智慧工厂与人工智能在空分设备中的应用与展望

摘要：本文系统探讨了空分装置新技术的发展趋势，重点涵盖了智能化运维、智慧工厂建设、数字化三维建模与虚拟现实（VR）仿真培训等领域。通过这些前沿技术的综合应用，有望显著提升空分设备的运行效率、稳定性和安全性，为行业迈向绿色、智能和可持续发展奠定基础。

关键词：空分装置、智能运维、智慧空分、数字化工厂

1. 引言

空分装置在现代工业中具有重要地位，随着人工智能、大数据分析、智能化系统等技术的迅速发展，空分工厂的智慧化成为行业关注重点。空分设备的自动化和智能化水平提升显著，不仅提高了生产效率，还降低了故障率，增强了运行稳定性。这一变革的核心在于智能化技术的应用，为行业带来了新的商业模式和发展机遇。

智慧工厂与人工智能在工业气体行业中的应用提升了运营效率，降低了能源消耗，助力碳减排，进一步提高了设备可靠性并优化供应链管理。未来，空分装置技术将集中于绿色低排放和智慧工厂建设，目标是通过更高效的智能化手段，打造新质生产力，推动气体行业迈向高质量的可持续发展。

2.空分设备智能化运行

2.1 智能优化设备运行，节能降碳

空分装置的能耗占运营成本的65%至80%，降低能耗是提升空分装置运营效率的关键。空分装置智能运行优化系统，如先进过程控制系统（APC）能够将操作人员的经验、物料平衡、能量平衡和运行优化进行模型化处理，实现对空分装置的DCS/PLC自动控制。根据用户的用气需求自动优化产品分配，降低空分波动，实现卡边控制，从而降低能耗。

APC系统通过实时监测关键参数，预测过程变量趋势，提供精确控制策略，优化生产过程。APC的优势在于提升设备安全性、稳定性和效率，减少质量过剩，提高合格率，并增强操作可靠性。此外，APC通过优化控制方案使装置运行接近最优操作点，最大化产率并降低消耗，具备强大调节能力，确保变负荷过程平稳、高效。

比如A公司的空分装置智能优化系统，能够将空分装置操作人员的经验，装置的物料平衡、能量平衡、运行优化等进行模型化处理，实现对空分装置DCS/PLC自动操作，空分装置关键运行参数（氧纯度、氩馏分、污氮含氧量等）的波动幅度降低50%。智能优化系统通过稳定操作实现卡边控制，装置运行经济效益提高1%～3%以上；变负荷速率达到0.5%/min[1]。

2.2 远程监控与智能无人值守系统

通过物联网和大数据等技术，空分设备实现了远程监控、远程调试和智能诊断，提高了运行效率和安全性。这些技术使远程操控和无干预执行成为可能，降低了操作人员劳动强度，推动少人化甚至无人化工厂建设。

比如B公司通过将远程监控与无人值守深度结合，实现了某小型空分装置的全程自动控制。该系统不仅提高了生产效率，还降低了人工成本。小型设备可实现无人值守，由远程人员进行多设备同步管控，而大中型设备的现场值守人员减少了一半以上，大幅提升了人员效率。

2.3 多工厂集中协同运营的智能化模式

物联网技术使传感器能够实时将工厂机电系统参数通过DCS传输到云平台。在集中控制中心，工程师可以远程监测、分析数据、进行流程能效实时监测分析与评估，并提供最优运营决策；当空分参数出现异常时，及时通知工厂解决。通过智能控制技术打破传统大型空分运维模式，建立全新多空分工厂集中协同运营模式，实现跨区域气体工厂的多层级智能运行。

3. 智能运维和预测性维护系统

传统的工厂设备维护模式常基于固定时间间隔，忽视了设备的实际运行状态，导致资源浪费。相比之下，利用人工智能预测机器何时需要维护，从而最大限度地延长正常运行时间并提高设备的整体效率。预测性维护模式能够根据设备的实际情况进行优化，减少不必要的维护成本，提高运维效率。当前，预测性维护正成为提升设备运维效率的关键。

传感器实时地将机电系统的各种参数数据（如温度、压力、振动等）传输到云平台。结合AI大模型技术和在线评估分析系统，进行实时在线监测、预测性防护、AI故障诊断。可以将设备故障隐患消灭在萌芽阶段，大幅提升设备运行的可靠性和稳定性。

C公司的设备健康管理（PHM）系统结合云计算、大模型等AI技术，实现了故障预测、健康诊断和监测等功能。PHM通过信号处理和数据分析，进行数据接入、清洗、治理及模型学习，从而检测、预测和管理工业系统的健康状态。

D公司的IFMEA智慧运维平台实现了设备健康管理、故障诊断、预测性维护、能耗优化及远程问诊，目前已成功应用于大型空分装置压缩机。

E公司的“智能运维”服务将用户DCS数据实时传输至智能运营中心，通过数据分析提供最优运营决策；当空分参数异常时，智能客服平台及时提供分析和建议，确保长期稳定运行；当数据累积到一定周期后，按周期内提供给用户空分运行分析报告，保证空分长期稳定运行。

F公司的“智能运维系统”利用大数据分析、AI模型、机器人巡检等技术，实现运行状态的实时预测和优化，提升运行效率与安全性，降低运维成本。

4. 数字化三维建模设计与交付

数字化三维建模技术在空分工厂的设计和交付过程中得到了广泛应用。此外，数字化交付通过提供全面的数字化文档和模型，能够有效降低建设成本，提升整个工程的质量和效率。并为后期孪生工厂，VR技术等提供数据基础。为工厂后续技术升级提供了有力的数字化支持。

5. 基于虚拟现实技术的仿真培训系统

基于工厂数字化交付，虚拟现实（VR）技术为操作人员提供了一种直观而真实的培训体验，VR仿真培训为学员提供了风险较低且具有高度重复性的学习机会，尤其适用于空分设备中涉及高风险操作的场景。通过沉浸式仿真培训，操作人员可在虚拟环境中熟悉操作流程，预演火灾和事故应急等复杂情景，减少实际操作失误，提升生产安全性和效率。

6. 空分行业的工业大模型和知识库

空分企业可以建立专属的工业大模型和知识库，通过系统化地整合行业内的技术与经验，大模型和知识库可以为员工提供了精准的行业知识学习路径，帮助他们全面掌握关键知识点，提升专业技能水平。同时，工业大模型通过数据驱动的方式不断迭代和更新，使得知识库能够紧跟行业技术进步，为企业在快速变化的市场环境中保持竞争优势提供了持续的智力支持。

7. 助力企业供应链建设

供应链优化已成为企业提升竞争力的关键。AI技术结合大数据分析，可以预测市场需求和供应趋势，帮助企业优化采购计划和库存策略，降低库存成本，提高物流效率，减少缺货风险，最终提升供应链整体效率。

一些气体厂商已经利用AI技术进行订单处理和路线规划，通过智能算法，几分钟内就能完成所有订单的路线安排，综合最短距离、油耗、路径和车辆利用率等因素，实现运输效率的最大化。不仅如此，AI技术还能实时分析路况，为气体运输车辆提供最优路径规划，降低运输成本。在仓储管理与库存方面，AI技术还能够实时监控仓库中的工业气体库存情况，预测未来库存需求，避免库存积压或缺货，为仓库管理员提供优化建议，提高仓储效率。

8. 结语

智慧工厂与智能化技术的应用，必将推动空分设备行业的深刻转型，为整个行业带来了前所未有的发展机遇与技术突破。通过智慧工厂、预测性维护、智能巡检以及数字化三维建模等多种手段，空分设备的运行效率和安全性得到了显著提升。

未来，空分设备行业的发展将持续围绕绿色低碳和智能化的核心目标，特别是依托工业大模型、虚拟现实培训和AI驱动的供应链优化等新兴技术，推动全行业迈向更高水平的智能制造。空分设备的转型不仅涉及技术层面的革新，更涉及整个行业运营模式的重塑与商业模式的创新，目标是实现更高的能源效率、更低的碳排放以及更可靠的运营表现，为全球可持续发展作出重要贡献。

参考文献：

[1] 王婷婷，张巍，赵雄，刘金，冯航天，郑望，李峰，王航. 智能优化技术在空分装置上的应用[J]. 工业仪表与自动化装置， 2020，（4）： 70-73.