智能制造背景下化工行业智慧互联的发展模式

刘忠春(江西永通科技股份有限公司，江西 赣州 342800)

0 引言

在现代科技发展的浪潮中，新一代信息技术与工业过程深度融合，提高了工业过程的协同、优化与控制能力，形成了以智能制造为核心的未来制造业发展新模式。2015年国务院印发《中国制造2025》行动纲要标志着我国智能制造强国战略的正式开启，近年来，国家又相继提出了“工业互联网+”等重大发展战略，加速了我国产业变革步伐。化工行业属于流程制造业，是信息技术运用最重要的领域之一，而且随着我国“碳达峰、碳中和”远景目标的提出，作为传统高耗能行业的化工企业也将面临日益严格的环保压力，智能制造与绿色制造将成为发展必然。不同于传统的离散型制造行业，化工行业需要在分子、过程、园区及产业链上互联协同，进而形成了化工行业特殊的智慧互联发展模式，助力化工行业实现智能制造与绿色发展。

1 化工行业发展中的挑战

1.1 面向全产业链的集成

化工行业不仅是支撑我国经济发展的重要原材料行业，还是资源密集型的高耗能、高污染行业，与能源、材料、环境等领域高度融合，产生了跨企业的全产业链集成需求。在全产业链集成模式中，化工企业的竞争优势不仅体现在生产效率与规模上，其对上、中、下游产品的垂直整合能力也必须具有优势。因此，化工行业不仅需要研究和发展其生产上的内在规律，还需要研究和认识全产业链的时空结构及其传递与连通机理，这也是未来化工行业工程研究的重点。现在的化工行业正处于以智能化为代表的发展新阶段，创新升级正成为化工行业发展新导向，而这种创新无疑需要进行跨领域合作，并以客户需求为导向，深入推进全产业的集成。

1.2 更严格的健康与安全标准

不同于其他行业生产活动，化工行业生产过程中需要高温、高压等严苛生产工艺，以及化工原材料具有的挥发性、易燃易爆性、易致毒等特征，使得化工行业在生产过程中存在着较大的安全风险。为此，国家针对化工行业提出了更为严格的健康与安全标准，并通过法律的严格约束，促进化工企业在技术层面对工艺与设备进行升级改造。在智能制造背景下，化工行业还需要利用工业大数据和高性能计算技术以实现安全信息在化工全生命周期内的传递与共享，如在化学品生产阶段，利用深度学习技术对化学品生产过程中可能安全风险进行预测，帮助员工使用更加安全稳定操作方案。但是，安全不仅是技术上的升级改造，还需要制定出一套科学的安全管理模式，并定期组织员工进行安全知识学习与设备规范化操作培训。此外，健康与安全还是一项能够给企业带来丰厚回报的战略投资，这也必将开拓化工行业新的价值领域与产业布局。

1.3 绿色循环低碳的发展导向

通过碳减排应对气候变化已经成为全球共识，在新发展阶段，国家提出的“碳达峰、碳中和”目标将成为化工行业绿色、低碳、循环发展的内生动力。化工行业作为传统的高碳排放行业，其行业的高速发展也一直饱受以污染生态环境为代价的质疑，现实中，化工行业不仅存在着能源消耗碳排放，同时也存在着工业过程碳排放，如：合成气变换制氢、金属冶炼、玻璃水泥生产过程中的二氧化碳逸散等。在碳中和的大背景下，绿色、循环、低碳的将成为化工行业未来转型升级的主要方向，化工行业要实现绿色、循环、低碳发展，技术创新是关键，既要充分利用综合能源服务提高能源利用效率，如：安装冷-热-电联产装置、利用太阳能和风能发电等，还要大力发展二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)技术，实现化学过程碳减排和提质增效。在碳中和政策的影响下，化工行业应摒弃传统的高碳发展模式，以绿色、循环、低碳为新的发展目标，进一步推进行业的可持续发展。

2 智能制造背景下的智慧互联化工

由于化工行业具有生产过程性的特点，在生产过程中需要对原料、反应过程、工厂、化工园区及产业链等进行多尺度地协同耦合，以期实现物质、能量、信息、资金等在跨尺度领域的科学分配。因此，化工行业的智能制造与传统制造业相比存在特殊性，不仅要利用新一代信息技术实现生产过程智能化，还要强调全生产过程及产业链的协同与业务流的优化整合。化工行业智能制造是以市场需求与可持续发展为导向，以开放协同和智能化为特色，绿色循环低碳的化工行业新型制造模式，旨在推进化工行业实现转型升级、提质增效、协同与绿色发展。在具有化工行业特色的智能制造背景下，智慧与互联将始终贯穿于化工行业未来发展过程中，我们将化工行业智能制造新模式称之为智慧互联化工[1]。

智慧互联化工首先是互联的，通过将化工过程分为过程尺度、园区尺度与产业链尺度等，以实现化工行业面向多尺度互联的供应链网整合。比如在过程尺度，针对产品需求的越来越细化，化工企业要表现出柔性化能力，及时调整生产组织与加工工艺，以适应日益细化的市场需求。其次，智慧互联化工是绿色的，化工企业不仅可以通过自身技术升级与工艺优化来减少污染物排放，还可以在园区尺度，通过构造化工园区循环产业链，进行合理的循环经济布局，增强园区内化工企业关联度，实现企业间的耦合共生与末端封闭，在提升效益的同时降低污染。而且，化工园区内还可以增加热电联产与太阳能、风能发电装置，提高能源利用效率，进一步从能源处降低碳排放。最后，智能化是智慧互联化工重要的技术特征，物联网、大数据、人工智能和新一代通讯技术正在促进化工生产制造过程的升级改造，而同样以此为基础的智慧化工园区试点建设则是未来化工园区发展的主要方向。无疑，以大数据+算法+新一代通讯技术为关键要素的技术特征是实现智慧互联化工的必要条件[2]。

3 智慧互联化工的典型发展模式

3.1 面向供应链协同的柔性生产模式

不同于传统的规模化生产方式，智慧互联化工需要在兼顾规模化的同时对客户个性化需求有着更强的敏捷性和柔性。这就要求生产系统能够根据客户需求的变化而迅速调整，以解决小批量、多品种生产模式中的效率问题。当前，建设化工园区以推进化工企业退市入园成为化工行业重要的发展模式，在园区尺度上构建完备健全的供应链网络可以提升企业间的协同制造能力，通过企业间信息共享，快速响应客户需求，提高产品柔性并缩短生产周期，更好地弥补单个化工企业柔性化水平不高的问题。中国化工新材料(嘉兴)园区就是供应链协同柔性生产模式的典范，该园区以热电联产为核心和源头，构建起能源-产品-废弃物-再生资源利用的循环产业链，以园区为载体实现供应链网的协同制造与化工企业的柔性生产[3]。

3.2 绿色化的工业工程与制造模式

在新发展阶段，国家提出的环境保护与“碳达峰、碳中和”目标将成为化工行业绿色、低碳、可持续发展的内生动力。为此，化工行业必须以绿色可持续发展为目标，积极响应国家环保政策号召，推行节能举措，在工业工程与制造模式领域进行创新，并将循环经济引入到现代化工行业发展中。基于循环经济的化工生产过程属于绿色化学范畴，以化工园区为载体，通过集成多化学反应过程，使一个反应排除的废弃物尽可能作为另一个反应的原料，以实现反应过程“零排放”，降低废弃物对环境的污染。另外，低碳化工将是未来化工行业发展的重中之重，通过对化工园区实施园区型综合能源系统改造，优化冷/热/电负荷需求结构，进一步降低能耗，并将CCUS等深度脱碳技术应用到化工生产过程中，减少化工过程碳排放。

3.3 智能化设备管理模式

化工行业属于设备密集型行业，设备智能化是智慧互联化工的基础。智慧互联化工不仅需要实现生产设备的智能化升级改造，还需要构建基于工业互联网的智能化设备管理模型与智能化设备指标评价体系。智能化设备管理模式是应用于化工全生命周期内的主要过程技术，即从产品研发阶段开始到产品生产运行与更进一步的工艺改进，都可以利用智能化设备管理模式，以提升产品研发效率与生产过程中的本质安全。而且，利用智能化设备管理模型对设备的运营管理需求进行系统梳理，还可以对设备运行状态进行实时监控，并运用大数据分析技术对设备信息进行分析预警，以智能化设备指标评价体系为参考，分析异常警示与故障之间的关联性，设计预防性的维护计划，找出设备的最佳维护周期，防止重大安全事故发生，避免非计划停产损失。

4 结语

综上所述，在新一轮科技革命的大背景下，智能制造与绿色制造将成为化工行业发展的必然选择。通过分析现如今化工行业发展中的挑战，提出了以面向供应链协同的柔性生产、绿色化的工业工程与制造与智能化设备管理为代表的智慧互联化工发展模式，以期推进化工行业实现智能制造与绿色发展。