智能天然气净化厂建设实践

高进，张孜博，傅适，李显良

(中国石油西南油气田分公司 重庆天然气净化总厂，重庆401147)

自中国提出智能制造以来，为了促进和加快智能制造的进程，实现智能制造强国的梦想，先后出台了《国家智能制造标准化建设体系指南》《机器人产业发展规划(2016—2020)》《关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》《智能制造发展规划(2016—2020)》等文件，有效推动了智能工厂建设在各行各业的蓬勃发展，在全国也出现了多家智能工厂建设的示范单位。

中国石油西南油气田分公司重庆天然气净化总厂(以下简称净化总厂)主要负责天然气净化业务，并利用脱除的含硫化合物生产硫磺，是国内最早从事天然气净化的专业化公司，现有净化装置20套，具有处理原料天然气2.4×1010m3/a的生产能力，是综合配套齐全、技术先进的大型天然气净化厂[1]。面对新时代天然气大发展的黄金时期，该分公司建立全国最大天然气生产基地的发展战略；面对员工数量逐年递减而装置数量逐年增多的现状以及提质增效的压力，公司承担智能净化厂建设试点的主体责任，结合净化总厂建设中国天然气净化基地的战略定位[2]，净化总厂有必要进行智能工厂建设作为其推动和实现自身战略目标的驱动力。

1 智能净化厂特征及建设实施建议

1.1 智能净化厂

智能净化厂是通过自动化、信息化、工业化、现代管理、信息物理系统等综合技术手段，使天然气净化厂的生产运营过程具有全面感知、分析预测、自主决策、优化执行的能力，实现工厂的办公、管理及生产自动化，达到加强及规范企业管理、减少工作失误、堵塞各种漏洞、提高工作效率、安全生产、提供决策参考，最终达到动态平衡、最优生产、无人(少人)干预、效益最佳的目标[3]，构建高效、节能、绿色、环保、舒适的人性化工厂。

潘云鹤院士在“2019中国(杭州)工业互联网大会”上的主题演讲中提出： 工厂智能化主要体现在两个方面，首先是生产过程智能化，其次是生产管理的智能化。因此，简单的说，智能净化厂就是在自动化、数字化的基础上，综合云平台、物联网、大数据分析、机器学习、AR/VR等新一代智能化技术，构建具有“全面感知、自动操控、智能预测、辅助决策”特征的天然气净化厂。

1.2 智能净化厂建设愿景

智能净化厂是以“生产运行操作受控、安全环保风险受控、设备设施完整受控、检查维修质量受控、经营管理数字化、辅助决策智能化”为建设需求，打造“生产动态全面感知、生产过程自动控制、流程业务模块化、生产装置可视化、趋势特征智能预判、辅助决策科学敏捷”的核心能力，最终实现“产品气合格外输、三废达标排放、装置安全高效运行”的智能净化厂。

1.3 净化总厂智能工厂建设实施建议

通过学习借鉴四川石化、九江石化等国内石化企业智能工厂建设案例，参考国家、石油化工行业、中国石油集团公司、西南油气田分公司等相关标准以及兄弟单位的物联网建设成果，根据智能净化厂的定义、特征，并结合天然气净化厂的特点以及净化总厂智能工厂建设现状和生产、管理需求，提出智能净化厂建设实施建议。

1.3.1智能净化厂建设方案

智能净化厂建设紧密遵循公司整体发展规划，按照分公司信息化顶层设计，匹配分公司“三步走”的业务战略，充分利用分公司已有资源和系统，整合净化分厂控制网、视频网、物联网中的各类数据，实现数据在生产网—办公网中的传输、存储和应用。采用自动化技术、实时优化技术、机器人技术，提升天然气净化生产全过程自动化水平；采用物联网技术、大数据技术、数据集成技术、数字孪生技术、云计算技术、人工智能等多种主流信息技术，建立天然气净化生产全过程远程监控、多业务协同、预测预警等功能的一体化管控系统。实现天然气净化工艺全过程实时洞察、全面感知，进而达到自动操控，提升生产全过程安全管控水平，最终实现智能净化厂建设目标。

1.3.2智能净化厂总体架构

智能净化总厂实行办公网和生产网两网并行运行，其间不能实现数据互通，必须通过分公司级或以上的数据中心才能实现两网互通。生产网由1个平台和2个数据库组成，实现净化装置的智能生产、智能运行、智能作业；办公网由1个平台和1个数据库组成，实现天然气净化厂企业智能管理。智能净化厂总体架构如图1所示。

图1 智能净化厂总体架构示意

1)生产网架构。1个平台是指建设以生产作业智能预测预警为目标，基于物联网及工业控制系统的净化智能生产一体化平台，平台分为作业管控层和指挥协同层。作业管控层为分厂层级，实现智能预测预警、设备监测、安环监测、智能巡检、智能报警、操作监控、作业监控、应急指挥、数字孪生系统等功能；指挥协同层为总厂层级，实现远程诊断、生产跟踪、视频监控、协同调度指挥、音视频融合等功能。

2个数据库是指分厂物联网数据库和净化总厂生产集成数据库。分厂物联网数据库实现物联网数据、视频数据、工业控制系统实时及历史数据本地化存储，支持分厂层级生产作业管控的需要；每个净化分厂都需建立1个物联网数据库。净化总厂生产集成数据库实现各净化分厂物联网数据的采集、汇聚存储，并支撑总厂指挥协同业务需要。

2)办公网架构。1个应用平台是指基于净化业务数据池，通过大数据分析等技术手段实现净化总厂层级三维净化智能管理一体化平台，增强安全、生产、质量、销售、设备、调度等业务领域核心信息系统和核心数据的综合集中和共享，为管理者提供全面监测运营与分析的决策系统，形成以平台为核心的数据集成共享通道，打破壁垒，增强外部数据获取与分析能力，为各级管理提供数据支撑，实现针对各个业务主题的数据建模、分析以及运营监测管理，使得公司决策和各管理层“看得到、管得着、控得住”。

基于分公司开发生产管理平台，为净化分厂打造分厂数字化管理子系统以及净化厂完整性管理信息子系统。分厂数字化管理子系统实现分厂巡回检查、常规操作、分析处理、维护保养、检查维修(施工作业)、变更管理、属地监督、作业许可、危害因素辨识、智能库房管理等管理流程的标准化、规范化、数字化。净化厂完整性管理信息子系统是依托分公司天然气研究院在净化领域研究多年的成果，继续开展风险评价技术研究及实践应用、体系文件编制、信息平台研发、无损检测技术应用、腐蚀监测系统研发等，为净化厂提供完整性管理技术支持。

1个数据库是指1个净化业务数据池，依托西南油气田分公司西南区域数据湖，搭建净化业务数据池，净化业务数据池是分公司数据湖的子集，净化业务数据汇入数据湖，实现净化数据采集、治理及对外服务。

1.3.3智能净化厂网络架构

智能净化厂网络架构在分厂层级通过OPC服务器采集DCS实时数据，通过视频网关将视频专网中的视频进行转换、实现流媒体数据采集转发，通过物联网网关将物联网中不同通信协议的设备进行协议转换，实现物联网设备的连接和通信、采集。实时数据、流媒体数据以及物联网数据采集后存储在分厂物联网数据库中，为分厂生产网生产作业管控等应用提供数据支撑。

各分厂数据通过生产网传输、汇聚到总厂生产集成数据库，实现下属各分厂数据的汇聚存储，同时为总厂生产指挥协同等应用提供数据支撑。分厂数据通过生产网最终传输到分公司的SCADA服务器、视频服务器以及生产数据平台，通过生产数据平台穿越防火墙进入办公网。

在办公网中，依托分公司云计算平台、分公司已有系统及平台，构建净化业务数据池以及净化智能管理一体化平台，为总厂、分厂办公网用户提供经营管理、辅助决策应用。

智能净化厂网络架构如图2所示。

图2 智能净化厂网络架构示意

1.3.4智能净化厂数据架构

智能净化厂数据架构如图3所示。

图3 智能净化厂数据架构示意

1)生产网数据架构。在分厂实现底层DCS，物联网和工业视频等数据源的采集、存储，并为分厂作业管控应用提供数据支撑。实现总厂及气矿对下属分厂数据的汇聚存储，并为总厂及气矿指挥协同应用提供数据支撑。数据上传至分公司层，实现分公司层级的数据存储。

2)办公网数据架构。在分公司层级通过数据映射穿越防火墙后传输至分公司生产数据平台，最终汇入净化业务数据池，为净化厂数字化管理子系统、完整性管理子系统以及净化智能管理一体化平台提供数据支撑。净化分厂在办公网的底层数据源，通过数据传输至各应用系统平台，最终也将汇入净化业务数据池，实现净化业务数据的集中存储、管控。

2 净化总厂智能工厂建设实践

2.1 智能工厂建设的依据

自国家提出智能制造以来，净化总厂就开始了智能工厂建设的思考和探索。净化总厂在2017年12月西南油气田分公司净炼化专业技术座谈会上做了题目为《智能天然气净化厂建设》专题报告、2018年开展了厂级科研项目《天然气净化厂智能工厂建设研究》、2019年12月发表论文《智能天然气净化厂建设展望》、2020年7月发表论文《天然气净化装置无人巡检模式探讨及实践》。2020年6月完成了《西南油气田智能净化厂建设方案》编制，成为该分公司智能净化厂建设的指导性意见和专业标准。

2.2 智能工厂建设实践

近几年，净化总厂先后开展了龙王庙净化厂物联网、忠县净化厂数字化巡检平台、动设备在线监测系统等建设项目；目前正在开展安岳净化厂物联网项目、龙王庙净化厂电站智能机器人巡检系统、物资库房智能仓储管理系统、智慧工厂管理平台等项目建设，以及大竹净化厂数字化管理平台和净化总厂自动化作业试点工程项目建设的可研和初步设计。

2.2.1龙王庙净化厂物联网

利用射频、移动网络、大数据分析等技术，打造集数字巡检、设备管理、能源管控、智能运行分析、问题闭环管理、数据对比、化验分析管理、临时任务督办、备品备件管理、能耗分析、故障预警、工作任务到期提醒、统计分析等功能于一体的物联网平台，如图4所示。

图4 龙王庙净化厂物联网平台示意

2.2.2忠县净化厂数字化巡检平台

利用物联网、移动网络、工业控制等技术，通过手持终端、工业防火墙等设备，构建具有电子巡检、检修工单派发、设备台账管理、操作卡管理、化验分析数据管理、请销假管理、车辆调派、值班记录管理8大功能的综合应用平台。

2.2.3净化总厂动设备在线监测系统

通过配置振动、温度探头，传感器，I/O卡件等，实现对动设备的运行监控、直观展示、提前预警和故障预防。

2.2.4大竹净化厂物联网示范工程

通过增设智能仪表、高清摄像头、HART数据采集器，实现现场生产数据100%采集，快速呈现、感知现场状态。

2.3 净化总厂智能工厂建设现状

净化总厂是西南油气田分公司规模最大、装置数量最多的专业化生产单位，承担着该分公司“智能工厂”的规划与建设的主要责任，也是天然气净化厂智能工厂建设的试点单位，对标该分公司智能油气田建设要求，其智能工厂建设进度滞后于公司“2020年全面建成数字化油气田”的阶段建设目标，目前仍处于数字化建设阶段，正在全面推广物联网建设和开展部分智能项目试点工作。

虽然净化总厂智能工厂建设进度滞后于公司智能化油气田的阶段建设目标，但对标《西南油气田智能净化厂建设方案》中关于智能净化厂“全面感知、自动操控、智能预测、辅助决策”四个特征来看，净化总厂已初步具备“全面感知、自动操控”的特征，正在向“智能预测、辅助决策”的方向推进。由于净化总厂各装置设置有包括DCS，SIS，GDS，现场PLC等较完善的自控系统、电气综合自动化系统、监控系统、安防系统等，从近几年开展的智能工厂建设项目来看，主要侧重于基础设施升级、自控系统完善、物联网建设、生产网应用部署、办公网系统集成等，是对“生产动态全面感知、生产过程自动控制”能力的补充完善，是对“流程业务模块化、生产装置可视化”能力的加强和优化，是对“趋势特征智能预判、辅助决策科学敏捷”能力的打造和推进。

3 净化总厂智能工厂建设存在的不足

3.1 已实施项目与预期效果存在一定差距

从已实施项目建成后的使用效果和目前正在开展项目的建设内容来看，设计的功能与实际应用的功能有一定的差距，导致应用效果不理想，其原因为： 一是建设内容主要集中在现场仪表设备信息的采集，实现的功能也只是对采集数据进行简单利用，并未对其进行大数据分析以及辅助生产决策管理，导致数据利用率低；二是管理平台的结构和功能模块开发未进行规范统一，无法在其他分厂进行应用推广；三是管理平台的建设和开发水平有待提高，导致管理平台的实际运行效果与建设目标有一定差距；四是管理平台功能需要在应用中不断修改完善，但目前仅有项目建设的投入，无后期功能维护投入，导致功能模块在后期推广应用中存在较大阻力，可能出现应用终止的情况。

3.2 现有数据开发利用率低

净化总厂各分厂设置有DCS，SIS，F&GS以及电气综合自动化系统，其采集生产装置全部关键工艺参数及绝大部分数据；人工巡检和化验分析也产生了大量生产数据，同时还有各类上报资料的统计数据以及现有的监控系统、安防系统等，这些海量数据除数据生成时发挥作用外，作为备份资料保存或过期资料销毁，再次利用率低。现有数据开发利用率低，并且每天都有大量数据产生，大量的数据被丢弃。但从净化总厂已开展和正在进行的智能化项目内容可以看出，还是侧重于基础数据的采集，如现场设备设置大量的RFID电子标签等。

3.3 上级统建系统无法有效融入智能工厂建设方案

目前净化总厂在用的信息系统统建系统有29套，包括集团公司统建系统16套，分公司统建系统13套，如图5所示。这些系统普遍按照业务主导方式，采用垂直管理模式建设，一是缺乏数据整体规划，业务数据分散采集、独立使用，各系统间相互独立，彼此间不能共享数据，不能进行业务协同，形成了严重的信息孤岛[4]；二是信息系统覆盖不全，不能全面有效覆盖天然气净化业务全生产环节；三是建设模式未能满足“两化融合”要求，信息系统与自控系统数据尚未实现数据对接，各系统重复采集数据；四是天然气净化厂是气田开发一个不可缺少的环节，有其特殊性，受制于上下游，行业规模小，其装置比炼油化工装置简单，但又比集输管线场站复杂，导致上级公司统建的信息系统对净化总厂的适应性差；五是对净化总厂而言，上级公司统建的信息系统都是单向上传数据，无法从这些系统中获取数据，更谈不上有效开发利用这些数据。

图5 净化总厂在用的统建信息系统统计示意

3.4 建设方案形成晚导致建设进程缓慢

在分公司范围内，净化总厂是唯一以天然气净化为主业的专业化公司，也是天然气净化厂智能工厂建设的试点单位。自2017年以来，净化总厂开始委托外部单位进行智能净化厂的建设方案编制，直到2020年6月净化总厂才完成《西南油气田智能净化厂建设方案》的编制。由于缺乏智能净化厂建设方案，导致各净化厂没有统一的建设方向和标准，智能净化厂建设滞后于分公司智能油气田的建设进程。其主要原因为： 一是已实施的龙王庙净化厂物联网、忠县净化厂数字化巡检平台建设项目效果不理想，无法对智能净化厂的建设方案提供参考和指导意见；二是上级公司统建的信息系统对净化总厂是必须使用的，其对智能工厂构架及方案有很大影响；三是天然气净化厂在国内行业规模小，还未出现可以参照的智能工厂建设案例；四是由于受个人对智能工厂的理解程度、认知度以及接触了解的信息差异影响，导致不同的人对于智能净化厂的定义、功能、建设思路以及建设内容也存在差异。

4 净化总厂智能工厂建设现状改进建议

4.1 加快智能净化厂建设进程

尽快完成智能净化厂建设的顶层设计并加快实施，推进智能净化厂建设方案的落地和实施。通过智能净化厂建设方案确定智能净化厂的定义、目标以及建设思路，实现建设智能净化厂的思想统一、目标一致。

制订智能净化厂建设基础性的技术要求： 提出如开发平台、数据结构、系统接口标准等基础性的技术要求；实现净化分厂各类传感器数据、仪器仪表数据、音视频数据以及实时数据的接入，屏蔽数据间的异构性，对它们进行统一的存储、预处理，为应用程序提供统一的接口标准，打破信息孤岛，横向打通信息空间；同时为集成现有分公司、集团公司统建系统提供接口标准。

4.2 补充完善自控仪表及提高装置自动化水平

补充和完善现场仪表，实现装置工艺参数监控全覆盖，替代或取消人工巡检，实现无人巡检[5]；用自动化设备替代或减少人工操作，提高装置自动化水平，如实现工艺介质组分的在线监测，减少人工分析频次和分析项目；实现多设备的全自动切换和启停；实现全自动在线式溶液过滤器清洗；空氮、锅炉、硫冷凝器排污、加药自动控制；实现危险作业区域自动分析等；实现装置现场巡检、值班值守的无人化，避免或减少人员去现场。

4.3 开展现有数据的二次开发利用

现有DCS，SIS，F&GS以及电气综合自动化系统以及化验人工分析等大量来自于生产装置的数据，具备对生产装置某些功能、参数、设备进行趋势特征智能预判的数据基础；对现有数据设置分厂级和总厂级两级数据存储服务器，形成数据湖，可以对这些数据进行有选择性的二次开发利用，实现对生产装置运行趋势的预测预警，如设备泄漏及腐蚀等的预测预警。若单一功能、参数、设备等的趋势预测预警项目越多，则装置整体的趋势预测预警功能会越强大。

4.4 正确认识智能净化厂的建设过程

智能工厂是近些年科学技术高速发展形成的概念性产物，属于新兴事物，目前还没有统一的标准和产品。在智能净化厂建设项目实施过程中，应摒弃智能净化厂无所不能、无所不管的理解，更应摒弃将智能净化厂理解为高高在上的高科技和遥不可及的梦想，还应摒弃一提到智能净化厂建设就需要机器人、无人机、海量数据等激进思想，智能净化厂建设需要结合企业内外部环境、条件及基础，不能一蹴而就，是一个不断完善、改进、优化的长期过程，需要稳扎稳打[6]；更需要结合企业现状及将来的发展趋势以及智能净化厂建设不同阶段需求分阶段推进。

4.5 用智能净化厂项目解决目前最迫切解决的问题

在智能净化厂建设的总体框架下，应结合净化总厂目前生产、运行、管理等环节中的难点、痛点进行梳理、分析来编制针对解决某一个或几个问题的智能净化厂建设的单项实施方案。该类方案由于建设内容相对较少，又具有实施的迫切性，因此容易通过上级部门审批，实施后的效果也明显，同时又具有可复制性和推广性。如目前各分厂普遍存在的生产数据需在多个系统中多次重复提报的问题，可以实施一个项目解决。

4.6 坚持应用和开发并重的智能工厂建设模式

在智能净化厂建设项目推进过程中，应坚持应用和开发并行的方式。如仪表设备HART信息采集，从已建成的安岳净化厂等几个新建净化厂以及目前正在推进的大竹净化厂联网建设情况来看，通过设置HART信息采集器串接在仪表4～20 mA电流回路中读取HART信息；DCS产品配套的FDM智能仪表管理系统，具有智能仪表管理功能，能直接从DCS中读取仪表HART信息，与增加HART协议数据采集器相比，节约硬件采购成本，大幅降低中心控制室的施工量，缩短工期，更能保证使用效果。HART信息采集器和FDM智能仪表管理系统与HART设备连接对比如图6所示。此外，如监控系统与DCS联动、监控系统与FGS联动等功能也是如此。

图6 HART信息采集器和FDM管理系统与HART设备连接对比示意

5 结束语

智能工厂的建设是一项系统工程，涵盖的面比较广，涉及管理、信息技术、业务发展、数据应用、标准化等众多内容，同时不同类型、不同规模和不同“两化融合”发展水平的企业智能工厂建设的路径不尽相同[7]。到目前为止，智能天然气净化厂的定义和特征还没有形成统一的认识，必将随着科学技术的进步和发展而不断更新，因此智能天然气净化厂建设是一个长期的过程，也是一个不断改进和完善的过程。随着西南油气田分公司“十四五”产能的持续稳步提升、建成中国“气大庆”的发展目标快速推进以及2030年建成800亿天然气产量规模的实施，净化总厂作为该分公司含硫天然气处理的专业化公司，也面临快速增产的压力和机遇，同时也迎来了智能工厂建设的最佳时间；净化总厂在未来减员增效的严峻形势下，唯有勇担责任，开拓思路，加快推进智能工厂建设，借助先进的数字化、智能化技术进行智能工厂建设，保证安全生产、清洁生产、高效生产，助推中国天然气净化基地战略目标的实施。