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摘要：本文闡述石化行業(yè)卓越運營對自動化技術(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)等自動化技術(shù)。理解和運用這些自動化技術(shù)，為石化行業(yè)的卓越運營提供有力的保障。

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

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)的自動化技術(shù)應(yīng)用是最廣泛的，整個行業(yè)自動化水平是最先進(jìn)的，當(dāng)然行業(yè)自動化控制也是最復(fù)雜的，并且石化行業(yè)自動化管理也是最先進(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)信息化時代，也稱智能化時代。在信息化時代的背景下，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)安全可靠運行，同時做好環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排，實現(xiàn)行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展，石化行業(yè)開始采用卓越運營管理，從而對自動化技術(shù)提出了新的要求。

2　石化行業(yè)自動化現(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)自動化和管控一體化；

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

3　石化行業(yè)卓越運營對自動化技術(shù)提出新要求

面對市場競爭壓力，企業(yè)要提高效益，節(jié)省成本，達(dá)成目標(biāo)，實現(xiàn)跨越式發(fā)展，石化行業(yè)開始采用卓越運營模式。自動化技術(shù)在現(xiàn)代石化行業(yè)卓越運營中發(fā)揮關(guān)鍵作用；同時，石化行業(yè)卓越運營對自動化技術(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)卓越運營需要一流的信息管理，功能強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，形成安全可靠的實時數(shù)據(jù)庫，填補企業(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，并實現(xiàn)了企業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的實時數(shù)據(jù)采集、實時流程查看、實時趨勢瀏覽、報警記錄與查看、開關(guān)量變位記錄與查看、報表數(shù)據(jù)存貯、歷史趨勢存貯與查看、生產(chǎn)過程報表生成、生產(chǎn)統(tǒng)計報表生成等功能，從而實現(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、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。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。為了實現(xiàn)節(jié)能高效生產(chǎn)，同時加強公司內(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)備組織實施多套計算機(jī)應(yīng)用軟件系統(tǒng)，包括生產(chǎn)信息管理、辦公自動化（OA）、企業(yè)資源計劃（ERP）等。在生產(chǎn)信息管理應(yīng)用上要求實現(xiàn)生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)采集與發(fā)布、能源計量管理、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，分為實時生產(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）實時生產(chǎn)信息集成系統(tǒng)

工廠信息管理系統(tǒng)的實時生產(chǎn)信息集成系統(tǒng)基于工廠信息管理系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫。PIMS系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能包括：數(shù)據(jù)采集功能；實時數(shù)據(jù)、流程圖畫面瀏覽；實時趨勢、歷史趨勢的查詢分析；WEB功能；生產(chǎn)報表功能；歷史數(shù)據(jù)存儲；二次計算功能。

（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。為實現(xiàn)系統(tǒng)的集成統(tǒng)一，先將PIMS中WEB發(fā)布的實時信息流程引入到生產(chǎn)管理報表系統(tǒng)中；然后根據(jù)廠內(nèi)各個主要生產(chǎn)職能部門的工作業(yè)務(wù)情況對每個生產(chǎn)職能部門開發(fā)相應(yīng)的管理模塊。同時，為了便于整個報表系統(tǒng)的管理，還針對整個系統(tǒng)和各模塊的一些重要信息開發(fā)后臺管理模塊，主要實現(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)運營管理對工廠信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的需求會不斷增多。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，才能提高運作效率，實現(xiàn)行業(yè)的卓越運營。

3.2　控制優(yōu)化要求更高

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

目前，生產(chǎn)裝置自動控制優(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?？刂苹芈沸阅艿膬?yōu)化，每個工廠可以根據(jù)各自特點進(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)計運行。并且有相當(dāng)部分回路處于手動運行模式，需依靠操作人員進(jìn)行手動調(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，從而對工藝安全、效率和利潤產(chǎn)生不利影響。

因此，加強控制回路調(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的時間，可以調(diào)節(jié)長期性能、設(shè)定點響應(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，每個工廠可以根據(jù)各自特點進(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)模型計算為核心，以計算機(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、時滯補償控制、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，但是在整個行業(yè)內(nèi)呈現(xiàn)運用不廣、投用率低的情況?？梢灶A(yù)見，先進(jìn)過程控制技術(shù)在石化行業(yè)運用會越來越多。

3.3　可靠性要求更強

石化行業(yè)卓越運營，同時需要生產(chǎn)控制系統(tǒng)穩(wěn)定且可靠運行，保證產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，對生產(chǎn)裝置自動化設(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，如何確保所有自動化設(shè)備及系統(tǒng)可靠運行，具有一定的挑戰(zhàn)。

做好自動化設(shè)備及系統(tǒng)可靠性，建議注意以下幾點：

（1）選擇高可靠性的自動化設(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）做好各種自動化設(shè)備及系統(tǒng)的可靠性分析工作。

自動化設(shè)備及系統(tǒng)的可靠性受到業(yè)內(nèi)越來越多的重視，針對工業(yè)自動化設(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)卓越運營，同時需要生產(chǎn)控制安全可靠運行，保證人身和設(shè)備安全。因此，對功能安全提出更深的要求。

隨著國家對安全重視程度的加深以及人們對安全的認(rèn)識，“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)，對控制系統(tǒng)的要求非常嚴(yán)格，因為一旦安全控制回路失效，就會引起不可估量的危險和財產(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，保證人身和財產(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，根據(jù)IEC61508和IEC61511這兩個標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過危險和風(fēng)險分析環(huán)節(jié)，將其作為后續(xù)設(shè)計的依據(jù)，采用SIS的設(shè)計，滿足實際的需要。

石化行業(yè)功能安全系統(tǒng)，通常具有一個完整的安全生命周期。這個安全生命周期分為工程設(shè)計階段、集成調(diào)試及驗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，過程危險分析與評估，保護(hù)層的安全功能分配，安全完整性等級評估與審查，安全儀表系統(tǒng)技術(shù)要求，安全儀表系統(tǒng)工程設(shè)計，安全儀表系統(tǒng)集成、調(diào)試及驗收，安全儀表系統(tǒng)運行、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用，必然會向更深層次發(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的一種手段）。

“功能安全”中的機(jī)械安全采用性能等級（PL）概念，由ISO13849提出，適用于機(jī)械安全。針對機(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)采用的危險失效時間（MTTF）和診斷覆蓋率（DC）的值不同，分別對應(yīng)了PL等級a、b、c、d、e，其分析方法沿用了EN954的方法。機(jī)器的SIL的級別由IEC62061提出，它只有三級，SIL1、SIL2、SIL3，其計算方法和思路來自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)計方法主要包括三個步驟：確定安全控制系統(tǒng)所需的性能等級（PLr）；設(shè)計安全控制回路；將設(shè)計的控制回路達(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)計要求。

機(jī)械安全控制系統(tǒng)，通常也具有一個完整的安全生命周期。這個安全生命周期分為工程設(shè)計階段、集成調(diào)試及驗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，但有不同的評估方法和控制系統(tǒng)實施。

“功能安全”中的機(jī)械安全在石化行業(yè)的推廣運用，必然會向新層次發(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)，加強石化行業(yè)的生產(chǎn)安全。這些自動化技術(shù)的運用，必將提升石化行業(yè)的經(jīng)營管理，從而實現(xiàn)現(xiàn)代石化行業(yè)的卓越運營。

同時，我們也應(yīng)該認(rèn)識到，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)的卓越運營管理對自動化技術(shù)的要求將不斷提高。因此，自動化技術(shù)需要創(chuàng)新發(fā)展，實現(xiàn)石化行業(yè)的卓越運營，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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作者簡介

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

摘自《自動化博覽》2016年2月刊