石化工业数字化智能化转型

李德芳,曾任中国石化集团公司信息化管理部主任,现任石油化工管理干部学院党委书记,教授级高级工程师,享受国务院政府特殊津贴专家,中国石化集团有限公司突出贡献专家,担任工信部智能制造专家咨询委员会委员、北京创造协会理事长、中国系统工程学会过程系统工程( PSE )专业委员会常务副主任。长期从事石油化工生产过程优化、供应链优化、智能工厂等方面的技术研究与应用,主持制订了中国石化“十一五”、“十二五”、“十三五”信息化建设和应用发展规划,主持完成了中国石化企业资源计划管理( ERP )系统、集团资金集中管理、生产营运指挥系统、炼化生产执行系统( MES )、智能工厂等重大信息系统的总体方案设计、项目技术攻关和组织实施工作,主持完成了多项科技课题,获得了多项技术成果,其中,省部级科技进步奖一等奖4项、二等奖3项。作为课题组长,主持完成了“石化企业 MES 关键技攻关及应用研究”和“面向流程和混合行业的可配置 MES 产品及行业解决方案”等国家863计划重点课题,研发出了具有自主知识产权的 SMES 软件,打破了国外技术的垄断,实现了 MES 系统在我国石化企业应用的整体突破。作为负责人,主持完成了工信部智能制造综合标准化“石化行业智能工厂通用技术要求和评估规范标准化和实验验证”和“石化行业智能工厂系统、物与智能装备互联互通操作技术要求和评估规范标准化和实验验证”两个项目。主持完成了中国石化“智能工厂”规划和设计工作,并组织在燕山石化、茂名石化、镇海炼化、九江石化进行了“智能工厂”试点建设,试点工作在技术和应用上都取得了重大突破和显著成效,具有良好的示范和推广效应。


蒋白桦,正高级工程师,享受国务院政府特殊津贴专家,石化盈科信息技术有限责任公司高级副总裁兼中国石化工业互联网重点实验室主任,中国智能制造系统解决方案供应商联盟轮值主席,国家智能制造标准化委员会专家咨询组专家,中国系统工程学会过程系统工程专业委员会副主任委员,石油和化工智能制造智库委员会副主任委员,《智能制造》编委会委员,曾任中国石化长岭炼化公司副总工程师。长期从事能源化工企业综合自动化、 MES 、供应链优化、智能制造和工业互联网等方面的技术研究与应用,多次承担国家863计划重大课题及工信部工业互联网和智能制造相关重大项目。多项成果获得省部及国家科技进步奖。


赵劲松,清华大学化学工程系教授,博士生导师,过程系统工程研究所所长,工业大数据系统与应用北京市重点实验室副主任;中国化工学会工程伦理教育工作委员会主任委员,中国系统工程学会过程系统工程专业委员会副主任委员,中国公共安全科学技术学会预测预警专业工作委员会副主任委员,《中国化学工程学报(英文版)》副主编,国际期刊 Computers & Chemical Engineering 、 Process Safety and Environmental Protection 编委,北京市安全生产领域学科带头人。主要研究方向化工过程安全,人工智能与工业大数据技术等。

李德芳，教授级高工，享受国务院政府特殊津贴。中国系统工程学会过程系统工程专委会主任、国资委国资监管信息化专家组专家、科技部“十二五”国家科技重点专项（绿色制造专项）专家组专家、工信部智能制造专家咨询委员会委员。1984本科毕业于大连工学院化工机械专业，1998年硕士毕业于中国社会科学院商业经济专业，2009博士毕业于北京航空航天大学系统工程专业。2001年12月至2019年4月担任中国石化集团公司信息管理部主任，主持完成国家863课题“石化企业MES关键技术提升及软件开发研究”、“面向石化行业的可配置MES产品及行业解决方案”、“面向石油化工的节能环保与安全管控MES开发及应用”等。负责工信部智能制造综合标准化“石化行业智能工厂通用技术要求和评估规范标准化和实验验证”和“石化行业智能工厂系统、物与智能装备互联互通操作技术要求和评估规范标准化和实验验证”项目。牵头组织了中国石化“智能工厂”规划设计工作，其中九江石化、镇海炼化、茂名石化被工信部列为国家智能制造试点示范项目。曾获得国家部委级一等奖1项，中国石化集团公司科技进步奖一等奖4项、二等奖3项，2010年被中国化工学会信息技术应用专业委员会评为成就奖，2011年被中国石油和化学工业联合会评为“两化融合”杰出管理奖。
蒋白桦，石化盈科信息技术有限责任公司高级副总裁，教授级高工，曾承担多项863、工信部重大课题，完成了多家石化智能工厂试点建设，其中九江石化、镇海石化等8家企业被列为国家智能制造试点示范项目。曾获国家科技进步二等奖1次、中国石化科技进步一等奖3次、二等奖6次。
赵劲松，清华大学化工系主任、教授，工业大数据系统与应用北京市重点实验室副主任，中国过程系统工程专业委员会副主任委员。兼任联合国环境规划署（UNEP）国际专家、《化工学报》期刊副主编，国际期刊《Computers & Chemical Engineering》和《Process Safety and Environmental Protection》编委。曾获中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖1项、二等奖1项。

石化工业是我国国民经济的基础和支柱产业，是先进制造业的核心。石化工业数字化、智能化转型升级，正是我国石化工业提质增效和可持续发展的关键所在。
《石化工业数字化智能化转型》由中国石化集团公司、石化盈科公司、清华大学等单位编写，是他们自主研发建设国家“石化智能工厂”和国家“绿色制造示范工厂”的先进经验以及承担科技部863课题、工信部、国家自然科学基金项目等多项成果的系统总结。
首次提出了石化智能工厂架构体系、技术体系、标准规范，首创石油和化工工业互联网平台，首次实现了基于数字孪生的石化工厂多维度、全方位模型化描述，率先形成了可推广的石化智能工厂解决方案与工业软件套件等。
开发的“石化行业智能工厂解决方案”、“石油和化工工业互联网平台建设系统解决方案”、“面向信息物理系统（CPS）的制造执行系统产品和解决方案”入选工信部2017、2018、2019年“制造业和互联网融合发展试点示范”，“石油和化工工业互联网平台（ProMACE）”入选工信部“2018年工业互联网试点示范”。
成功打造了集绿色、高效、安全和可持续发展于一体的系列石化智能工厂，其中九江石化、镇海炼化、茂名石化、上海石化先后入选工信部“智能制造试点示范项目”。

自工业革命以来，石化工业一直在世界经济转型中发挥着关键作用，满足全球人类的衣、食、住、行、医需要。经过数十年的发展，我国石化工业已覆盖石油产品、合成树脂、合成纤维、合成橡胶、化肥等领域，石化产业的规模、产量和能力都有了大幅度提升，产业规模已跻身世界石化大国前列；拥有催化裂化、延迟焦化、催化重整、加氢裂化、加氢精制、渣油加氢等炼油核心技术；拥有具备自主知识产权的千万吨级炼油和百万吨级乙烯炼化一体化、清洁油品生产、重油轻质化、芳烃生产、炼油环境保护等成套技术，国际影响力显著提高。然而，石化工业的绿色发展、高质量发展与要求相比，还有一定差距。
当前，以物联网、大数据、人工智能等为代表的新一代信息技术与运营技术、制造技术深度融合，建设面向行业的工业互联网平台，推进传统行业的数字化智能化转型正愈演愈烈，新一轮工业革命正在全球范围内孕育兴起，制造业正迈向动力变革、体系重构、范式迁移的新阶段，加速向数字化、网络化、智能化方向发展。万物互联、数字驱动、软件定义、平台支撑、组织重构正在构建制造业的新体系，给企业带来前所未有的价值捕捉与创造机遇，也成为全球新一轮产业竞争的制高点。
我国石化工业信息化建设经历了“起步和技术引进”“分散建设”“统一规划、统一建设”和“集中集成、深化应用”“集成共享、协同创新”等阶段，正逐步向工业化与信息化进一步融合深化发展。“十三五”以来，中国石化、中国石油、中国海油等中央企业均加快了石化智能工厂、智能油田试点建设，同时，积极打造石化工业智能制造的核心引擎——石化工业互联网平台，支撑石化产业转型升级和高质量发展。
全书是中国石化集团公司、石化盈科公司、清华大学等单位自主研发建设国家级“石化智能工厂”和国家级“绿色制造示范工厂”等先进经验以及所承担的国家“863”课题等多项重大科研项目成果的系统总结。近年来，本书编写团队先后承担了“面向石化行业的可配置MES（生产执行系统）产品及行业解决方案”“面向石油化工的节能环保与安全管控MES开发及应用”等国家“863”课题，主持了“石化行业智能工厂通用技术要求和评估规范标准化和试验验证”“石油和化工工业互联网平台（ProMACE）试验测试”“工业互联网平台企业安全综合防护系统”等工信部重大项目。实践中，以中国石化集团公司智能工厂建设为例，在生产管控、供应链管理、设备管理、能源管理、安全管控、环保管控6大业务域，实现了集中集成、资产数字化、协同优化、融合通信、工业大数据分析、人工智能6类核心技术在石化工业中的融合应用，提升了企业数字化、网络化、智能化水平，提高了企业全面感知、预测预警、协同优化和科学决策能力。试点企业取得了良好的技术经济指标：装置自动化控制率由80%左右提升到95%以上，生产数据自动化采集率由60%左右提升到90%以上；劳动生产率平均提升30%以上，万元产值能耗平均降低8%左右；集约化、一体化生产管控能力显著提升；预测预警能力、本质安全环保水平显著提高。
本书共分为3篇。第1篇基础篇，共4章：从经营管理、生产营运、客户服务以及基础设施四大平台层级全面介绍了石化工业信息化现状和已有基础，本篇是对石化工业现有信息化发展基础的全面回顾和系统性总结；第2篇理论篇，共3章：从石化信息物理系统（PCPS）概念、内涵、特征、体系架构、石化工业互联网等方面阐述了石化转型的理论框架、技术支撑体系，展望了石化工业数字化智能化转型路线图与重点任务，是全书的理论创新重点，是对新一代信息通信技术与石化工业深度融合的理论创新和全面设计；第3篇实践篇，共6章：从集团企业、炼化企业、煤化工企业、油田企业、油品销售企业等全方位展示了中国石化、中煤陕西、新凤鸣等公司全面落实“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，深入实施创新驱动发展战略，推进两化深度融合，全力打造智能石化的实践成果。
本书由中国石化集团公司、石化盈科公司、清华大学组织编写，李德芳、蒋白桦、赵劲松、刘伟等编著。绪论由李德芳、刘伟编写；第1章由李德芳、张锐编写；第2章由蒋白桦、刘暄、王景涛、赵岩、韩永波、冯新国、张锐等编写；第3章由向瑞、王景涛编写；第4章由罗益民、潘增海编写；第5章由李德芳、赵劲松、蒋白桦、袁志宏、索寒生编写；第6章由蒋白桦、索寒生、高立兵、刘东庆编写；第7章由李德芳、蒋白桦、刘暄、李明杭编写；第8章由张锐、刘剑峰、向瑞、沈殿林、温震编写；第9章由李德芳、高瑞、储祥萍、陈彬、梁坚、冯志强、徐燕平、赵岩、刘平、温涛、郑京禾、赵毅编写；第10章由王会成、韩永波、曲雪慧编写；第11章由韩永波、易建锋、乔泉熙编写；第12章由韩永波、南晓亮编写；第13章由向瑞、周兆林、刘君编写。全书由李德芳、蒋白桦、赵劲松筹划、草拟框架、组织编写、审稿定稿。
衷心感谢王基铭院士、袁晴棠院士、陈丙珍院士、钱锋院士以及化学工业出版社编辑对本书提出的宝贵建议及付出的辛劳，感谢王子宗、李剑峰、张朝俊、景帅、宫向阳、姜晓阳、王永耀、吴建军、蒋楠、孙丽华等对本书编写的支持，特别感谢以下企业提供案例素材：中国石油化工股份有限公司中原油田普光分公司、中国石油化工股份有限公司西北油田分公司、中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司、中国石油化工股份有限公司茂名分公司、中国石油化工股份有限公司九江分公司、中煤陕西榆林能源化工有限公司、新凤鸣集团股份有限公司、中国石化销售有限公司浙江石油分公司、中国石化（香港）有限公司。
由于编著者水平和时间有限，书中难免有疏漏和不妥之处，恳请读者批评指正，以期日后的不断修订和提高。

编著者　
2021年3月

0　绪论 001
0.1　石化工业发展趋势和挑战 001
0.1.1　石化工业发展趋势 001
0.1.2　当前石化工业的新挑战和新机遇 005
0.2　石化工业数字化智能化发展现状 008
0.2.1　石化工业发展的必由之路——数字化智能化转型 008
0.2.2　国际石化工业数字化智能化发展现状 013
0.2.3　我国石化工业数字化智能化转型现状 015
0.3　石化工业数字化智能化发展思考 017
0.3.1　石化工业数字化智能化转型内涵、方法与策略 017
0.3.2　石化工业数字化智能化转型带来的创新和变化 020
0.4　本书主要内容 025
参考文献 028

第1篇　基础篇 029
1　经营管理信息化 031
1.1　企业资源计划系统 032
1.1.1　概述 032
1.1.2　系统架构 032
1.1.3　主要模块 032
1.1.4　应用效果 035
1.2　资金集中管理系统 036
1.2.1　概述 036
1.2.2　系统架构 036
1.2.3　主要模块 037
1.2.4　应用效果 038
1.3　预算管理系统 040
1.3.1　概述 040
1.3.2　系统架构 040
1.3.3　主要模块 041
1.3.4　应用效果 041
1.4　风险管控系统 042
1.4.1　概述 042
1.4.2　系统架构 042
1.4.3　主要模块 043
1.4.4　应用效果 045
1.5　协同办公系统 045
1.5.1　概述 045
1.5.2　系统架构 046
1.5.3　主要模块 047
1.5.4　应用效果 047
1.6　数据仓库系统 048
1.6.1　概述 048
1.6.2　系统架构 048
1.6.3　主要模块 049
1.6.4　应用效果 050
参考文献 051

2　生产营运信息化 052
2.1　集团生产营运指挥系统 052
2.1.1　概述 052
2.1.2　系统架构 054
2.1.3　主要模块 055
2.1.4　应用效果 058
2.2　安全管理系统 059
2.2.1　概述 059
2.2.2　系统架构 060
2.2.3　主要模块 061
2.2.4　应用效果 062
2.3　环保管理系统 063
2.3.1　概述 063
2.3.2　系统架构 063
2.3.3　主要模块 064
2.3.4　应用效果 065
2.4　生产执行系统 065
2.4.1　概述 065
2.4.2　系统架构 066
2.4.3　主要模块 067
2.4.4　应用效果 069
2.5　实验室信息管理系统 072
2.5.1　概述 072
2.5.2　系统架构 073
2.5.3　主要模块 074
2.5.4　应用效果 077
2.6　能源管理系统 078
2.6.1　概述 078
2.6.2　系统架构 079
2.6.3　主要模块 080
2.6.4　应用效果 082
2.7　物流管理系统 085
2.7.1　原油物流子系统 085
2.7.2　成品油物流子系统 089
2.7.3　化工品物流子系统 092
2.8　工业控制系统 097
2.8.1　集散控制系统 097
2.8.2　数据采集与监视控制系统 101
2.8.3　先进控制系统 106
2.9　工程项目管理系统 112
2.9.1　概述 112
2.9.2　系统架构 112
2.9.3　主要模块 113
2.9.4　应用效果 115
2.10　实时数据库系统 116
2.10.1　概述 116
2.10.2　系统架构 117
2.10.3　主要模块 118
2.10.4　应用效果 119
参考文献 119

3　客户服务信息化 121
3.1　采购电子商务系统 122
3.1.1　概述 122
3.1.2　系统架构 122
3.1.3　主要模块 123
3.1.4　应用效果 124
3.2　客户关系管理系统 125
3.2.1　概述 125
3.2.2　系统架构 126
3.2.3　主要模块 127
3.2.4　应用效果 128
3.3　加油卡系统 129
3.3.1　概述 129
3.3.2　系统架构 130
3.3.3　主要模块 131
3.3.4　应用效果 132
3.4　零售管理系统 133
3.4.1　概述 133
3.4.2　系统架构 134
3.4.3　主要模块 135
3.4.4　应用效果 136
3.5　非油品销售管理系统 137
3.5.1　概述 137
3.5.2　系统架构 137
3.5.3　主要模块 139
3.5.4　应用效果 140
3.6　网上销售服务系统 141
3.6.1　概述 141
3.6.2　系统架构 141
3.6.3　主要模块 141
3.6.4　应用效果 143
参考文献 143

4　信息化基础设施 144
4.1　数据中心 145
4.1.1　系统架构 145
4.1.2　主要模块 146
4.2　网络 150
4.2.1　系统架构 150
4.2.2　主要模块 153
4.3　云平台 154
4.3.1　系统架构 154
4.3.2　主要模块 156
4.4　运维管理平台 157
4.4.1　系统架构 158
4.4.2　主要模块 160
4.5　网络安全 161
4.5.1　系统架构 161
4.5.2　主要模块 162
参考文献 164

第2篇　理论篇 165
5　石化智能化转型核心——PCPS 167
5.1　CPS的基本概念、层次与特征 167
5.1.1　CPS的基本概念 167
5.1.2　CPS的层次 168
5.1.3　CPS的特征 168
5.2　石油化工价值链特征 170
5.3　PCPS的内涵、功能与特征 171
5.3.1　PCPS的内涵 172
5.3.2　PCPS的功能与特征 173
5.4　PCPS的体系架构 176
5.4.1　PCPS的体系架构设计 176
5.4.2　PCPS的单元结构和计算架构 179
5.5　PCPS的关键使能技术 185
5.5.1　石化生产装置智能建模技术 185
5.5.2　面向石化本质安全的过程柔性优化设计技术 196
5.5.3　石化生产过程优化技术——（实时）智能优化运行技术 198
5.5.4　先进控制技术 207
5.5.5　故障智能检测与诊断技术 210
5.5.6　石化安全智能监控技术——基于视频监控系统的智能火灾识别 216
参考文献 219

6　石化工业互联网 225
6.1　石化工业互联网业务视图 227
6.2　石化工业通信网络 230
6.2.1　石化工业通信网络现状 230
6.2.2　石化工业通信网络发展趋势 232
6.3　石化工业互联网平台 236
6.3.1　平台功能 236
6.3.2　石化工业物联引擎 240
6.3.3　石化工业数字化引擎 246
6.3.4　石化工业大数据与人工智能引擎 250
6.3.5　石化工业实时优化引擎 257
6.3.6　石化工业软件 261
6.3.7　部署实施 268
6.4　石化工业互联网安全体系 272
6.4.1　石化工业互联网安全防护系统架构 273
6.4.2　石化工业互联网安全核心能力 274
6.4.3　重点发展领域 276
6.5　标准化和成熟度评估 277
6.5.1　石化行业智能制造参考模型 277
6.5.2　石化行业智能制造标准体系结构 280
6.5.3　石化行业智能制造成熟度评估 283
参考文献 286

7　数字化智能化转型路线图与重点任务 288
7.1　对石化工业数字化智能化发展的思考 289
7.1.1　总体思路 289
7.1.2　发展重点 299
7.2　石化工业数字化智能化转型路线图 302
7.2.1　经营管理走向智能化管理体系 302
7.2.2　生产营运走向智能化制造体系 304
7.2.3　客户服务走向智能化服务体系 305
参考文献 306

第3篇　实践篇 307
8　集团级数字化智能化转型案例 309
8.1　集中管控 309
8.1.1　发展历程 311
8.1.2　系统建设 311
8.1.3　应用效果 313
8.2　共享服务 314
8.2.1　发展历程 315
8.2.2　解决方案 316
8.2.3　应用效果 320
8.3　集团商业模式创新 321
8.3.1　易派客 321
8.3.2　石化e贸 326
参考文献 330

9　炼油化工数字化智能化转型案例 331
9.1　“老炼厂”旧貌换新颜——九江石化 331
9.1.1　基本情况 331
9.1.2　转型历程与效果 332
9.1.3　新一代生产营运指挥中心 334
9.1.4　生产一体化优化 337
9.1.5　内外操协同 339
9.1.6　环保地图 341
9.1.7　三维数字工厂 343
9.1.8　装置结焦及预测预警大数据分析 346
9.2　行业“标杆”炼化工厂——镇海炼化 350
9.2.1　基本情况 350
9.2.2　转型历程与效果 350
9.2.3　生产全流程优化 353
9.2.4　生产调度与物料操作协同 355
9.2.5　工程建设全生命周期管理 358
9.2.6　自动化立体仓库 361
9.2.7　乙烯装置在线实时优化 363
9.2.8　智能视频分析 365
9.3　创新型沿海炼厂——茂名石化 367
9.3.1　基本情况 367
9.3.2　转型历程与效果 368
9.3.3　新一代生产指挥中心 371
9.3.4　生产执行日优化效益 373
9.3.5　施工作业过程管控 375
9.3.6　泄漏检测与VOCs管控 377
9.3.7　设备健康管理 379
参考文献 381

10　煤化工及其他工厂数字化智能化转型案例 383
10.1　现代煤化工企业—中煤陕西公司 384
10.1.1　基本情况 384
10.1.2　转型历程与效果 384
10.1.3　生产管理系统 388
10.1.4　大机组监测系统 392
10.1.5　应急指挥系统平台 396
10.1.6　辅助决策系统 399
10.1.7　企业信息集成平台 402
10.2　化纤行业全要素一体化智能工厂—新凤鸣集团 407
10.2.1　基本情况 407
10.2.2　转型历程与效果 408
10.2.3　智能产线 409
10.2.4　智能排产 410
10.2.5　智慧销售 412
10.2.6　智慧物流 414

11　油气管网管理数字化智能化转型案例 419
11.1　概述 419
11.2　解决方案 420
11.2.1　管线数字化管理 422
11.2.2　管线运行管理 423
11.2.3　管道完整性管理 424
11.2.4　应急响应 426
11.2.5　隐患管理 427
11.2.6　大数据应用 428
11.2.7　移动应用 428
11.3　应用效果 430
11.3.1　技术及应用创新性 430
11.3.2　应用效益 435
11.3.3　应用成效 437
参考文献 440

12　油田企业数字化智能化转型案例 441
12.1　数字化大型气田—中原普光 444
12.1.1　基本情况 444
12.1.2　转型历程与成效 445
12.1.3　应急一体化指挥 447
12.1.4　一体化生产指挥 450
12.1.5　井站无人值守 452
12.1.6　安全环保管控 453
12.1.7　基于大数据的产量预测 455
12.2　大漠上的智能油田—西北油田 456
12.2.1　基本情况 456
12.2.2　转型历程与成效 457
12.2.3　井站场无人值守 458
12.2.4　单井工况诊断 462
12.2.5　管线泄漏智能识别 463
12.2.6　能耗管理与优化 466
12.2.7　设备预知性维修 468
参考文献 470

13　油品销售企业数字化智能化转型案例 471
13.1　多元化创新型销售企业—浙江石油分公司 472
13.1.1　基本情况 472
13.1.2　转型历程与效果 473
13.1.3　经营管理精细化 474
13.1.4　风险防控信息化 477
13.1.5　创新业务数字化 479
13.1.6　安全管理移动化 482
13.1.7　储运设施智能化 484
13.2　站级一体化智能加油站—香港石油分公司 486
13.2.1　基本情况 486
13.2.2　发展历程 487
13.2.3　解决方案 489
13.2.4　应用效果 491
参考文献 492

索引 493