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邵惠鶴

一  流程工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展趨向
流程工業(yè)指主要生產(chǎn)過程為連續(xù)生產(chǎn)（或較長一段時間連續(xù)生產(chǎn)）的工業(yè)。包括了石化、冶金、電力、輕工、制藥、環(huán)保等在國民經(jīng)濟(jì)中占主導(dǎo)地位的行業(yè)，全球500強(qiáng)行業(yè)中，流程工業(yè)企業(yè)有70余家，占15%，其營業(yè)收入占總收入的16.5%。我國流程企業(yè)年產(chǎn)值占全國企業(yè)年總產(chǎn)值的66%，流程工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r直接影響國家的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，是國家的重要基礎(chǔ)支柱產(chǎn)業(yè)。
1  “現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)”（CIMS）是發(fā)展趨向
流程工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢是實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)”。它是將先進(jìn)的工藝制造技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)和以先進(jìn)控制技術(shù)為代表的信息技術(shù)相結(jié)合，將企業(yè)的經(jīng)營管理，生產(chǎn)過程的控制、運(yùn)行與管理作為一個整體進(jìn)行控制與管理，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的優(yōu)化運(yùn)行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理，從而成為提高企業(yè)競爭力的重要技術(shù)。
流程工業(yè)的自動化技術(shù)，特別是CIMS技術(shù)受到發(fā)達(dá)國家的高度重視，被列入這些國家的重點(diǎn)高新技術(shù)發(fā)展計劃，國際著名的鋼鐵企業(yè)日本新日鐵、石化企業(yè)美國埃克森公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全廠自動化和CIMS，并獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
2  建立基于BPS/MES/PCS三級結(jié)構(gòu)，以MES為關(guān)鍵
流程工業(yè)的CIMS體系結(jié)構(gòu)主要有美國的Purdue模型。如圖1所示，在Purdue模型中，是自下而上從功能上被分為了過程控制、過程優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度、企業(yè)管理和經(jīng)營決策五個層次，將生產(chǎn)過程和管理過程明顯分開。雖然這種體系框架在流程工業(yè)CIMS 的發(fā)展過程中起過很大的推動作用，但它忽視了生產(chǎn)過程中的物耗、能耗及設(shè)備在線控制與管理，層次多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)CIMS成本高、不便形成平臺技術(shù)，難以推廣。隨著研究與開發(fā)的深入，在CIMS系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用實(shí)踐中遇到了較大問題。在流程企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營活動中，除了底層的過程控制和頂層的經(jīng)營決策外，中間層次是很難將生產(chǎn)行為與管理行為截然分開的。因此，在牽涉到大量既有生產(chǎn)性質(zhì)又有管理性質(zhì)的信息時，根據(jù)五層結(jié)構(gòu)模型就很難明確應(yīng)該歸于CIMS的哪一層次，造成了流程工業(yè)CIMS研究與開發(fā)過程中概念的混亂和標(biāo)準(zhǔn)的難以統(tǒng)一。

圖1  Purdue模型圖

目前針對上述問題提出將BPS（Business Planning System）/MES（Manufacturing Execution System）/PCS（Process Control System）三級結(jié)構(gòu)應(yīng)用于流程企業(yè)。它是以提高企業(yè)競爭力為目標(biāo)，以企業(yè)“兩個中心”（生產(chǎn)成本控制中心，生產(chǎn)指揮中心）為重點(diǎn)，建立基于BPS/MES/PCS三級結(jié)構(gòu)，以MES為關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2  流程工業(yè)三層結(jié)構(gòu)CIMS及其MES體系結(jié)構(gòu)圖

這一結(jié)構(gòu)將流程工業(yè)CIMS分為：
―   PCS級 單純考慮生產(chǎn)過程問題的過程控制系統(tǒng)，即基礎(chǔ)控制系統(tǒng)。
―   BPS級 單純考慮企業(yè)經(jīng)營管理問題的企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)，主要利用以財務(wù)分析決策為核心的整體資源優(yōu)化技術(shù)。
―   MES級 考慮生產(chǎn)與管理結(jié)合問題的中間層制造執(zhí)行系統(tǒng)，主要利用以產(chǎn)品質(zhì)量和工藝要求為指標(biāo)的先進(jìn)控制技術(shù)和以生產(chǎn)綜合指標(biāo)為目標(biāo)的生產(chǎn)過程優(yōu)化運(yùn)行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理技術(shù)，使流程工業(yè)CIMS中原本難以處理的具有生產(chǎn)與管理雙重性質(zhì)的信息問題得到了解決。
在流程工業(yè)CIMS中，MES起著將從生產(chǎn)過程產(chǎn)生的信息和從經(jīng)營管理活動中產(chǎn)生的信息，以及生產(chǎn)管理活動中產(chǎn)生的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換、加工、傳遞的作用，是生產(chǎn)活動與管理活動信息集成的重要橋梁和紐帶。
據(jù)美國MESA1996年調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，在采用以BPS/MES/PCS三級結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的MES技術(shù)后，效果顯著：生產(chǎn)周期時間縮短率為35%、數(shù)據(jù)輸入時間縮短率為36%、在制品削減率為32%、文書工作削減率為67%、交貨期縮短率為22%、不合格產(chǎn)品減低率為22%、文書丟失減少率為55%。
據(jù)美國ARC公司（Automation Research Corp.）調(diào)查，在采用以BPS/MES/PCS三級結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的MES技術(shù)后，可獲得的效益為：質(zhì)量提高19.2%，勞動生產(chǎn)率提高13.5%，產(chǎn)量提高11.5%。1999年，美國“財富”雜志發(fā)表文章稱MES是“ERP市場的挑戰(zhàn)者”。該文介紹年產(chǎn)值16億美元的美國化纖企業(yè)Unifi公司，其下屬Yadkinville廠應(yīng)用MES軟件后，效益增加69%，實(shí)際增效1600萬美元。
據(jù)MESA調(diào)查，美國MES軟件市場規(guī)模的為1.5億美元，1994年和1995年年增長率為30%，1996年達(dá)到8.65億美元，1998年10.1億美元。預(yù)見2003年將增加三倍。
3  流程工業(yè)三層結(jié)構(gòu)的集成支持系統(tǒng)（如圖3所示）

圖3  流程工業(yè)三層結(jié)構(gòu)的集成支持系統(tǒng)圖

二  流程工業(yè)先進(jìn)控制的提出與特點(diǎn)
1  流程工業(yè)先進(jìn)控制的重要性
由于流程工業(yè)生產(chǎn)過程日趨大型化、連續(xù)化、高速度和高質(zhì)量，因此對生產(chǎn)過程中工藝的操作控制、異常工況的監(jiān)視及安全保護(hù)，必須依靠自動化系統(tǒng)。
信息技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動化已由基礎(chǔ)階段的生產(chǎn)過程自動化發(fā)展到生產(chǎn)管理自動化，并進(jìn)入企業(yè)綜合自動化階段。目前，最重要的是推進(jìn)先進(jìn)控制與優(yōu)化。“工業(yè)過程先進(jìn)控制與優(yōu)化軟件”是具有前瞻性和帶動性，對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重大影響，有廣闊市場容量的高技術(shù)自動化軟件產(chǎn)品。
據(jù)調(diào)查，國外石油化工企業(yè)每年至少要降低3%的成本才能保持盈利。在過程控制中采用先進(jìn)的控制方案，可平均降低15%的制造成本。美國杜邦公司通過改進(jìn)控制方案，一年估計節(jié)省5億美元。人們開始認(rèn)識到采用先進(jìn)控制與優(yōu)化能比采用DCS帶來更顯著的經(jīng)濟(jì)效益。因此，目前工業(yè)自動化已從對單一生產(chǎn)設(shè)備、單一生產(chǎn)流程的控制，發(fā)展到對整個生產(chǎn)線的先進(jìn)控制與優(yōu)化控制。
隨著計算機(jī)技術(shù)、工業(yè)自動化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)管理和控制中的廣泛應(yīng)用，向先進(jìn)控制要效益，向過程優(yōu)化要效益，向生產(chǎn)管理要效益，已成為企業(yè)工程技術(shù)人員和經(jīng)營管理人員的共識。

表1  著名先進(jìn)控制軟件包應(yīng)用情況一覽表

國外從70年代末就開始了先進(jìn)控制技術(shù)的商品化軟件的開發(fā)及應(yīng)用，在DCS的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制和先進(jìn)過程控制。在控制算法上，將控制理論研究的新成果，如多變量約束控制、各種預(yù)測控制、推斷控制和估計、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制和軟測量技術(shù)等應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。目前國外，特別是美國、加拿大、歐洲等國已有Setpoint、DMC、Honeywell Profimatics、Adersa、AspenTech、Treiber Controls等多家從事先進(jìn)控制和優(yōu)化的軟件公司開發(fā)出適合于實(shí)時控制與優(yōu)化的多變量先進(jìn)控制和實(shí)時在線優(yōu)化的商品化工程軟件產(chǎn)品，大量推向市場，在上千家大型石化、化工、煉油、冶金等企業(yè)獲得成功應(yīng)用，取得了巨額利潤。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，國外比較著名的先進(jìn)控制軟件包已有2233套得到應(yīng)用，目前正在搶占我們國內(nèi)的市場，相關(guān)情況參見表1。
雖然國外先進(jìn)控制軟件能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，但其價格非常昂貴，而且國外廠商對其核心技術(shù)嚴(yán)格保密，因此，應(yīng)及早開發(fā)我國自己的先進(jìn)控制軟件產(chǎn)品，才能打破引進(jìn)的局面。為推動我國工業(yè)生產(chǎn)自動化水平的發(fā)展，節(jié)省外匯支出，對現(xiàn)有國內(nèi)開發(fā)的先進(jìn)控制軟件進(jìn)行商品化，形成自己的先進(jìn)控制軟件產(chǎn)業(yè)化，已成當(dāng)務(wù)之急。為此，應(yīng)確立自動化產(chǎn)業(yè)作為信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分的地位，并重點(diǎn)扶植幾家有發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)企業(yè)，使其在自動化儀表、先進(jìn)控制與優(yōu)化軟件、工控軟件及自動化系統(tǒng)集成三大部分都處于國內(nèi)龍頭地位，形成一批有較強(qiáng)自我開發(fā)能力的企業(yè)和一批有知識產(chǎn)權(quán)的名牌產(chǎn)品，能與國外公司建立既合作又競爭的關(guān)系。
2  流程工業(yè)先進(jìn)控制的提出
― 流程工業(yè)一般規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且具有不確定性、非線性、強(qiáng)耦合性等特性，以產(chǎn)品質(zhì)量和工藝要求為指標(biāo)的控制，常規(guī)控制難以勝任；
― 實(shí)現(xiàn)安全、平穩(wěn)、高效生產(chǎn)的需要；
―  提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和增強(qiáng)競爭力的重要對策；
―  先進(jìn)控制與在線優(yōu)化在工廠綜合優(yōu)化控制中起著承上啟下的重要作用。
3  流程工業(yè)先進(jìn)控制的發(fā)展現(xiàn)狀
―  基于模型控制的理論體系已基本形成，出現(xiàn)了許多約束模型預(yù)測控制的工程化軟件包，如AspenTech的DMCplus是應(yīng)用廣泛和最有前途的先進(jìn)控制策略；
―  專家控制系統(tǒng)：過程故障診斷，監(jiān)督控制，檢測儀表和控制回路有效性；
―  神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：非線性過程的建模，軟測量，控制系統(tǒng)的設(shè)計；
―  模糊系統(tǒng)：模糊控制理論基礎(chǔ)，表達(dá)不確定性知識；
― 非線性控制：開發(fā)中，應(yīng)用不多；
―  先進(jìn)控制還包括：內(nèi)模控制、自適應(yīng)控制、增益調(diào)整、解耦控制、時滯補(bǔ)償?shù)龋?BR>―  魯棒控制：是研究熱點(diǎn)，但理論性太強(qiáng)，實(shí)際應(yīng)用需做大量的改進(jìn)和簡化；使先進(jìn)控制具備魯棒性是重要的發(fā)展方向。
三  多變量約束控制軟件包MCC（Multivari-able Constrained Controller）
多變量約束控制是帶有約束的多變量、多目標(biāo)、多控制模式和基于模型預(yù)測的最優(yōu)控制器。它能在滿足工藝約束條件下，對整個生產(chǎn)裝置實(shí)現(xiàn)多變量閉環(huán)控制，以使生產(chǎn)平穩(wěn)、高效、低耗，以獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。與常規(guī)控制是輸入和輸出變量一一配對來構(gòu)成單回路控制相比，本控制軟件包最大特點(diǎn)是從多變量觀點(diǎn)來設(shè)計，因此，可自動解決復(fù)雜系統(tǒng)的耦合，同時可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化與動態(tài)優(yōu)化。因此，MCC是目前應(yīng)用最廣、效果最好、最實(shí)用的流程工業(yè)先進(jìn)控制。它適用于煉油、化工、石化、制藥、造紙、生化、冶金、熱電、輕工和食品等行業(yè)。
1  基本特點(diǎn)
―  綜合利用過去、現(xiàn)在和將來的信息――決定控制策略模型預(yù)測將來輸出（PID只利用過去和現(xiàn)在的信息）；
―  對模型要求低：反饋校正(現(xiàn)代控制理論要求模型精度高)；
―  滾動優(yōu)化：每個控制周期不斷進(jìn)行優(yōu)化計算（現(xiàn)代控制一次優(yōu)化）；
―  穩(wěn)態(tài)優(yōu)化與動態(tài)優(yōu)化相結(jié)合；
―  多變量系統(tǒng)（PID是一對一控制）；
―  CV和MV可受約束。
―  主要功能
―  實(shí)現(xiàn)基于模型的多變量預(yù)測控制的動態(tài)優(yōu)化；
―  在整個動態(tài)響應(yīng)區(qū)間內(nèi)考慮CV與MV的約束；
―  應(yīng)用線性規(guī)劃原理實(shí)現(xiàn)CV與MV的穩(wěn)態(tài)約束及經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化；
―  采用CV與MV動態(tài)加權(quán)原理實(shí)現(xiàn)CV與MV的動態(tài)約束；
―  控制系統(tǒng)可控性在線分析和系統(tǒng)病態(tài)的自動處理；
―  多變量控制結(jié)構(gòu)的自動重構(gòu)，以適應(yīng)各種不同情況；
―  能自動識別與處理胖系統(tǒng)(自由度>0)、瘦系統(tǒng)(自由度<0)以及方系統(tǒng)(自由度=0)；
―  具有動態(tài)加權(quán)和控制器參數(shù)的在線整定功能；
―  系統(tǒng)的動態(tài)閉環(huán)仿真。
3  基本特征
―  從多變量控制的觀點(diǎn)來設(shè)計整個生產(chǎn)裝置控制；
―  將動態(tài)滾動優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化相結(jié)合；
―  由子控制器與組合線性規(guī)劃CLP構(gòu)成大型控制器，能有效處理大規(guī)模多變量復(fù)雜控制對象；
―  采用設(shè)定值控制和區(qū)域控制二種控制模式；
―  MV也具有設(shè)定值(理想穩(wěn)態(tài)值IRV)控制(自由度>0時)。
4  MCC的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)（如圖4所示）

圖4  多變量約束控制（MCC）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

5  MCC軟件包的組成
―  MCPC，基于模型預(yù)測的多變量約束控制軟件包；
―  MCCI，過程模型辨識和參數(shù)在線校正軟件包；
―  MCC Config，組態(tài)軟件包；
―  MCCSIM，系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件包；
―  MCCIO，MCC與各類DCS的接口軟件包；
―  NMCPC，非線性多變量預(yù)測。
6  經(jīng)濟(jì)效益
―  生產(chǎn)裝置經(jīng)濟(jì)效益的最大關(guān)鍵是使生產(chǎn)過程時刻處于最優(yōu)約束邊界上操作。
―  實(shí)現(xiàn)多變量MCC能減少過程干擾的影響；在約束條件下最優(yōu)卡邊操作；動態(tài)最優(yōu)化使生產(chǎn)過程連續(xù)平穩(wěn)與優(yōu)化操作；局部穩(wěn)態(tài)優(yōu)化使生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性能最優(yōu)化。
―  實(shí)現(xiàn)全裝置在線穩(wěn)態(tài)優(yōu)化：基于過程穩(wěn)態(tài)模型，不斷修正約束條件，不斷更新模型，在線求過程的最優(yōu)設(shè)定值（最優(yōu)操作條件）。
―  大量工程實(shí)踐表明，具有投資少，見效快等特點(diǎn)。通常在原有基礎(chǔ)上，可增加3%～6%經(jīng)濟(jì)效益。
四  MCC在大型催化裂化裝置中的應(yīng)用
1  大型催化裂化裝置工藝流程
催化裂化裝置是煉油工業(yè)發(fā)展最迅速的二次加工裝置之一。整個裝置主要包括反應(yīng)再生系統(tǒng)、分餾系統(tǒng)和吸收穩(wěn)定系統(tǒng)等子系統(tǒng)，主要生產(chǎn)汽油、柴油、液化氣等，是煉油加工過程中重要的二次加工過程。它的操作直接關(guān)系到石油煉制過程中輕質(zhì)油的收率，從而影響整個煉廠的經(jīng)濟(jì)效益。其工藝流程參考圖5。

圖5  催化裂化裝置工藝流程簡圖

2  大型催化裂化裝置MCC的控制目標(biāo)
MCC的控制目標(biāo)是在滿足產(chǎn)品質(zhì)量合格的條件下，使輕質(zhì)油(液態(tài)烴)收率盡可能最高；裝置的總處理量盡可能最大；能耗盡可能最小。
―  靈活滿足不同的生產(chǎn)方案：在保證汽油收率的基礎(chǔ)上，提高液化氣收率；在保證液化氣收率的基礎(chǔ)上，提高汽油收率；在保證輕油總收率的基礎(chǔ)上，提高輕柴油收率。
―  提高處理量
―  節(jié)約能耗
3  大型催化裂化裝置多變量約束控制MCC控制的構(gòu)架（如圖6所示）

圖6  催化裂化裝置多變量約束控制系統(tǒng)構(gòu)架

4  大型催化裂化裝置多變量約束控制的設(shè)計
(1)  被控變量和操縱變量的設(shè)計
催化裂化裝置的多變量約束控制器，可設(shè)計為17個被控變量，14個操縱變量的多變量約束控制器，如表2所示。

表2  催化裂化裝置多變量約束控制器變量說明

(2)  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如圖7所示）

圖7  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(3)  反應(yīng)再生系統(tǒng)的階躍模型（如圖8所示）

圖8  反應(yīng)再生系統(tǒng)階躍模型動態(tài)曲線圖

(4)  反應(yīng)再生系統(tǒng)多變量約束控制結(jié)構(gòu)示意圖（如圖9所示）

圖9  反應(yīng)再生系統(tǒng)多變量約束控制結(jié)構(gòu)示意圖

5  催化裂化多變量約束控制在線運(yùn)行情況
(1)  多變量控制，最大限度地保證了所有被控變量的控制要求，克服了常規(guī)單變量控制顧此失彼的本質(zhì)缺陷。
(2)  平穩(wěn)操作，特別是穩(wěn)定氧含量，保證裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，減少事故隱患。
多變量約束控制的實(shí)質(zhì)在于保證約束的滿足，同時協(xié)調(diào)各種約束集之間的關(guān)系。每個采樣周期的控制動作都將使控制對象更好地滿足約束集，使整個工況更趨平緩。
多變量約束控制器用在催化裂化裝置后的一個明顯表現(xiàn)就是氧含量變化明顯平緩得多，即使在流化狀況不理想的情況下，氧含量仍然能保證控制在較小的范圍之內(nèi)。而氧含量是整個裝置運(yùn)行情況的一個綜合指標(biāo)，它的平穩(wěn)很大程度上意味著整個工況的平穩(wěn)，取得了較好的控制效果。投運(yùn)后氧含量變化比投運(yùn)前明顯平穩(wěn)，特別是氧含量的超限次數(shù)明顯減少和超限幅度也較小（氧含量的控制指標(biāo)一般為31％）。
(3)  穩(wěn)態(tài)優(yōu)化保證了裝置的全局優(yōu)化生產(chǎn)和操作。多變量約束控制器中的優(yōu)化系數(shù)直接體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)優(yōu)化目標(biāo)，MCC將自動根據(jù)確定的目標(biāo)函數(shù)在每個控制周期找到當(dāng)前時刻的最佳操作方向，而且通過改變多變量約束控制器中的優(yōu)化系數(shù)，就可以方便地體現(xiàn)生產(chǎn)方案的改變。
(4)  增加處理量，最大限度地發(fā)揮裝置的生產(chǎn)能力。采用MCC后，處理量可卡上限操作，在最大程度上提高了處理量。投運(yùn)后裝置的處理量明顯增大，而且進(jìn)料量的變化也相對平穩(wěn)得多。處理量的增加將為企業(yè)帶來豐厚的利潤，國外某公司的經(jīng)驗表明，實(shí)施先進(jìn)控制后，企業(yè)增加利潤的70％將來自于處理量的提高。
(5)  軟測量技術(shù)的應(yīng)用。不但減少了企業(yè)在昂貴的分析儀表上的資金投入，更重要的是為企業(yè)生產(chǎn)提供了產(chǎn)品質(zhì)量在線跟蹤手段以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實(shí)時觀測方法，對于優(yōu)化生產(chǎn)具有不可估量的重要意義。
FCCU裝置在多變量約束控制與優(yōu)化項目投運(yùn)后，效益的提高是十分明顯的。表3中列出了投運(yùn)前后車間的效益核算數(shù)據(jù)（當(dāng)時的生產(chǎn)采用汽油方案）。可以看出，投運(yùn)后經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。首先，裝置的總處理量（冷渣＋熱常渣＋總蠟）有較大提高；其次，產(chǎn)品的分布有較大的改善，汽油收率提高了2.33％，液化氣收率提高了1％。另外，每噸原料利潤也提高了4.8%。綜合上述幾個因素，若按一年300天計，投運(yùn)后每年所獲得的經(jīng)濟(jì)效益將在1730萬元以上。

表3  投運(yùn)前后一聯(lián)合催化裂化車間效益核算數(shù)據(jù)對照表