史潮流，特别是新一代人工智能、5G、区块链技术的突破，将开启万物互联时代，制造业加速向数字化、网络化、智能化发展，必将重塑产业链、供应链、服务链和价值链，深刻改变现行的生产和经营方式。

中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称上海石化)通过开展与企业发展战略相匹配的信息化环境建设策划，提升企业精益高效的炼化一体化生产组织管控能力、敏捷优质的产品供应服务能力、精准卓越的经营投资决策能力、安全可靠的健康、安全、保障和环境体系(HSSE)保障能力和相互支持的产业链协同发展能力。

1 构建智能工厂建设的需求与实践

1.1 识别信息化环境下智能工厂建设的需求

应用政治、经济、社会及技术(PEST)和基于内外部竞争环境和竞争条件下的态势分析(SWOT)方法，通过商业模式、上海基地规划、周边产业集群效应及外部竞争加剧、新能源技术进步等内外部环境和优劣势分析，优化确定“改进产品价值增值链经营模式”“完善经营投资决策模式”“改进传统营销模式”及“加大HSSE风险控制能力建设”等新阶段的战略举措。结合企业战略目标和年度工作目标，组织支持战略目标实现的核心业务流程的诊断，编制核心业务流程实现方案，明确各核心业务流程的优化措施和能力需求。

1.2 构建智能化工厂建设工作机制

以信息化作为企业发展的内生要素，在信息技术和工业技术不断演进、变革与交叉渗透的环境下，夯实工业自动化基础，推进产品研发设计、生产制造、经营管理和营销服务的优化提升，推动业务系统综合集成、企业间业务协同以及发展理念和模式的创新，以提升创新能力、能源资源优化配置水平和利用效率，实现创新发展、智能发展和绿色发展，形成可持续发展竞争能力的过程。

以智能化工厂为目标，信息技术为依托，找准定位，明确方向，充分发挥信息化、智能化的作用，坚持提升“五大能力”，建立生产经营、生产运营、基础设施“三大平台”，将智能化涵盖于企业管理的每一项环节中，以信息技术(IT)服务指导生产经营和运营全过程，有力地促进了经济效益和社会效益的提升。依据企业战略目标，确定上海石化的战略体系，明确“低成本与差异化兼顾、规模化和精细化并重”的经营战略，以及“国内领先、世界一流”的能源化工及新材料公司目标；确定“质优量足、客户满意，健康安全、造福员工，节能减排，贡献社会，两化融合、追求卓越”的管理方针。

1.3 智能化工厂建设实践

1.3.1 提升生产管控能力

以信息技术、大数据辅助生产经营，为生产经营提供技术支撑，引领和把握未来发展是时代所需。近年来，上海石化强化信息化建设，依托先进过程控制(APC)、环保管理、设备管理、地理信息(GIS)可视化平台、生产过程信息集成等信息系统，不断提升企业的自动化控制水平，提升产品质量和运行效率，实现炼化生产一体化优化(包括计划生产协同优化、效益测算、一体化优化支持等)，全面实现炼化生产集成管控(包括运行监控、预测分析、生产预警报警、智能处置、调度指令和日常生产管理等)。运用APC系统、炼油装置全流程优化系统、工艺过程信息集成、质量管理等系统，根据生产运行变化，动态调整运行参数，在确保生产运行平稳的前提下，实现效益最大化。完成了分布式控制系统(DCS)报警系统扩展、业务流程统一管理平台等7个项目的建设和验收。DCS报警管理信息系统在12套主要装置试点成功，无效报警平均减少55%，APC应用覆盖28套主要生产装置，应用Petro-Sim软件建成39套单装置模型和一套全流程模型。

(1)运用APC控制系统

APC系统将整个生产装置或者某个工艺单元作为一个整体研究对象，通过现场测试，量化描述各变量之间的相互关系，建立过程多变量控制器模型。利用该模型可以预测装置的变化，提前调节多个相关的操作变量，降低操作人员对生产的监测和干预强度，提高装置运行的平稳性。利用成本因子，计算优化控制方案，使装置处于最优操作点附近运行，就是在工艺约束的基础上实现卡边操作，从而最大限度地提高目的产品的产率、装置的处理量，降低原料、燃料、蒸汽消耗量，增加经济效益。APC研发团队在19套装置研发实施先进控制，投用率保持99%以上，增效1.6亿元。公司主要装置都配置了控制系统，实现了100 kt/a以上化工装置APC应用全覆盖，关键装置已经完成了单装置的优化。

(2)运用装置报警管理(DCS报警系统)

通过引进DCS报警管理技术，提高各装置操作效率，保证装置在线运行时间和装置安全，降低由于操作失误导致的不必要的经济损失。在各装置搭建报警数采系统，设计并实施数据采集系统的信息安全防护，实现生产装置报警数据的安全采集。在目前报警系统状况的基础上，评估与合理化改进报警系统，制定合理的报警策略，提高操作人员对报警的响应能力。形成一套持续改进报警性能的方法，确保报警系统的可靠性，并周期性循环进行报警系统的评估与改进，提高报警系统的性能，确保装置稳定运行。具备完整的客户培训与系统维护，提高操作人员对报警处理的能力。

(3)运用质量管理系统

对原油(原辅料)采购运输、生产加工、产品出厂、产品运输与销售等环节以及工程、服务、检修、物资采购等质量进行全方位监控，实现各专业板块质量管理的全覆盖，为提升中国石化整体质量管理水平提供支撑。建设覆盖生产全过程的质量管理系统，从原辅料进厂、生产过程到成品出厂进行全过程管控，实现对过程质量和质量风险的闭环管理，形成一个可推广的质量管理标准模板，支撑企业全面质量管理，防控质量风险，促进提质增效。

(4)运用工艺过程信息集成系统

系统以工艺流程图为基础，集成了实时数据库系统、实验室信息管理(LIMS)系统、APC监控系统、DCS报警系统等与生产过程强相关的信息系统的数据，完成数据交互，实现生产过程监控、多业务系统集成分析功能。该系统通过集成公司现有生产业务系统的数据，实现对生产过程数据的统一访问和灵活应用。生产管理人员可以利用实时数据和历史数据，对生产过程进行综合在线分析，及时发现生产过程中的问题和隐患，帮助装置操作人员快速作出判断，使生产过程处于良好的运行状态。

(5)建设大型机组三维培训平台

炼化行业中，最关键的设备是大型机组，大型机组的稳定运行直接关系到装置的生产负荷，是企业正常生产运行的基础，一旦出现问题或发生故障，对本装置乃至整个生产流程上的多套装置都会造成影响，轻则降低生产负荷，重则导致非计划停工。维护大型机组安全运行是保证装置经济效益的重要环节，也是保障装置安全生产的重要手段。做好炼化企业大型机组的管理工作，是炼化企业设备管理工作的重点内容。大型机组三维培训平台是优化大型机组培训工作、提高培训效率、提升培训质量和效果、减少培训成本和员工学习时间的重要工具。系统主要针对两台试点压缩机组构建机组工艺仿真平台、开展本体及附属设施三维建模、研发机组培训相关业务应用，实现应用新技术提高企业机组培训的整体效果。包括机组培训应用、机组仿真平台、三维建模等内容。

1.3.2 提升供应服务能力

供应服务是企业运营的一个重要环节。以“信息精确、产品精准、服务精细”为目标，开展新产品市场调研，提升客户服务水平和质量，加强新产品市场开拓。密切与专业销售公司沟通，重点加强对腈纶、涤纶、塑料等品种和牌号的产销计划衔接，进一步以市场引导生产。以性价比最优的设备，投入生产装置；以最少的库存，实现生产成本最低化；以向客户提供最优质的服务为目标，增加产品客户黏性，都是供应服务的重要内容，有助于提升企业的经济效益。以智能化提升供应服务能力，运用设备全生命周期管理等数据，为采购物资提供依据。运用智能卡(IC)自助提货系统、客户服务系统等，给客户提供更周到的服务。

(1)应用智能物资管理

针对企业的整个物资供应过程，集成企业资源计划(ERP)、LMIS、易派客等系统，利用射频识别(RFID)手持终端等移动互联技术，建设智能物资管理，实现物资从实物移动到财务记账的全生命周期痕迹管理，提高企业物资管理的效率，降低库存资金的占用。实现仓储货位标准化管理，库存清晰可视；实现实物流转过程痕迹管理，业务规范透明可控；与ERP、LMIS、EPEC、CMIS等系统紧密集成，使物流与信息流准确一致；信息快速采集，实时共享。智能物资主要在物资供应全过程进行跟踪分析管理，即在需求计划跟踪、采购过程跟踪、供货执行管理、仓库管理、配送管理、综合分析预测、消息预警等方面建立智能物资管理模型，通过物资识别技术、货位标准化、无线技术、移动应用、大数据等信息技术与管理制度有机结合，实现信息快速采集、传递、共享，实现物资需求、管理、供应各部门协调、各阶段协调，提高快速反应能力，满足企业重点工程及检修单位的保供工作。

(2)应用自助提货系统

自助提货系统具有在线预约、自助制单、排队叫号、扫描二维码装车及获取信息的全流程电子化贯通功能。系统上线后，提货人通过在线提货预约，可以在约定时间内直接到发货区域，凭提货人身份证实现自助制单，以及通过排队叫号系统有序装车提货。该系统的投入使用避免了提货人员为办理提货手续来回奔波的麻烦，有效减少了现场提货时间，提高了产品的出厂效率。还进一步提升了客户服务水平，提高了提货计划的严谨度，加快了停车场车位周转，逐步解决了以前提货过程中遇到的车位紧张等问题。

1.3.3 提升投资决策能力

上海石化始终把发展作为第一要务，聚焦稳增长保效益，坚持以市场为导向，以效益为中心，突出“开源”与“节流”，着力防范和化解重大风险，加强生产运行管理和费用管控工作，努力提升盈利能力和水平。能根据市场变化情况利用信息化手段，及时调整企业的投资策略，实现最优化生产。上海石化装置众多、工艺流程复杂，原料、产品的市场价格直接关系到企业的经济效益，通过原油效益测算、线性规划功能拓展与周尺度计划优化配置等工作，列出增利和减利的因素，优化区域部署、原料采购、资源配置、产品分布等，明确价值链优化策略，增加高附加值产品比例和综合商品率，提高企业综合效益。

(1)建设价值链表征优化系统

该系统利用上海石化现有线性规划、数据统计等相关系统，研究开发价值链表征和优化技术，重点研究原油效益测算、线性规划功能拓展与周尺度计划优化配置等工作，表征增利和减利因素，优化区域部署、原料采购、资源配置、产品分布等，提出公司价值链优化策略，增加高附加值产品比例和综合商品率，提高企业综合效益。

(2)建设业务流程平台

聚焦核心业务流程网上运行，控制核心业务，建立与企业战略和核心竞争力相一致的测评指标、效率指标、效益指标和结果指标，使每一业务流程消耗资源最小化，消除流程的无价值活动产生的浪费，减少业务流程活动从输入到输出的总时长。

1.3.4 提升HSSE保障能力

大型炼化一体化企业具有易燃易爆的高危特性，因此必须要更加注重HSSE管理。运用信息系统监测生产运行中安全、环保情况，将有效提升HSSE管理工作。以智能化提升HSSE保障能力，制定完备的应急措施及手段，提升上海石化HSSE快速应急响应能力。推进绿色企业创建，根据上海石化绿色企业创建方案、任务清单和项目清单，健全工作推进机制，有序推动产业结构调整、油品清洁化、污染治理高效化。坚持从规范制度、明晰责任、现场标准化管理等方面提高标准，对日常管理中存在的“低老坏”问题，坚持真抓真管、严抓严管，持续推进泄漏检测与修复(LDAR)系统的全覆盖和精细化管理，LDAR密封点覆盖点位超80万点。建立事故约谈和重大问题督办制度，建立倒逼机制，制定可操作性强的硬措施，切实加强监督问责。从严异常管理，进一步明确生产异常情况上报标准和程序。

通过DCS报警系统、GIS可视化平台、环保管理平台等，及时了解生产、环保异常情况，异常情况的位置，第一时间进行处理。

(1)建设环保数据展示平台

建立统一、系统、完整的环保管理平台，使企业领导、安环处、二级单位等所有相关人员及时掌握权限范围内所需的环境监测数据，智能分析环保状态，决策环保问题，管控环保流程等，及时控制和减少排放。既有助于上海石化控制排放超标引起的环境风险事件，又能满足政府的监管要求，同时系统的建设还将实现环保与信息化的深度融合。

环保管理平台主要包括环保管理数据推送地理智能平台及智能展示、移动应用、水质管理、废气管理、大气管理、零异味报告处理系统6个部分。通过该平台可掌控环保数据，系统将采集的数据(包括93个排气筒、12个在线监测仪，5个大气监测站常规监测因子，80个清下水口、1个总排海口、100个以上的废水口和1个污水口在线监测数据、离线检验数据、人工判别数据)集成在统一的数据系统中，实现集中管理、集中存储和系统分析，使各级管理人员可以及时、方便地获取有应用价值的数据，满足政府监管和企业自身管理需要。开展环保超标管理，通过可视化查看环保监测点信息、实时数据、历史数据，结合相应管理要求，进行报警，一旦出现数据异常和超标报警，可以第一时间通过推送给地理信息智能展示平台、移动应用和手机短信等多方式可视化监管和预警环保状态，并智能推动环保整改流程，为管理人员提供环境可视化分析，降低环境风险事件可能。

积极开展绿色企业创建，基本完成“一方案两清单”编制，包含53项任务和68个项目。以大气治理为重点，完善LDAR基础数据建设，推进LDAR全覆盖工作，新增密封点16.79万点，LDAR覆盖点位达81.82万点。2018年，上海石化保持了“七个为零”的HSSE纪录，化学耗氧量(COD)、氨氮、SO2、氮氧化物排放总量同比分别下降24.58%、39.20%、64.01%和39.96%，厂区边界挥发性有机物(VOCS)浓度(72因子)下降31.35%。

(2)建设GIS可视化平台

通过对生产、设备、安环、保卫等各业务条线的数据采集、资源共享和集成展示，提供关联地理信息的可视化的智能分析功能，解决多专业系统集成不够、跨专业工作难以开展的问题，为生产经营的统筹管理、应急指挥与决策支持提供数据支撑平台。地理信息平台以天地图为基础，绘制上海石化矢量地图，建立统一数据接入标准，接入设备、安环、保卫等各条线专业数据，采集专业业务对应各类实物的地理信息，在地理信息平台上进行展示，实时反映实物状态，及时推送异常数据报警，实现各类数据的可视化实时监管。

1.3.5 提升产业链协同发展能力

企业的生产链条是一个有机的整体，各条线需要相互配合，因此信息共享显得更加重要。计划、采购、生产、财务、储运、销售各个环节之间相互联系，通过互通信息，促进各条线的业务更优，实现效益最大化，促进企业发展。以智能化提升产业链协同发展能力。以信息化来实现采购、生产、计划、财务、销售等系统互通，动态、滚动测算，滚动优化各环节，实现各部门相互配合，协同发展的功效。

(1)Petro-SIM模型软件升级优化

将工艺特点与机理模型结合，通过物性传递、反应动力学计算和能量平衡计算等方面系统分析，建立准确表征炼油、烯烃、芳烃工艺装置性能的单装置工艺模型，以及准确反映全厂实际运营性能的全流程模拟模型。结合市场价格因素，进行单装置的经济性分析，以及全厂性的经济性分析对比，有效识别、评估和实施优化增效方案，优化装置操作条件、加工路线和产品结构，促进全厂盈利水平的提高，同时加强人才队伍培养，进一步提升员工技能，使公司具备先进的软件工具建模能力。

(2)乙烯装置全流程实时优化系统研发

剖析2#乙烯装置生产运行中存在的多单元、多任务、多目标协同问题，研究单元实时优化与全流程实时优化的智能协同方法，采用过程机理、大数据分析、智能优化算法等相结合的技术，实现单元与单元、单元与全流程之间的智能协同优化。形成面向动态生产多任务的乙烯装置原料配置与负荷分配智能优化技术；建立基于过程机理和运行数据的车间全流程智能模型；挖掘车间多单元间耦合关联规则，获得装置级联约束；开发以经济效益最大化或高附产品收率最大化为目标的单元局部实时优化与全流程实时协同优化的系统软件平台。

1.3.6 提升产品创新开发能力

密切关注炼化技术发展新趋势，深化炼厂全流程优化技术应用，加强新能源领域技术攻关，着力推进低硫船用燃料油生产、燃料电池级氢气供应关键技术研究工作；加大碳纤维技术攻关，完成高性能碳纤维装备改造；推进高附加值聚酯和合成树脂的开发与推广应用，开展光学膜用聚酯、工程塑料用聚酯、阻燃聚酯等产品的市场推广工作，推进己烯共聚和大口径聚乙烯管材料、发泡聚丙烯系列化产品开发，以及医用聚丙烯注射器产品的升级开发；专注新一代信息技术和智能制造应用方向，以完善上海石化“两库两网”(中央数据库、实时数据库、光纤主干网、无线主干网)为起点，强基础、消孤岛，深入开展智能工厂建设工作，继续加大生产过程中的控制优化工作，积极推行物联网、大数据、人工智能、机器人等新技术试点应用，持续推进“两化”深度融合。

2 实施效果

2.1 构建与企业生产经营高度适应的功能型管理机制，实现核心价值链全流程优化模式

建立与生产经营高度适应的功能型管理机制，为实施全方位优化原油结构、原料和燃料结构、加工路线、产品结构创造了条件。上海石化建立了全流程优化模型，定期根据生产经营计划，对效益最大的产品高产超产、效益优化重大措施以及影响企业整体效益的关键环节，制订专项奖励办法，从而强化了计划的“指挥棒”作用，确保了最大程度调动相关部门争创企业整体效益最大化的积极性。

2.2 两化功能凸显，提升企业信息化环境下的竞争力

将两化融合作为调结构、促转型、增效益的重要突破口和主要抓手，以两化融合管理体系建设为契机，提升企业一体化管理水平。安全环保始终保持“七个为零”，主要生产装置运行平稳，六期工程顺利建成投产，生产经营管理水平不断提升，降本增效取得显著成效，产品质量升级和技术开发工作顺利实施，组织机构规范化和管理模式创新不断深入。

以智能化工厂建设为切入点，形成效益驱动、创新引领的常态化。生产装置全面实现优化生产，增创效益3.2亿元；通过装置排产、生产调度、生产计划、生产管理等系列优化工作，构建炼油装置全流程优化系统；生产管理人员与装置技术人员协同办公，提高综合商品率、减少物耗能耗为主线，加强装置和产品边际贡献跟踪，建立炼化一体化优化生产管控思维模式，打破炼油、化工的板块界限，统筹安排炼油、烯烃、芳烃经营性生产，促进了产品结构整体升级，信息资源充分共享；通过业务流程和组织架构优化，运用办公自动化和移动办公，使文件审批等行政办公效率提升70%以上，实现经济效益和管理效率不断提升。

2.3 完善绩效考核体系，持续激发组织活力

完善智能化工厂建设绩效考核办法和考核指标框架。明确“财务、客户、内部流程、成长和学习”(KPI)4个维度和重点行动项；强化对各生产单位反映“安稳长满优”总体运行质量的装置利用率、可靠性指标考核；加强过程安全管理中重要过程和结果指标以及装置在总部整体排名等项目考核；建立完善专业条线考核机制，充分发挥专业条线考核评价的作用。

3 结语

加快建设中国智造强国，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合是时代所需，智能化工厂的建设有利于优化存量、降低企业的综合成本(节能降耗、减少用工量、压缩运输成本)；有利于扩大增量，更好地支撑先进制造业向价值链的高端延伸，实现跨设备、跨系统、跨厂区、跨地区的互联互通。上海石化坚持“质量第一、效益优先”，实现“更高质量、更有效率、更加公平、更可持续”的发展目标，以信息化手段指导生产经营，运用移动互联网、云计算、大数据等为抓手，实现计划、采购、生产、储运、销售等质量管理过程的互联互通，持续提升产品和服务质量。