Una nuova rivoluzione che potrebbe cambiare radicalmente i processi industriali, inclusa la produzione, la progettazione, i materiali, le catene di approvvigionamento e la gestione del ciclo di vita, è stata avviata grazie alle opportunità e alle sfide nel settore petrolchimico e alla nascita di tecnologie dirompenti. La fabbrica intelligente, sviluppata di recente, è diventata una componente importante del settore petrolchimico e ha accolto una tecnica di produzione completamente nuova. La fabbrica intelligente è diversa dai tradizionali processi produttivi del settore petrolchimico e deve stabilire l'agenda di ricerca del futuro: la sua definizione, gli intenti, la struttura e la tecnologia. Va data priorità al modo di pensare e alla capacità di risoluzione dei problemi di un sistema.
Uno studio suggerisce un progetto di ciclo di vita e una roadmap operativa e tecnologica basata sulla comprensione delle forze trainanti per lo sviluppo delle fabbriche intelligenti. Il settore petrolchimico sta affrontando nuove difficoltà dovute a normative più severe in materia di tutela ambientale e conservazione dell'energia, alla forte domanda di riduzione dei costi dei prodotti, alla varietà delle fonti di materie prime, alle esigenze specializzate dei clienti, all'ottimizzazione di combinazione e catena di approvvigionamento e ad altri fattori. Internet of Things, cloud computing, robotica e tecnologie Big Data fanno tutti parte di una nuova ondata di progresso scientifico e tecnologico. Inoltre, le modalità di produzione del settore petrolchimico hanno subito cambiamenti rivoluzionari grazie all'integrazione dell'informatica (IT) nelle tecnologie operative e produttive.
Questo articolo analizza gli ultimi cambiamenti affrontati dalle fabbriche petrolchimiche intelligenti in termini di catena del valore, modalità di produzione e servizio, catena di gestione e controllo, nonché vincoli energetici. Il dibattito sulla definizione e sulla connotazione della fabbrica petrolchimica intelligente, a confronto con la ricerca tradizionale, propone un sistema tecnologico e una roadmap per la fabbrica petrolchimica intelligente e riassume le principali tecnologie hotspot su cui fare ricerca.
Effetti della fabbrica intelligente sul settore petrolchimico
Le comunità accademiche e di settore definiscono la "fabbrica intelligente" sotto vari aspetti. L'Industria 4.0 definisce la fabbrica intelligente soprattutto dal punto di vista della produzione intelligente incentrata sui sistemi ciberfisici (CPS), mentre la Smart Manufacturing Leadership Coalition (SMLC) si occupa della fabbrica intelligente principalmente dal punto di vista della conoscenza e della modellazione. La fabbrica intelligente è la scelta ideale dal punto di vista dell'integrazione tra industrializzazione e applicazioni IT, con particolare attenzione alla raffinazione del petrolio e alle aziende chimiche. Una fabbrica intelligente nel settore petrolchimico può essere definita sotto due aspetti:
1. Una fabbrica intelligente nel settore petrolchimico si concentra sull'intera catena di produzione industriale dei prodotti petrolchimici. Per raggiungere l'integrazione orizzontale, verticale e end-to-end delle fabbriche, combina l'IT di nuova generazione con le persone, le tecnologie operative dei processi e delle attrezzature e i processi di produzione petrolchimici esistenti. Inoltre, migliora il livello di funzionamento e di gestione della fabbrica in modo più graduale e dinamico e agevola l'innovazione nella produzione e nei modelli di business, ottimizzando le quattro capacità chiave di conoscenza generale della sede, previsione e avvisi tempestivi, ottimizzazione collaborativa e decisioni scientifiche.
2. Nel settore petrolchimico, una fabbrica intelligente crea un ambiente di produzione di nuova generazione caratterizzato da rilevamento onnipresente e servizi intelligenti che collegano sensori disposti ovunque, hardware intelligente, sistemi di controllo, strutture informatiche e terminali in una rete intelligente tramite CPS. Questo per comprendere quanto le aziende, le persone, le cose e i servizi siano connessi tra loro e allo scopo di produrre, integrare e utilizzare il maggior numero possibile di risorse informatiche, conoscenze e competenze.
In breve, una fabbrica intelligente nel settore petrolchimico è una struttura nuovissima e all'avanguardia che si concentra sul raggiungimento dell'eccellenza operativa per la fabbrica e, al contempo, rispetta l'ambiente ed è altamente efficiente, sicura e sostenibile.
Opportunità e sfide nelle industrie petrolchimiche
Agilità operativa
L'agilità operativa, ovvero la capacità di adattarsi rapidamente a condizioni mutevoli dovute a cambiamenti nelle materie prime, nella domanda di mercato e nei prezzi, è una delle caratteristiche essenziali della produzione intelligente. Tali ostacoli avranno senza dubbio un impatto significativo sulle prestazioni dell'impianto. È quindi fondamentale cambiare i metodi operativi, ad esempio ricostruendo lo schema di processo e le variazioni della temperatura, della portata e della pressione. Il primo problema è come i sistemi di controllo di livello più basso possano arrivare rapidamente ai set point corretti.
Pur essendo improbabile che le informazioni esistenti coprano tutti i casi possibili, le conoscenze euristiche e l'esperienza operativa degli specialisti sono le migliori opzioni dal punto di vista industriale. La seconda difficoltà è rappresentata dall'accuratezza del metodo basato sulla conoscenza. Da un punto di vista accademico, l'ottimizzazione in tempo reale basata su modelli è la strategia principale. Il primo problema è dove trovare modelli principali affidabili per le unità di trasformazione chimica, in particolare per i reattori più complessi; il secondo è come risolvere efficacemente il modello di ottimizzazione in tempo reale; il terzo è se il settore accetterà i risultati dell'ottimizzazione.
Creazione di modelli regolabili basati sui dati
Nella sottosezione precedente abbiamo visto le difficoltà legate alla risoluzione di un modello di ottimizzazione soggetto a un modello principale impegnativo. Un'opzione possibile è utilizzare un modello surrogato basato sui dati in luogo del modello principale. Per creare modelli surrogati per il rilevamento dei difetti, il controllo dei processi e l'ottimizzazione, sono state utilizzate numerose tecniche statistiche, tra cui reti neurali, macchine a vettori di supporto e programmazione matematica. Quando si crea un modello surrogato, è importante considerare l'uso e l'implementazione previsti, ad esempio se verrà utilizzato per l'ottimizzazione dello schema di processo o per la previsione delle tendenze.
L'adozione di un modello surrogato basato su reti neurali per l'ottimizzazione dello schema di processo può comportare notevoli difficoltà a livello computazionale e l'impossibilità di produrre risultati di alta precisione. La duttilità esterna è fondamentale, indipendentemente dalla tecnica utilizzata per creare il modello surrogato. La prima domanda, in questo caso, è quanti set di dati sono necessari per creare un modello surrogato di alta precisione; la seconda domanda è come creare un modello regolabile basato sui dati. Per convalidare l'accuratezza occorre utilizzare set di dati industriali.
Pianificazione e programmazione per un'intera raffineria di petrolio o impianto petrolchimico
La modellazione matematica e l'ottimizzazione globale offrono prospettive interessanti in termini di riduzione dei costi, espansione dei margini di profitto, efficienza energetica e soddisfazione della domanda nella pianificazione e nella programmazione di varie operazioni in una raffineria di petrolio o in un impianto petrolchimico. Solo di recente è diventato possibile pianificare e programmare un'intera raffineria di petrolio o un impianto petrolchimico, una componente fondamentale della produzione intelligente. La miscelazione e la lavorazione del greggio, le attività delle unità di trasformazione e la miscelazione e distribuzione dei prodotti costituiscono la maggior parte delle operazioni.
Conclusioni
La visione tecnologica e il progetto di una "fabbrica intelligente" nel settore petrolchimico si basano sull'informatica applicata agli impianti petrolchimici ed estendono la simulazione tradizionale dell'ingegneria chimica. Questo permette di controllare e gestire una fabbrica reale mediante il funzionamento simultaneo e la collaborazione tra fabbrica reale e fabbrica virtuale. Nel framework tecnologico di una fabbrica intelligente nel settore petrolchimico, è fondamentale avere una comprensione olistica dell'ambiente fisico per poter creare la fabbrica intelligente. Inoltre, le applicazioni aziendali intelligenti con capacità decisionale e di ottimizzazione devono poter favorire la cooperazione intersettoriale e l'ottimizzazione della produzione petrolchimica globale.
In più, si dà maggiore enfasi al fattore umano per creare la prossima generazione di centri di produzione e operativi incentrati sulle persone. In questo modo, le persone possono accedere alle informazioni e alle risorse richieste quando e dove necessario, per innovare il modello di business. Infine, per lo sviluppo prioritario è necessario studiare soprattutto le tecnologie critiche, tenendo conto dei modelli di sviluppo industriale. Per poter sviluppare una fabbrica intelligente di successo, è necessario basarsi sulle esigenze applicative e le relative tecnologie, dal momento che la ricerca in materia è ancora nelle fasi iniziali e lo studio teorico è iniziato solo di recente.
