巴斯夫（中國）有限公司　肖建榮

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石化行業(yè)：卓越運(yùn)營對(duì)自動(dòng)化技術(shù)提出新要求

巴斯夫（中國）有限公司肖建榮

1　引言

眾所周知，由于石化行業(yè)工藝控制、安全控制及企業(yè)管理要求，石化行業(yè)的自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用是最廣泛的，整個(gè)行業(yè)自動(dòng)化水平是最先進(jìn)的，當(dāng)然行業(yè)自動(dòng)化控制也是最復(fù)雜的，并且石化行業(yè)自動(dòng)化管理也是最先進(jìn)的。

隨著工業(yè)化與信息化的深度融合，石化行業(yè)已率先進(jìn)入工業(yè)信息化時(shí)代，也稱智能化時(shí)代。在信息化時(shí)代的背景下，為了適應(yīng)市場變化，提高行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，確保生產(chǎn)安全可靠運(yùn)行，同時(shí)做好環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展，石化行業(yè)開始采用卓越運(yùn)營管理，從而對(duì)自動(dòng)化技術(shù)提出了新的要求。

2　石化行業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)狀

目前，石化行業(yè)面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，如產(chǎn)能過剩，市場疲軟、效益下滑、投資萎縮、生產(chǎn)安全、環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排等。因此，石化行業(yè)需要適應(yīng)市場變化，積極創(chuàng)新，走出行業(yè)低迷，加入國際先進(jìn)石化工廠的發(fā)展行列。

石化行業(yè)的自動(dòng)化歷經(jīng)幾十年的不斷發(fā)展，其現(xiàn)狀可以概括如下：

（1）采用數(shù)字化儀表，建立數(shù)字信號(hào)傳輸與控制；

（2）采用中央控制，建立工廠生產(chǎn)管理與控制中心；

（3）采用生產(chǎn)運(yùn)營系統(tǒng)（MES）、工廠信息管理系統(tǒng)（PIMS）、分散型控制系統(tǒng)（DCS）、安全儀表系統(tǒng)（SIS）等，建立生產(chǎn)自動(dòng)化和管控一體化；

（4）采用工廠信息管理系統(tǒng)（PIMS）、生產(chǎn)運(yùn)營系統(tǒng)（MES），建立數(shù)字化和信息化生產(chǎn)運(yùn)營。

3　石化行業(yè)卓越運(yùn)營對(duì)自動(dòng)化技術(shù)提出新要求

面對(duì)市場競爭壓力，企業(yè)要提高效益，節(jié)省成本，達(dá)成目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，石化行業(yè)開始采用卓越運(yùn)營模式。自動(dòng)化技術(shù)在現(xiàn)代石化行業(yè)卓越運(yùn)營中發(fā)揮關(guān)鍵作用；同時(shí)，石化行業(yè)卓越運(yùn)營對(duì)自動(dòng)化技術(shù)提出許多新的要求，主要表現(xiàn)在信息管理要求更多、控制優(yōu)化要求更高、可靠性要求更強(qiáng)和功能安全要求更深等。

3.1信息管理要求更多

石化行業(yè)卓越運(yùn)營需要一流的信息管理，功能強(qiáng)大的工廠信息管理系統(tǒng)（PIMS）是石化行業(yè)信息化經(jīng)營管理的基礎(chǔ)。

工廠信息管理系統(tǒng)（PIMS）是工業(yè)控制系統(tǒng)與信息技術(shù)系統(tǒng)相結(jié)合的系統(tǒng)，是新型的工業(yè)信息系統(tǒng)工程提供的完整解決方案。它能有效集成全廠生產(chǎn)信息，形成安全可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，填補(bǔ)企業(yè)經(jīng)營管理系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)之間的信息鴻溝，并實(shí)現(xiàn)了企業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)流程查看、實(shí)時(shí)趨勢瀏覽、報(bào)警記錄與查看、開關(guān)量變位記錄與查看、報(bào)表數(shù)據(jù)存貯、歷史趨勢存貯與查看、生產(chǎn)過程報(bào)表生成、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表生成等功能，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)過程控制系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)集成、綜合管理，使管理層能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地了解生產(chǎn)情況，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的問題，并為先進(jìn)控制軟件提供應(yīng)用平臺(tái)。它使得辦公室和生產(chǎn)現(xiàn)場的信息溝通變得方便快捷，是企業(yè)信息化建設(shè)中不可缺少的組成部分。

經(jīng)過多年的開發(fā)應(yīng)用，工廠信息管理系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)中。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效生產(chǎn)，同時(shí)加強(qiáng)公司內(nèi)部管理，許多企業(yè)從建廠初期就十分注重信息化建設(shè)，準(zhǔn)備組織實(shí)施多套計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件系統(tǒng)，包括生產(chǎn)信息管理、辦公自動(dòng)化（OA）、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）等。在生產(chǎn)信息管理應(yīng)用上要求實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與發(fā)布、能源計(jì)量管理、設(shè)備管理、庫存管理等功能，從而達(dá)到生產(chǎn)信息的綜合處理，構(gòu)成公司的綜合生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)。

目前市面上出現(xiàn)的工廠信息管理系統(tǒng)產(chǎn)品較多，有國外產(chǎn)品，也有國內(nèi)產(chǎn)品。國外的主要產(chǎn)品有：OSI公司的PI，Aspen公司的InfoPlus，Honeywell公司的PHD,Instep公司的eDNA等；國內(nèi)主要的產(chǎn)品有：力控科技的pSpace，中科院軟件所的安捷Agilor，浙大中控的ESP-iSYS，紫金橋的RealDB等。

工廠信息管理系統(tǒng)（PIMS）針對(duì)各生產(chǎn)裝置和主要職能部門的不同應(yīng)用需求及業(yè)務(wù)流程，分為實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息集成系統(tǒng)和生產(chǎn)管理應(yīng)用系統(tǒng)兩大部分。

（1）實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息集成系統(tǒng)

工廠信息管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息集成系統(tǒng)基于工廠信息管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。PIMS系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：數(shù)據(jù)采集功能；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、流程圖畫面瀏覽；實(shí)時(shí)趨勢、歷史趨勢的查詢分析；WEB功能；生產(chǎn)報(bào)表功能；歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；二次計(jì)算功能。

（2）生產(chǎn)管理應(yīng)用系統(tǒng)

生產(chǎn)管理應(yīng)用功能是生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)的重要組成部分。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成統(tǒng)一，先將PIMS中WEB發(fā)布的實(shí)時(shí)信息流程引入到生產(chǎn)管理報(bào)表系統(tǒng)中；然后根據(jù)廠內(nèi)各個(gè)主要生產(chǎn)職能部門的工作業(yè)務(wù)情況對(duì)每個(gè)生產(chǎn)職能部門開發(fā)相應(yīng)的管理模塊。同時(shí)，為了便于整個(gè)報(bào)表系統(tǒng)的管理，還針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)和各模塊的一些重要信息開發(fā)后臺(tái)管理模塊，主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：生產(chǎn)管理；能源管理；設(shè)備管理；庫存管理和質(zhì)量分析（基于LIMS數(shù)據(jù)信息）。

通過上述分析可知，石化行業(yè)運(yùn)營管理對(duì)工廠信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的需求會(huì)不斷增多。只有通過這些數(shù)據(jù)信息的創(chuàng)新應(yīng)用，建立企業(yè)決策、生產(chǎn)管理的信息化，才能提高運(yùn)作效率，實(shí)現(xiàn)行業(yè)的卓越運(yùn)營。

3.2控制優(yōu)化要求更高

石化行業(yè)卓越運(yùn)營，需要保證生產(chǎn)控制穩(wěn)定運(yùn)行、產(chǎn)品質(zhì)量合格。因此，石化行業(yè)卓越運(yùn)營對(duì)生產(chǎn)裝置自動(dòng)控制提出了更高的要求。

目前，生產(chǎn)裝置自動(dòng)控制優(yōu)化主要采用控制回路性能優(yōu)化、回路調(diào)節(jié)優(yōu)化和先進(jìn)控制技術(shù)（Advanced Process Control，APC）。

（1）控制回路性能優(yōu)化

根據(jù)相關(guān)工業(yè)數(shù)據(jù)顯示，對(duì)大多數(shù)工廠而言，僅有1/3的控制回路功能正常，而其它2/3的控制回路產(chǎn)生過多的報(bào)警、工藝擾亂、降低產(chǎn)品質(zhì)量、增加操作人員工作負(fù)荷等。

因此，加強(qiáng)控制回路性能管理，可以通過減少操作人員干預(yù)而有效拓展保護(hù)，可以通過減少生產(chǎn)變化而增加工廠運(yùn)作效率，可以提高可靠性而減少維修成本，以及快速找出表現(xiàn)欠佳的工廠區(qū)域和單元。控制回路性能的優(yōu)化，每個(gè)工廠可以根據(jù)各自特點(diǎn)進(jìn)行，也可以在市場上找到一些成熟的軟件。

（2）回路調(diào)節(jié)優(yōu)化

對(duì)大多數(shù)工廠而言，2/3的控制回路功能不太正常，亦或是未按設(shè)計(jì)運(yùn)行。并且有相當(dāng)部分回路處于手動(dòng)運(yùn)行模式，需依靠操作人員進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。如此，很容易導(dǎo)致不正常的工況和系統(tǒng)的不穩(wěn)定，從而對(duì)工藝安全、效率和利潤產(chǎn)生不利影響。

因此，加強(qiáng)控制回路調(diào)節(jié)管理，可以找出回路調(diào)節(jié)性能不好的根源，可以減少采用試誤法所耗費(fèi)的時(shí)間，可以調(diào)節(jié)長期性能、設(shè)定點(diǎn)響應(yīng)和拒絕干擾，可以測試新調(diào)節(jié)回路的設(shè)定值，還可以存檔供將來參考。同樣地，回路調(diào)節(jié)優(yōu)化，每個(gè)工廠可以根據(jù)各自特點(diǎn)進(jìn)行，也可以在市場上找到一些成熟的軟件。

（3）先進(jìn)控制技術(shù)（APC）

先進(jìn)過程控制技術(shù)是具有比常規(guī)單回路PID控制有更好控制效果的控制策略統(tǒng)稱，專門用來處理那些采用常規(guī)控制效果不好，甚至無法控制的復(fù)雜工業(yè)過程控制問題。

先進(jìn)過程控制技術(shù)采用科學(xué)、先進(jìn)的控制理論和控制方法，以工藝控制方案分析和數(shù)學(xué)模型計(jì)算為核心，以計(jì)算機(jī)和控制網(wǎng)絡(luò)為信息載體，充分發(fā)揮DCS和常規(guī)控制系統(tǒng)的潛力，保證生產(chǎn)裝置始終運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳狀態(tài)，以獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。

先進(jìn)過程控制技術(shù)可分為三大類：

?經(jīng)典的先進(jìn)控制技術(shù)：變增益控制、時(shí)滯補(bǔ)償控制、解耦控制、選擇性控制等。

?現(xiàn)今流行的先進(jìn)控制技術(shù)：模型預(yù)測控制（MPC）、統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制（SQC）、內(nèi)?？刂疲↖MC）、自適應(yīng)控制、專家控制、神經(jīng)控制器、模糊控制、最優(yōu)控制等。

?發(fā)展中的先進(jìn)控制：非線性控制以及魯棒控制等。

石化行業(yè)，作為流程工業(yè)，是最早采用先進(jìn)過程控制技術(shù)的行業(yè)。目前市場中主流的先進(jìn)過程控制技術(shù)產(chǎn)品有很多種，但是在整個(gè)行業(yè)內(nèi)呈現(xiàn)運(yùn)用不廣、投用率低的情況。可以預(yù)見，先進(jìn)過程控制技術(shù)在石化行業(yè)運(yùn)用會(huì)越來越多。

3.3可靠性要求更強(qiáng)

石化行業(yè)卓越運(yùn)營，同時(shí)需要生產(chǎn)控制系統(tǒng)穩(wěn)定且可靠運(yùn)行，保證產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，對(duì)生產(chǎn)裝置自動(dòng)化設(shè)備及系統(tǒng)可靠性提出更高的要求。

石化行業(yè)生產(chǎn)裝置自動(dòng)化設(shè)備及系統(tǒng)比較復(fù)雜，現(xiàn)場儀表設(shè)備種類繁多，分布式控制系統(tǒng)（DCS）、安全儀表系統(tǒng)（SIS）、可編程控制器（PLC）等控制設(shè)備也較多樣，如何確保所有自動(dòng)化設(shè)備及系統(tǒng)可靠運(yùn)行，具有一定的挑戰(zhàn)。

做好自動(dòng)化設(shè)備及系統(tǒng)可靠性，建議注意以下幾點(diǎn)：

（1）選擇高可靠性的自動(dòng)化設(shè)備及系統(tǒng)；

（2）建立合理的備品備件庫存；

（3）理解各種自動(dòng)化設(shè)備及系統(tǒng)的生命周期；

（4）開展預(yù)防性維修工作；

（5）做好各種自動(dòng)化設(shè)備及系統(tǒng)的可靠性分析工作。

自動(dòng)化設(shè)備及系統(tǒng)的可靠性受到業(yè)內(nèi)越來越多的重視，針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備及系統(tǒng)的可靠性問題，雖然在行業(yè)內(nèi)還沒有統(tǒng)一、完整、成體系的可靠性算法和標(biāo)準(zhǔn)可循，但是國內(nèi)外機(jī)構(gòu)已開始合作研究制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.4功能安全要求更深

石化行業(yè)卓越運(yùn)營，同時(shí)需要生產(chǎn)控制安全可靠運(yùn)行，保證人身和設(shè)備安全。因此，對(duì)功能安全提出更深的要求。

隨著國家對(duì)安全重視程度的加深以及人們對(duì)安全的認(rèn)識(shí)，“功能安全”越來越多地受到廣大企業(yè)的關(guān)注，特別是石化行業(yè)，對(duì)控制系統(tǒng)的要求非常嚴(yán)格，因?yàn)橐坏┌踩刂苹芈肥В蜁?huì)引起不可估量的危險(xiǎn)和財(cái)產(chǎn)損失。

目前，石化行業(yè)“功能安全”中的工藝安全已為業(yè)界廣泛認(rèn)知并運(yùn)用，而“功能安全”中的機(jī)械安全才開始進(jìn)入人們的視野。

（1）功能安全-工藝安全

石化行業(yè)“功能安全”中的工藝安全，是為了防止和降低石化裝置過程風(fēng)險(xiǎn)，保證人身和財(cái)產(chǎn)安全，保護(hù)環(huán)境，采用安全儀表系統(tǒng)（SIS）控制。石化行業(yè)“功能安全”中的工藝安全設(shè)計(jì)，根據(jù)IEC61508和IEC61511這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)分析環(huán)節(jié)，將其作為后續(xù)設(shè)計(jì)的依據(jù)，采用SIS的設(shè)計(jì)，滿足實(shí)際的需要。

石化行業(yè)功能安全系統(tǒng)，通常具有一個(gè)完整的安全生命周期。這個(gè)安全生命周期分為工程設(shè)計(jì)階段、集成調(diào)試及驗(yàn)收測試階段和操作維護(hù)階段。工作大致包括工程方案設(shè)計(jì)，過程危險(xiǎn)分析與評(píng)估，保護(hù)層的安全功能分配，安全完整性等級(jí)評(píng)估與審查，安全儀表系統(tǒng)技術(shù)要求，安全儀表系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)，安全儀表系統(tǒng)集成、調(diào)試及驗(yàn)收，安全儀表系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)與變更，安全儀表系統(tǒng)周期性測試，安全儀表系統(tǒng)停用等。石化行業(yè)功能安全的不斷推廣運(yùn)用，必然會(huì)向更深層次發(fā)展，為工藝安全保駕護(hù)航。

（2）功能安全-機(jī)械安全

機(jī)械安全早已存在，在鋸床、壓縮機(jī)、拋丸機(jī)、行車、汽車生產(chǎn)線等行業(yè)中都有廣泛運(yùn)用，有效提升了這些行業(yè)相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的安全水平。用于提供安全功能的機(jī)器控制系統(tǒng)部件稱為控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件（SRP/CS），它們由硬件和軟件組成，既可獨(dú)立于機(jī)器控制系統(tǒng)，也可成為機(jī)器控制系統(tǒng)的一部分。除了提供安全功能以外，SRP/CS也能提供操作功能（例如：雙手操縱裝置作為過程啟動(dòng)的一種手段）。

“功能安全”中的機(jī)械安全采用性能等級(jí)（PL）概念，由ISO13849提出，適用于機(jī)械安全。針對(duì)機(jī)械設(shè)備安全要求中的5種典型結(jié)構(gòu)（B、1、2、3、4），又根據(jù)每種結(jié)構(gòu)采用的危險(xiǎn)失效時(shí)間（MTTF）和診斷覆蓋率（DC）的值不同，分別對(duì)應(yīng)了PL等級(jí)a、b、c、d、e，其分析方法沿用了EN954的方法。機(jī)器的SIL的級(jí)別由IEC62061提出，它只有三級(jí)，SIL1、SIL2、SIL3，其計(jì)算方法和思路來自IEC61508。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，機(jī)械安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主要包括三個(gè)步驟：確定安全控制系統(tǒng)所需的性能等級(jí)（PLr）；設(shè)計(jì)安全控制回路；將設(shè)計(jì)的控制回路達(dá)到的PL與安全功能所需的PLr進(jìn)行比較，如果PL≥PLr，即滿足設(shè)計(jì)要求。

機(jī)械安全控制系統(tǒng)，通常也具有一個(gè)完整的安全生命周期。這個(gè)安全生命周期分為工程設(shè)計(jì)階段、集成調(diào)試及驗(yàn)收測試階段和操作維護(hù)階段。工作大致可以參照前面提到的工藝安全控制系統(tǒng)的做法，但有不同的評(píng)估方法和控制系統(tǒng)實(shí)施。

“功能安全”中的機(jī)械安全在石化行業(yè)的推廣運(yùn)用，必然會(huì)向新層次發(fā)展，為生產(chǎn)機(jī)械安全保駕護(hù)航。

4　結(jié)束語

工廠信息管理系統(tǒng)，提高石化行業(yè)的信息管理；工業(yè)控制系統(tǒng)控制優(yōu)化，提高石化行業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；工業(yè)控制系統(tǒng)可靠性，有助于石化行業(yè)的生產(chǎn)穩(wěn)定和產(chǎn)品質(zhì)量；功能安全控制系統(tǒng)，加強(qiáng)石化行業(yè)的生產(chǎn)安全。這些自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用，必將提升石化行業(yè)的經(jīng)營管理，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代石化行業(yè)的卓越運(yùn)營。

同時(shí)，我們也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，石化行業(yè)正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和全球化方向發(fā)展，石化行業(yè)的卓越運(yùn)營管理水平將提升至新層次，相應(yīng)地，石化行業(yè)的卓越運(yùn)營管理對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的要求將不斷提高。因此，自動(dòng)化技術(shù)需要?jiǎng)?chuàng)新發(fā)展，實(shí)現(xiàn)石化行業(yè)的卓越運(yùn)營，促進(jìn)現(xiàn)代石化行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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肖建榮（1969-），男，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于巴斯夫（中國）有限公司，主要從事工業(yè)自動(dòng)化儀表的工程設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)工作，先后完成多個(gè)國內(nèi)、國際項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)、調(diào)試工作。

摘要：本文闡述石化行業(yè)卓越運(yùn)營對(duì)自動(dòng)化技術(shù)提出新的要求，分析工廠信息管理系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)控制優(yōu)化、工業(yè)控制系統(tǒng)可靠性、功能安全控制系統(tǒng)等自動(dòng)化技術(shù)。理解和運(yùn)用這些自動(dòng)化技術(shù)，為石化行業(yè)的卓越運(yùn)營提供有力的保障。

關(guān)鍵詞：卓越運(yùn)營；工廠信息管理系統(tǒng)（PIMS）；控制優(yōu)化；自動(dòng)化可靠性；功能安全；工藝安全；機(jī)械安全

Petrochemical Industry:Operation Excellence Raises New Requirements for Automation Technology

Abstract:This paper generally describes new requirements for automation technology for operation excellence in petrochemical industry,analyzes plant information management system(PIMS),control optimization,automation system reliability,and functional safety in process sector and machinery sector.Understanding and applying these automation technologies are the keys to prompt operation excellence in petrochemical industry.

Key words:Plant information management system(PIMS); Control optimization; Automation system reliability; Functional safety; Process safety; Machinery safety

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