物联网在石化行业的应用分析

物联网在石化行业的应用分析摘要：物联网的研究与应用已经覆盖安全、环境、医疗、物流、能源、交通等多个领域。文章将结合石化行业产品特性,分析了物联网技术在石化行业中的应用。介绍了物联网在石化行业的发展状况，应用及前景。分析了在炼化行业的应用范围并提出意见。关键词：物联网石油化工应用分析1.背景介绍近几年,物联网技术作为新一代信息技术的重要组成部分,受到了相关领域专家学者的广泛关注。我国政府也高度重视这项技术,并在2015年与新能源、新材料、节能环保、生物医药等一起被确认为国家大力发展的战略性新兴产业,我国提出的基于物联网技术的“感知中国”计划也进入了战略实施阶段。在炼化企业中，物联网系统的主要作用是通过在企业的现场安装数据自动采集、监控、射频等感知设备，实时采集设备、装置、罐区、物流、人员等各项现场数据和信息，提升炼化企业数据自动采集率和完整率，并搭建统一的物联数据平台，与上层如ERP和MES等业务系统协同、实现生产运行可视化、安全预警自动化和管理决策系统化。2.国内炼化行业物联网的应用现状物联网建设关键在于数据采集，石油炼化企业数采能力参差不齐，主要体现在很多场合的数据通过人工测量手动输入，传感器、仪器仪表等设备覆盖率低，使用时间长，工作状态不佳；数据采集设施很多是独立运行，所采集的数据直接人工查看处理，或者由人工录入信息系统，并未实现与现有信息系统互联互通。针对以上状况，国内有些企业已经开展自动化接口升级更新工作，将主要DCS接口数据接入炼化生产管理系统，并对计量仪表改造换代，努力实现生产、统计和财务核算数据的统一。在人员管理方面，相当多的国内炼化企业人员定位仍通过去向留言板制度和语音对讲机，无法准确获知人员的去向，容易出现人员在装置区违规穿行、进入禁止区等影响安全的情况。而当现场出现紧急状况时，又难以有效撤离和救助装置内部人员。企业在加强生产现场区域内人员位置和行踪管理、保障现场人员安全方面有较为迫切的需求。炼化企业的巡检很多采用现场翻牌、纸质手工记录、离线输入巡检结果等传统巡检方式，这些巡检方法主要依靠巡检人员的责任心和经验，效率低，不利监管。在设备管理方面，很多炼化企业主要以事后应对的方式处理，即设备问题或故障已经出现之后，才进行维修或更换。各企业已经意识到预知维修或维护对较少停产、提高设备寿命的重要性，并通过设备生命周期信息维护、设备状态在线监测等系统的建设，努力提升设备管理的效果。在化工品管理方面，炼化企业化工产品品种比较多，基本可划分为固体和液体两类。液体化工品基本以储罐方式存储，管理较为方便，而固体化工品由于包装分散、数量大，目前各企业的管理水平仍基本停留在人工清点盘库、手动计数等阶段，缺少物流先进技术和信息系统的支撑。中国石化积极推进供应链与物流系统建设。初步搭建了供应链与物流管理基础平台；完成了一体化现代物流系统整体设计，启动了华南区域成品油物流试点工作；完成了润滑油物流管理系统建设，实现物流业务网上竞标、产品流向跟踪等创新应用上线运行，促进运输业务成本降低2.47%。中国石化推进了炼化企业智能工厂建设。完成了智能工厂2.0版方案设计，成功研发出智能制造工业云平台-“石化智云（ProMACE）”，开创了“平台+服务”的工业互联网应用新模式；4家智能工厂试点持续加强深化应用，促进了生产优化、效益提升。其中，镇海炼化应用仪表健康管理系统，监控1.8万个重要控制点，及时发现设备仪表故障，提前预知运行风险，保障了装置长周期安稳优运行；茂名石化入选2017年国家智能制造试点示范项目，通过日效益日优化应用，提升装置负荷率。中国石化正在筹划建设供应链与物流平台。建立总部生产经营一体化优化模型,实现原油、化工轻油、成品油等资源全局优化；完成华南区域成品油、华东区域原油及成品油的一体化物流资源管理系统试点建设，实现物流数据跨板块共享和物流设施统筹利用；完成原油、化工销售等专业物流应用建设，提升物流管理的一体化、标准化、智能化水平；开展危化品运输安全管理系统试点建设，实现运输信息可追溯，提高运输过程安全监管水平。3.物联网技术研究与分析

3.1网络技术

物联网是在互联网的基础上衍生的,主要解决物品信息的处理和传送。它由通信技术、组网技术、中间件技术和网关技术等几个方面组成。感知网络的无线通信部分集成于传统的通信网络,会遇到无线通信信道所存在的多经、无线通信的信道带宽和发射功率限制等传统问题,同时也会遇到传感器传输能力与通信范围有限、网络的拓扑结构变化频繁,功耗节能、无线干扰等多个问题。因此在通信技术选择上,信息传输特性和实现的复杂度是要着重考虑的两个因素。物联网的网络架构是由互联网、移动通信网、多种网络基础设施形成的高度混杂的异构体系,组网技术需要运用拓扑控制、信道资源调度、多跳路由、可靠传输控制以及异构网络融合等技术支撑,以在传感器节点的能量和网络带宽等资源普遍受限的条件下保证通信信道的高可用性。中间件技术可以通过屏蔽硬件平台、操作系统平台和通信协议的异构性,实现物联网感知互动层、网络传输层和应用服务层等部分的连接。网关技术指实现异种异构网络与网络传输层的无缝连接,并实现多种设备异构网络接入,它需要实现对感知设备移动性支持、服务发现、感知互动层与网络传输层的报文转换、Ipsec与感知互动层安全协议转换、远程维护管理、IPv6/IPv4自适应封装技术等功能

3.2.应用服务技术

应用服务技术是推动物联网不断发展的驱动力,它强调如何更好加工、处理和利用信息,如何更高效的提供应用服务,需要海量信息多粒度分布式储存、海量数据挖掘与知识发现、海量数据并行处理、云计算等多种技术的支撑。

海量信息多粒度分布式存储是指通过传统或新兴信息存储技术、分布式数据库技术对物联网的数据进行存储,以便为以后的服务提供更好的原始数据。海量数据挖掘与知识发现是指在应用系统利用应用现场部署的各种终端传感设备获取的大量、不完全、有噪声、模糊的、随机的数据中提取潜在的而又有用的信息和知识,并通过数据处理引擎对这些数据进行挖掘、建模,从而得到物联网应用系统所需要的逻辑操作和知识。海量数据并行处理是指同时利用多种计算资源解决计算问题的过程,在目前云计算技术成熟的条件下,并行计算能够给物联网的海量信息提供更高效的数据处理能力。同时,云计算虚拟化技术的应用,能更加有效的利用各种计算能力,为各类物联网应用提供支撑。4.物联网在石化的应用和特点4.1生产数据采集生产数据包括温度、压力、流量、液位、能耗及重点排污口等生产过程数据，还包括动设备振动、位移等运行状态数据。生产数据采集通过现场的传感器等感知设备实现。国内石化企业需要重点提高生产数据采集水平，特别是数据自动采集率较低的罐区和各装置之间的公用工程设施，配备在线状态监测设备，实现对机组级泵的数据采集和在线监测，为巡检人员配备智能巡检终端，实现巡检业务操作和数据录入以及设备的属性、状态等数据采集，对企业已有视频监控点进行数字化转换、整合和集成，并采集罐区气体泄漏、火灾等智能分析数据；采集周界入侵信号，实现实时监控周界安全状况。4.2人员定位数据采集可以应用于炼化企业人员定位的方案主要有卫星定位、工业无线网定位和RFID定位技术三种。卫星定位方案是以导航卫星定位技术为主，结合运营商2G/3G网络辅助定位，定位精度约20米。进入生产区的人员佩带内置卫星定位模块的定位终端，搜索导航卫星数据，计算得到定位结果，通过3G网络传输至定位管理平台，定位平台即可追踪每个佩带标签的工作人员的位置。卫星定位方案优点是不需要布置定位设备和网络，部署简单方便。缺点是定位精度受限，且只适用于无遮盖物的室外环境。射频识别通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，根据接收信号强度定位的RSSI技术目前应用较为成熟，基本原理是射频信号的衰减量与距离的平方成反比，己知发射信号的功率，通过检测接收信号的功率强度，即可得到信号传输的距离。RFID定位多应用于小范围区域，特别是室内定位领域。另外使用无线传输网络定位的原理与之相似，通过在装置内部部署无线AP实现人员定位，拓扑结构灵活、覆盖面较广。定位时，由车间（装置）管理人员对需要进入生产区的非巡检人员进行信息统计和录入，配发定位终端并关联人员信息；而巡检人员则通过专有的定位终端或者通过巡检终端登录系统关联个人信息。4.3空间数据模型空间数据模型包括炼化企业厂区的地形地貌、装置及设备等空间信息。可以借助目前成熟的数字化工厂3D测绘建模技术，得到静态空间数据。数字化工厂3D模型误差为2~5mm，是实体物理装置的一种真实“镜像”，也可以切换到实体的物理图像，进行空间结构与空间关系的精准测量。对于一些较老的炼化企业，可以采用较为经济的2维平面模型。4.4重要化工品仓储数据采集炼化企业固体化工产品基本以袋装或托盘的方式进行仓储和出入库管理，宜采用已广泛应用于物流环节的成熟RFID技术。RFID无源标签标识产品批次、下线时间等信息，通过手持RFID读写设备自动识别和跟踪托盘在库房内摆放的区域和位置、进行库存盘点和出入库操作。4.5传输层建设传输层建设重点在企业无线网络。采集层的定位、巡检和现场作业等数据的数据量大，移动性强；泵群、无线仪表的感知数据较为专业化，频次高，数据量小，建议分别建立满足这两种需求的企业无线网络。无线传输网络技术包括3G技术（3G-WCDMA、3G-CDMA2000、TD-SCDMA）、4G技术（4G-LTE）以及工业无线网技术，正在快速发展并应用到国内外各行业实际管理工作中。运营商VPDN3G是运营商针对企业用户推出的移动专用网，基于3G无线接入方式，利用L2TP加密隧道传输协议，在现有的拨号网络上构建一条虚拟的、不受外界干扰的专用通道，从而实现VPN方式访问连接企业内部网资源。Wi-Fi技术基于IEEE802.11协议，信号传输半径在无遮挡情况下一般可达数十米。Wi-Fi的特点是信号覆盖较广、高速率传输、通讯协议统一，支持产品多，易扩展升级，但防冲突能力较弱，容易受外部强信号干扰。防爆基站出现后，许多工业环境下也使用Wi-Fi技术作为无线传输网络。无线传感网（WSN）是由大量静止或移动的传感器构成的无线网络，协同工作，感知、采集、处理和传输信息。以Zigbee和WirelessHART应用较为广泛。基于2.4GHz工作频率的Zigbee设备传输速率250kpbs，功耗低，部署成本较WIFI低廉，较为成熟。WirelessHART工作频率和传输速率与Zigbee类似，出现时间较晚，抗干扰能力较强，得到艾默生和霍尼韦尔等国际大公司支持，价格相对较高。4.6应用层架构软件技术架构应至少包括基础软件、支持软件和应用软件三部分。基础软件提供基于硬件之上的基本运行环境，包括操作系统、集群管理、数据库和文件管理软件；支持软件作为基础软件和应用软件的中间协调和处理部分；应用软件直接提供面向用户的业务服务，实现定位与巡检、状态监测、数字化工厂等功能，并提供网络、标签等主要设备的监控和管理功能，如数字化平台集成应用软件、视频监控集成应用软件、巡检管理软件、人员定位软件、生产监测分析软件和开发平台软件等。4.7构建智能化工厂石化行业可以以智能化工厂为核心建设智能园区，实现物流智能化、环保智能化和安全保卫智能化等。通过构建交通运输模块的物联网，可以对油库存储、提货调度、跟踪运输和产品信息反馈等环节实现智能化管理，实现高效的工作管理。随着物联网技术逐渐发展成熟，将出现一个标准成熟的业界体系，使石化行业在市场中更具活力和生命力。服务完善以及应用简便的互联网技术系统，实现石化产业在物联网技术支持下高效简便的生产模式。4.8感知工业节能、促进节能减排石化行业是高耗能高污染的行业之一，能源消耗占我国年消耗总量的一大部分，废物排放也在各行业中十分靠前。促进节能减排，实现高效智能的管理模式成为了一个急需解决的重要问题。现如今促进节能减排最有效的办法就是先进的控制和优化技术，物联网技术的出现正好填补了这个空缺。物联网以基于IPv6的云计算及虚拟化为例，将原先多台服务器的业务进行集中整合，这样可以有效节省电力和空间消耗，实现设备的高效利用。以感知工业节能为例，利用大规模传感器网络物联网技术进行实时监控，对于高耗能实现实时监测、实时分析和智能测试，以此来实现优化控制。建立集约化整体控制节能计划，从而实现整体的低碳运转和节能减排，建立一个高能效以及绿色环保的生产工作进程。5.物联网在石化企业的实际应用5.1辽阳石化物联网的应用2018年1月10日，历时五个半月的建设，辽阳石化公司炼化物联网系统正式上线运行，为实现自动化、数字化、可视化、模型化、集成化的智能炼化企业打下坚实的基础。辽阳石化物联网项目建设通过应用云化基础架构、移动设备、GIS服务三种主要技术支撑，分别使用卫星定位智能终端与射频识别两种关键技术为公司搭建一套物联网架构，一套内部专用4G无线网络，实现炼厂复杂金属环境下属地车间人员和维保、外部访客等人员的安全管理。该项目实施范围主要包括3G/4G虚拟专网及生产区人员安全管理系统，覆盖辽阳石化10个分厂66个车间。该项目的成功上线使管理人员不仅可以准确掌握人员的实时位置、行进轨迹、电子围栏的进出记录等信息，还能接收到员工因失去意识发生的静止报警及紧急情况下员工的求援报警，强化了危险区域人员安全管理的主动性与及时性，对公司人员安全管控具有重大意义。辽阳石化炼化物联网系统项目在建设中有效控制了成本，投资增效比达94.8%。在差分基站建设过程中通过备选地址勘察，选取最优地点保证了卫星信号的强度，并选取379个采样点位进行信号测试，保证了网络补盲方案的全面性及合理性，实现了辽阳石化4G网络全覆盖。5.2兰州石化物联网的应用​2017年1月1日，兰州石化炼化物联网项目投入应用。这个项目正常运行后,厂里的生产管理将升级为协同管理,大大降低一线人员的工作量,尤其是减轻员工巡检强度，显著提高管理效率。

兰州石化自动化研究院作为项目的建设单位，注重进一步提高生产操作数据的自动采集率，规范现场操作，加强生产安全和人员安全；并通过物联网技术的应用，实时获取设备、装置、罐区、仓储、能耗、人员和车辆等各项现场数据信息，实现物与物、物与人、人与人的有效互联互动，为企业精细管理、智能管理提供技术支撑。在6个月的现场施工中，技术人员在生产区搭建了VPDN4G无线网络，在12个生产分厂的78个车间部署了定位设备该系统,旨在加强危险区域人员安全管理的主动性与及时性，保障企业员工的人身安全，提升应急及疏散管理手段和管理效率。兰州石化应用了物联网应用在乙烯车间，物联网能够大大提升对乙烯产品生产各个