梁 飛

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

煉油化工企業(yè)一般將處于自控狀態(tài)的回路數(shù)與總的控制回路數(shù)比值的百分?jǐn)?shù)稱為自控率，或者稱為儀表實(shí)際自控率、自控投入率，如果剔除工藝原因，將得到儀表自控率。自控率作為一項(xiàng)重要的專(zhuān)業(yè)管理指標(biāo)，在一定程度上標(biāo)志著一個(gè)企業(yè)的自動(dòng)化水平、設(shè)備管理水平和裝置運(yùn)行穩(wěn)定性?；具^(guò)程控制系統(tǒng)(BPCS)的自控率水平，直接影響企業(yè)安全保護(hù)層的可靠性，對(duì)于安全生產(chǎn)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。業(yè)界對(duì)于儀表自控率水平的重視程度也在逐年提高，中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司于2017年將“儀表自控率”和“儀表實(shí)際控制率”列入關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)(KPI)，并明確要求其數(shù)據(jù)需通過(guò)自控率平臺(tái)獲取，因此以往通過(guò)人工計(jì)算儀表自控率的方法已不可取。建設(shè)一套實(shí)時(shí)的儀表自控率監(jiān)控系統(tǒng)，為管理部門(mén)提供真實(shí)、可靠、便捷的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，用于指導(dǎo)管理和自控率提升已經(jīng)迫在眉睫。

中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海石化)創(chuàng)建于20世紀(jì)70年代，主要包括煉油、化工、合成樹(shù)脂、合成纖維等生產(chǎn)裝置，以及煤電、儲(chǔ)運(yùn)、水處理等輔助裝置，共計(jì)200余套，實(shí)行公司、二級(jí)單位、裝置三級(jí)管理模式。其中涉及儀表自控回路的二級(jí)單位有10家，基本過(guò)程控制系統(tǒng)約300套，儀表控制回路總數(shù)近12 000個(gè)。控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠家有以HONEYWELL、橫河、SIEMENS、浙江中控等為主的近20家。多樣化的生產(chǎn)裝置、年代不一的新老設(shè)備、紛繁復(fù)雜的系統(tǒng)廠家、不同的二級(jí)單位管理模式以及龐大的回路總數(shù)，給人工統(tǒng)計(jì)自控率工作帶來(lái)了很大的困難，且數(shù)據(jù)的及時(shí)性和真實(shí)性無(wú)法保證。因此上海石化于2014年開(kāi)始進(jìn)行自控率實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。

1 需求分析

1.1 基本功能

系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取數(shù)、自控率計(jì)算、報(bào)表輸出等基本功能，以用于替代人工計(jì)算；可查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)；計(jì)算數(shù)據(jù)應(yīng)該可以按管理區(qū)域、時(shí)間、工藝儀表原因等條件進(jìn)行分類(lèi)匯總；應(yīng)實(shí)現(xiàn)自控回路臺(tái)賬等基礎(chǔ)資料的在線維護(hù)管理，包括相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)表的導(dǎo)入、導(dǎo)出功能，審批權(quán)限、審批流程的設(shè)置，原因分析、維護(hù)痕跡的留存；此外，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)還應(yīng)完成用戶手冊(cè)編寫(xiě)用于滿足用戶培訓(xùn)需求。

1.2 回路篩選

基于各裝置生產(chǎn)工藝的特殊性以及歷史遺留問(wèn)題的客觀存在，要更好地反映自控率的真實(shí)情況，必須對(duì)自控回路進(jìn)行分析，完成不參與統(tǒng)計(jì)回路的剔除，可剔除回路主要包括以下幾種情況。

(1)因設(shè)備(非儀表設(shè)備)長(zhǎng)期或永久停用導(dǎo)致儀表控制回路取消或長(zhǎng)期停用。例如：某反應(yīng)器已經(jīng)停用，但因未遇到合適的停車(chē)檢修機(jī)會(huì)對(duì)系統(tǒng)回路進(jìn)行維護(hù)等原因，系統(tǒng)中控制回路依然存在。

(2)因工藝變更、設(shè)計(jì)變更等導(dǎo)致原有回路長(zhǎng)期停用、取消、功能變更。例如調(diào)節(jié)閥已拆除或改為手操閥，部分回路因工藝變更已停用或閥門(mén)長(zhǎng)期全開(kāi)使用。

(3)僅開(kāi)停車(chē)時(shí)使用自控系統(tǒng)(控制閥處在全開(kāi)或全關(guān)狀態(tài))，正常生產(chǎn)時(shí)不使用的回路。從系統(tǒng)整體考慮，因開(kāi)停車(chē)時(shí)間占裝置總運(yùn)行時(shí)間比例極低，系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以正常運(yùn)行裝置為主體，故此類(lèi)回路不參與統(tǒng)計(jì)。

(4)裝置經(jīng)營(yíng)性停車(chē)或計(jì)劃?rùn)z修，生產(chǎn)線整體停車(chē)。

(5)其他有明確理由不參與統(tǒng)計(jì)的，由相關(guān)管理人員進(jìn)行評(píng)審確認(rèn)。

此外，因儀表故障長(zhǎng)期無(wú)法修復(fù)，設(shè)計(jì)缺陷等原因?qū)е聝x表回路無(wú)法投用自控，工藝增產(chǎn)或減產(chǎn)導(dǎo)致儀表在非正常使用范圍內(nèi)而無(wú)法投自控，工藝原料品質(zhì)變化、上下游波動(dòng)等導(dǎo)致無(wú)法投用自控的不得作為不參與統(tǒng)計(jì)的理由。

1.3 條件設(shè)置

通過(guò)對(duì)自控回路進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)部分回路可通過(guò)在系統(tǒng)中設(shè)置條件來(lái)進(jìn)行精確計(jì)算，主要包括以下幾種情況。

(1)工藝切換投用的設(shè)備、流水線等對(duì)應(yīng)的控制回路。如聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)裝置的切換牌號(hào)生產(chǎn)，化纖裝置的流水線切換生產(chǎn)等，可選擇一個(gè)合適的條件，對(duì)相應(yīng)的控制回路進(jìn)行選擇(是否參與統(tǒng)計(jì))。

(2)主備設(shè)備、兩用一備等設(shè)備上的控制回路。以機(jī)泵為例，可在系統(tǒng)中進(jìn)行二取一或三取二設(shè)計(jì)，即主備設(shè)備只要其中一臺(tái)設(shè)備為投自控狀態(tài)，則確認(rèn)為兩個(gè)回路都為自控狀態(tài)。

(3)特殊工藝中可用條件判斷是否需投用自控的回路，即某個(gè)或部分條件達(dá)成，可判斷一系列回路需投自控或切除自控的(如間歇性生產(chǎn)設(shè)備等)。如乙烯裝置的裂解爐燒焦是裝置運(yùn)行中的一個(gè)必要過(guò)程，可以用裂解爐運(yùn)行標(biāo)志位、燒焦空氣流量來(lái)共同表征裂解爐是否處于燒焦?fàn)顟B(tài)，進(jìn)而用來(lái)判斷該裂解爐上的自控回路是否需要計(jì)入統(tǒng)計(jì)。

(4)其他一些在工藝操作法或相關(guān)規(guī)程里明確規(guī)定，在進(jìn)行相關(guān)工藝操作時(shí)需切除自控的回路，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置條件或進(jìn)行人工干預(yù)，系統(tǒng)應(yīng)預(yù)留相應(yīng)功能，但應(yīng)增加相應(yīng)制度管理。

2 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 用戶功能的實(shí)現(xiàn)

出于網(wǎng)絡(luò)安全及控制系統(tǒng)通訊負(fù)荷的考慮，自控率監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)避免直接從BPCS取數(shù)。該系統(tǒng)通過(guò)企業(yè)現(xiàn)有的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，不對(duì)BPCS造成影響。結(jié)合調(diào)研與需求分析，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需實(shí)現(xiàn)以下用戶功能。

2.1.1 數(shù)據(jù)庫(kù)基本功能

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)位號(hào)組態(tài)的完善，確保實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)自控回路與BPCS保持一致并正常取數(shù)；

基礎(chǔ)控制回路信息的完善,包括回路位號(hào)、描述、控制狀態(tài)等信號(hào)；

條件控制回路信息的建立，完成控制回路所需條件位號(hào)的組態(tài)；

控制回路自控率采樣統(tǒng)計(jì),綜合考慮系統(tǒng)負(fù)荷和采樣的代表性，確定每個(gè)有效位號(hào)每天48個(gè)采樣點(diǎn)，即每半小時(shí)采樣1次。每月的總采樣點(diǎn)數(shù)就是當(dāng)月每一天累加起來(lái)的數(shù)量。

2.1.2 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)完善

構(gòu)建不統(tǒng)計(jì)回路申請(qǐng)、審批關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)；

構(gòu)建主備位號(hào)、二取一位號(hào)、多取多位號(hào)、依據(jù)條件判斷位號(hào)等關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)；

構(gòu)建回路事件記錄數(shù)據(jù)庫(kù)，保存回路審批歷史數(shù)據(jù)。

2.1.3 功能模塊設(shè)計(jì)

設(shè)置基礎(chǔ)控制回路信息(臺(tái)賬)的導(dǎo)出、查詢功能，導(dǎo)入功能不對(duì)普通用戶開(kāi)放，由后臺(tái)統(tǒng)一導(dǎo)入；

設(shè)置條件控制回路信息的導(dǎo)入、導(dǎo)出、查詢功能；

設(shè)置控制回路不參與統(tǒng)計(jì)申請(qǐng)、審批在線維護(hù)功能，并設(shè)置批量導(dǎo)入、導(dǎo)出功能；

設(shè)置控制回路實(shí)時(shí)狀態(tài)查詢功能，實(shí)時(shí)狀態(tài)中需顯示是否參與統(tǒng)計(jì)狀態(tài)；

設(shè)置按公司、二級(jí)單位、裝置，按年、月、周、運(yùn)轉(zhuǎn)班次、實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)自控率報(bào)表功能，數(shù)據(jù)計(jì)算自動(dòng)完成；

設(shè)置公司、管理部室考核指標(biāo)可配置模板，考核指標(biāo)顯示在報(bào)表中；

設(shè)置首頁(yè)導(dǎo)航模塊，通過(guò)區(qū)域圖(地圖)實(shí)時(shí)顯示各裝置實(shí)時(shí)自控率；

設(shè)置未投自控原因分類(lèi)分析模塊，可區(qū)分儀表原因和工藝原因，經(jīng)線下分析后導(dǎo)入；

設(shè)置系統(tǒng)權(quán)限、角色功能模塊；

歷史數(shù)據(jù)查詢功能。

2.2 自控率算法實(shí)現(xiàn)

2.2.1 自控率算法要求

《中國(guó)石化煉化企業(yè)設(shè)備KPI指標(biāo)》中包含儀表自控率和儀表實(shí)際自控率兩個(gè)指標(biāo)，兩個(gè)指標(biāo)的算法為：

儀表自控率=[實(shí)際投用控制回路數(shù)/(總控制回路數(shù)-因工藝原因停用的控制回路數(shù))]×100%

儀表實(shí)際自控率=(實(shí)際投用回路數(shù)/總控制回路數(shù))×100%

基于管理考核的需要，該企業(yè)同時(shí)進(jìn)行工藝自控率的計(jì)算。算法如下：

工藝自控率=[實(shí)際投用控制回路數(shù)/(總控制回路數(shù)-因儀表原因停用的控制回路數(shù))]×100%

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，因自控回路未投自控的原因多種多樣，往往不能簡(jiǎn)單地歸類(lèi)為工藝原因或儀表原因。因此在實(shí)際計(jì)算時(shí)一般考慮儀表原因和非儀表原因(與管理架構(gòu)保持一致，電儀中心與生產(chǎn)性二級(jí)單位相對(duì)獨(dú)立，電氣因素太少可忽略)。

2.2.2 自控率算法系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)的離散數(shù)據(jù)采集，結(jié)合不同的時(shí)間間隔、區(qū)域劃分，最終計(jì)算出對(duì)應(yīng)的自控率。以某裝置一周的數(shù)據(jù)為例，其各類(lèi)自控率計(jì)算如下：

儀表自控率=[(自控采樣點(diǎn)數(shù)-不參與統(tǒng)計(jì)回路自控采樣點(diǎn)數(shù))/(總采樣點(diǎn)數(shù)-不參與統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)-參與統(tǒng)計(jì)回路因非儀表原因停用的采樣點(diǎn)數(shù))]×100%

其中：總采樣點(diǎn)數(shù)=某裝置回路總數(shù)×48×7

儀表實(shí)際自控率=[(自控采樣點(diǎn)數(shù)-不參與統(tǒng)計(jì)回路自控采樣點(diǎn)數(shù))/(總采樣點(diǎn)數(shù)-不參與統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù))]×100%

工藝自控率=[(自控采樣點(diǎn)數(shù)-不參與統(tǒng)計(jì)回路自控采樣點(diǎn)數(shù))/(總采樣點(diǎn)數(shù)-不參與統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)-參與統(tǒng)計(jì)回路因儀表原因停用的采樣點(diǎn)數(shù))]×100%

不參與統(tǒng)計(jì)比率=(不參與統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)/總采樣點(diǎn)數(shù))×100%

2.3 功能界面

2.3.1 系統(tǒng)主視圖

主視圖即導(dǎo)航模塊，通過(guò)區(qū)域圖實(shí)時(shí)顯示各裝置實(shí)時(shí)自控率，通過(guò)點(diǎn)擊二級(jí)單位可彈窗顯示各裝置實(shí)時(shí)自控率情況。

2.3.2 自控率報(bào)表

系統(tǒng)設(shè)計(jì)多類(lèi)自控率報(bào)表，可通過(guò)區(qū)域和時(shí)間間隔的選擇，自動(dòng)生成不同的報(bào)表，以公司月度報(bào)表為例，其內(nèi)容包括：各二級(jí)單位考核指標(biāo)、總回路數(shù)、總采樣點(diǎn)數(shù)、不參與統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)、不參與統(tǒng)計(jì)比率、自控率、儀表自控率等。這些數(shù)據(jù)均以月度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算得到。

2.3.3 應(yīng)用圖表

為便于更加直觀地查看和分析數(shù)據(jù)，系統(tǒng)還開(kāi)發(fā)了多種應(yīng)用圖表，具體包括：公司日/周/月趨勢(shì)圖、二級(jí)單位周/月自控率對(duì)比圖、月度考核情況圖等。

3 企業(yè)的配套措施

自控率實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)本身不能提高自控率，它只是為自控率管理提供一個(gè)真實(shí)、便捷的數(shù)據(jù)平臺(tái)，需要配合運(yùn)用必要的管理手段，才能切實(shí)提高一個(gè)企業(yè)的自控水平。

(1)企業(yè)中部分操作人員由于歷史原因形成手動(dòng)操作習(xí)慣，對(duì)回路投切自控的重要性認(rèn)識(shí)不足，認(rèn)為手動(dòng)操作更“準(zhǔn)確”、更“可靠”，因而從內(nèi)心里排斥投用自動(dòng)控制。企業(yè)可通過(guò)培訓(xùn)、宣講等形式提高員工意識(shí)，使其充分認(rèn)識(shí)提高自控率的重要意義。

(2)企業(yè)需定期開(kāi)展自控率評(píng)估工作。工藝、技術(shù)、儀表、設(shè)備等多專(zhuān)業(yè)共同參與，對(duì)不投自控的回路進(jìn)行分類(lèi)，并開(kāi)展原因分析，形成行動(dòng)項(xiàng)，進(jìn)行閉環(huán)管理。系統(tǒng)投用以來(lái)，上海石化每月導(dǎo)出不投自控回路清單，由工藝、技術(shù)、儀表、設(shè)備等專(zhuān)業(yè)共同開(kāi)展不投自控回路分析，查清原因，通過(guò)工藝調(diào)整，儀表檢修，比例、積分、微分(PID)調(diào)整等措施，有效地提高了自控率。

(3)企業(yè)需制定措施確保系統(tǒng)內(nèi)自控回路的準(zhǔn)確性，將自控率監(jiān)控系統(tǒng)管理與變更管理(MOC)相結(jié)合是一個(gè)行之有效的方法。當(dāng)變更發(fā)生時(shí)，明確與自控回路相關(guān)的變更須在系統(tǒng)中進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的真實(shí)準(zhǔn)確。

(4)企業(yè)需采取必要的獎(jiǎng)懲措施，促進(jìn)自控率管理工作的開(kāi)展。通過(guò)多年的積累，上海石化形成了一套較為完善的自控率獎(jiǎng)懲模式，通過(guò)績(jī)效考核和勞動(dòng)競(jìng)賽兩種模式約束和激勵(lì)各專(zhuān)業(yè)開(kāi)展自控率提升管理。

(5)以往自控率被普遍誤認(rèn)為是儀表專(zhuān)業(yè)的責(zé)任，導(dǎo)致部分工作開(kāi)展不易，自控率提升緩慢。企業(yè)應(yīng)明確自控率管理中的職責(zé)劃分，由主管領(lǐng)導(dǎo)牽頭，自上而下加強(qiáng)自控管理，并給予適當(dāng)?shù)馁Y源傾斜，確保檢修、更新或技術(shù)改造資金的投入，有效提高企業(yè)的自控水平。

(6)企業(yè)可引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)和理念，進(jìn)行控制系統(tǒng)優(yōu)化，提高自控率。應(yīng)防止為追求自控率提升而采取的不合適做法。例如僅僅為了投切自控而對(duì)閥門(mén)進(jìn)行機(jī)械限位的做法是不可取的，甚至是非常危險(xiǎn)的，應(yīng)明令禁止。

(7)企業(yè)應(yīng)確保足夠的系統(tǒng)維護(hù)力量，保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期正常運(yùn)行，并形成長(zhǎng)效機(jī)制，避免出現(xiàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)后無(wú)人使用或無(wú)使用意義的情況發(fā)生。

4 應(yīng)用案例及成效

4.1 應(yīng)用案例

上海石化某化工裝置自控率一直不高，系統(tǒng)上線初期自控率不足70%。系統(tǒng)上線及獎(jiǎng)懲措施執(zhí)行后，相關(guān)部門(mén)高度重視，組織團(tuán)隊(duì)進(jìn)行專(zhuān)題分析，確定如下幾個(gè)主要問(wèn)題。

(1)部分儀表精度達(dá)不到要求，這主要是由于工藝處理量的提高和長(zhǎng)期使用磨損造成。2017年大修時(shí)，有針對(duì)性地將5臺(tái)孔板流量計(jì)更改為渦街流量計(jì)，使流量控制精度得到提高。同時(shí)完成6臺(tái)調(diào)節(jié)閥更新，消除調(diào)節(jié)閥存在非線性及偏離正常調(diào)節(jié)范圍的問(wèn)題。裝置開(kāi)車(chē)后，對(duì)應(yīng)回路順利投切自控，裝置自控率提升近5%。

(2)部分控制方案不合理，存在控制偶合現(xiàn)象，無(wú)法同時(shí)切自控。例如圖1(該裝置的流程圖)中T-3304塔回流量調(diào)節(jié)FIC-3380與V-3305槽液位控制LICA-3380所對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)閥均在V-3305出料管線上。回流量的大小間接影響T-3304塔頂氣相量，從而影響塔頂至V-3305的進(jìn)料，同時(shí)直接對(duì)V-3305的液位產(chǎn)生影響，進(jìn)而會(huì)影響采出閥LV-3380動(dòng)作，造成V-3305出料管線內(nèi)流量變化。兩回路同時(shí)投用自控后，回流與產(chǎn)出會(huì)產(chǎn)生控制耦合，導(dǎo)致控制不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)大波動(dòng)。因此需要進(jìn)行深入研究，完善控制方案，進(jìn)行解耦控制。

圖1 某化工裝置流程

4.2 應(yīng)用成效

上海石化自控率實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)建成后，實(shí)現(xiàn)了公司、二級(jí)單位、生產(chǎn)裝置自控率的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)對(duì)影響自控率的原因分析，使公司管理層可以有效地組織和控制生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)，各裝置自控率都有所提高，公司年平均儀表實(shí)際控制率從2015年的71.20%提高到2018年上半年的94.60%，其中2018年5月儀表自控率達(dá)到98.99%，自控率得到逐年穩(wěn)步提升，對(duì)設(shè)備管理及生產(chǎn)管理水平提高起到了積極作用。

5 結(jié)語(yǔ)

提升自控率不是一味地追求數(shù)據(jù)的提升，而是要切實(shí)提高裝置的控制率和平穩(wěn)率，同時(shí)自控率實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)本身不能提高自控率，需要配合必要的管理手段，確保數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期真實(shí)有效，形成長(zhǎng)期使用和維護(hù)機(jī)制，才能真正發(fā)揮其作用。該系統(tǒng)于2014年底正式上線，為滿足不斷提升的管理需求，目前已經(jīng)完成第3期優(yōu)化升級(jí)，并于2018年6月上線試運(yùn)行。系統(tǒng)的投用為生產(chǎn)管理提供了實(shí)時(shí)有效的數(shù)據(jù)分析，為提高裝置自控水平和優(yōu)化精細(xì)化管理提供了行之有效的手段。