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再論石化ERP和APC――兼論為工藝生產服務的自控工作者如何自主創新
Discussion on ERP and APC in Petroleum & Chemical Industry Again
――Concurrently Discussion on How to Innovation of Automatic Control Workers Service for Production Process
原中國石油化工總公司上海石油化工研究院教授級石化系統工程師 鐘霖田
摘要：制造（離散）工業ERP追求柔性加工以提高生產效率；石化（流程）加工本質是柔性的，其ERP按多級負荷分配追求最大利潤；石化流程“大異小同”，以原油分餾為“龍頭”的后續加工各并行支流因企業而異，致使每個石化企業的ERP主體結構所涉及的范疇均是“大異小同”，評判石化ERP是否初步成功的硬指標――真正取代公司及廠級生產人工調度而履行多級負荷分配的調度決策；石化ERP主體結構的多級負荷最優分配是“抱西瓜”，而相應的APC是“撿芝麻”；本質是多維分布參數對象是石化APC及優化項目難以收效的主因；預聯鎖概念的實施使ESD從“雙刃”變成“單刃”而確保石化生產“安、長、穩、高”運行。
1 前言
工業控制工程師以服務工業生產為己任，如何也能履行“自主創新”的職責？本文試圖以筆者如何從石化生產控制工程師漸變成資深的石化系統工程師的經歷從技術角度予以闡述。
文獻[1]是筆者在放療至手術的休歇期間為履諾而寫就的，未曾涉獵包括文獻[2]～[4]一些教授、博導關于CIMS（PA）及ERP的任何文章，完全是憑借40多年在石化工業現場的研發應用的“厚積貫通”，按“庖丁解牛”從總體全局著眼予以噴薄而信手拈就，完全是“自主”。是否“創新”？至少有別于文獻[2]～[4]的論述以及所依據的pudue、MOSA、GRAI/GIM及其參考文獻中的觀點與論述，在總體結構或框架上有很大差別。文獻[1]關于石化ERP的概念、目標、范圍、結構與實施等簡捷、清晰的描述，曾得到中石化主管專函贊譽卻研閱無下文。
可石化ERP進行得怎樣了呢？以前強推的外商APC（Advance Process Control）軟件現已全廢，不竟黯然擔憂。文獻[4]曾提及中石化推ERP又在成批買軟件交下面使用，效果如何呢？筆者擬在下面進行技術分析后提出一個公認的公正的評價指標予以判評。
無獨有偶。國內一些著名高校的博導、教授們在自“七五”以來的重大科技攻關項目及“863”“973”的項目中以石化優化控制（等同于APC）的名目從國家計委（現為發改委）和科技部獲得的經費之和也不相上下，但結果是隨著研究生論文通過也就交帳了！可項目的實效呢？至少在石化生產現場讓這些教授們捫心有愧！不禁要問：怎么立項的，又怎么審批的？原因很簡單，那些頭頂光環的專家權威不是不了解或礙于情面，就是大家彼此彼此。這些難道不應引起政府有關部門予以反思嗎？
是什么原因造成石化APC難以取得實效？巨額耗資的石化ERP該怎樣進行下去？吉林石化爆炸的巨大損失及對環境污染造成危害引起的反思。筆者將依據自己對石化工業的“厚積薄發”，沒有任何參考文獻而從技術角度提出自己的觀點，以供參考。這就是筆者從浩瀚的IEC資料中抽身履約寫此文的目的，以盡“自主創新，探究真哲；國家富強，人人有責”的責任。
2 制造工業的CIMS或ERP追求柔性加工以提高生產效率
制造工業的特點主要體現其加工部件發生形狀及結構的變化以及按工序傳送并組裝，多為表觀對象。其布局基本上是：除外購件（例如汽車輪胎等）外的零部件加工是并行的；而其后部件組裝（例如發動機）與總裝的生產線則大體上是串行的。在零、部件加工中，例如，鉆孔的孔徑與部位的差異就需要更換鉆頭及工件的部位并固定之；又如，依據客戶訂單的型號與顏色如何適時安排相應的殼體與調換噴漆的顏色。這既包含如何縮短零部件加工工具及加工件位置更換與固定轉換時間與色調更換時間，也涉及該訂貨殼體準時上線安裝及下線交訂單的及時調度安排。這種生產線基本上是機械（器）動作，多為表觀對象，多使用COM（Component Object Model）技術，其位置開關或限位開關（觸點）到位（on/off）即表示動作步正常完成。當涉及更復雜的機器時，這些機器制造者提供有關運作、診斷軟件成為CBA的軟件組件。自動生產線基本上無人控制，而是可以自動啟動/停止，其停止就包含了ESD（Emergency Shut Down）動作而無須另配ESD。總之，制造業的CIMS或ERP追求柔性操作，縮短工具更換及加工件定位時間（往往在加工中心完成零部件的加工）等等，從而縮短工時，即提高生產效率，以及按訂單準時交貨。
3 再論石化ERP的體系結構
以上概要提及制造工業ERP旨在追求柔性加工以提高生產效率，這與下面論述的石化ERP本質是柔性的有本質上的區別，但前者卻從理念與實施上對流程工業ERP有些錯誤的引導[3,4]。
在筆者目前僅有的資料中，關于流程工業CIMS及ERP的文章已列在參考文獻[2]～[6]中。文獻[2]～[6]中有關石化（流程工業）ERP或CIMS或MES與筆者在[1]中所述的總體結構（或框架）有很大差別，甚至完全相左。有必要在此再論ERP！為了解這種差異，有必要將文獻[1]中石化ERP之論述扼要在此重復如下。
“石化ERP旨在定期時間內獲取最大利潤，其實施實質是把全企業的所有資源（物、人、財等）作為原料市場與產品市場的隨動系統。……。該隨動系統只有一條縱向主線：以原料子系統和產品子系統的有關信息為輸入，全企業以生產活動的物流主干線形成的利潤最優，而全公司的人、財、物等其它資源都應當圍繞該物流主干線而配合工作。生產活動的物流分配大致是二級負荷分配：對燃料型煉廠而言是一次加工與二次加工油品及二次加工中間油品的分配；對化工型企業而言主要是制芳烴原料（油）與制乙烯原料（油）之間的分配以及乙烯（單體）制成不同聚合物之間分配；而燃料－化工型則先是燃料油品與化工料油品之間的分配，再是燃料油品的一次加工與二次加工料的分配以及化工料中的半成品－單體至聚合物之間的分配。……”
以上石化ERP的多級負荷分配的物流加工主干線的隨動系統的體系結構與文獻[2]～[4]等有下列明顯的差別。
(1) 文獻[2]、[3]所述的流程工業CIMS與石化ERP范圍是不同的。對于流程工業而言，CIMS似乎改為CIPS更為恰當。在文獻[2]中之圖1所示的CIMS體系結構中，第1層戰略計劃層不在ERP之列。就國內石化而言，它是規劃設計院履行的職責。筆者認為，ERP是對企業既有的資源而言。至于基于生命周期的提法是無分歧的，這也是軟件工程慣用的思路；而在一個平臺上集成，筆者提出了統一系統平臺的概念與實施將會在恰當時候在此刊最先發表。有關總體設計從頂到底而實施則反之，這是沒有分歧的。
最大的差別在于目標上的差異。文獻[2]在引言中有這樣一段話：“流程工業CIMS面臨的一個重大課題是：如何實現企業中信息的集成和利用，為各級領導、管理與生產部門提供輔助決策與優化手段（如經營決策，優化調度和優化生產），并將這些決策優化方案與對生產的實際控制聯系起來……”文獻[6]也提到，“影響領導坐作正確決策……”。筆者認為，如僅作輔助決策的話，在國內國有資產的現狀下，石化ERP就會完全成了“擺設”。筆者提出的以原油與產品市場作輸入的、以多級負荷分配的物流加工的隨動系統按全局最優的決策就是“軍令”，而決不是可有可無的輔助決策。領導、管理層的人為經驗決策僅是同等權值的候選方案之一，由ERP計算機系統予以參照決策；誠然，在系統調試期間則加大其權值。總之，一旦ERP系統正式投運之后，其決策應無條件執行！例如，根據原油子系統的輸入由ERP決定買什么原油、什么價位買，什么時候買，原油貯罐的安排等等一旦確定之后，領導管理層就照此去安排資金、人員等予以實現。領導、管理層的生產調度大權已旁落了，而資金調配、人員安排等再旁落的話，則實施ERP的非技術阻力就更大了。
(2) 文獻[3]的標題“MES－流程工業CIMS發展的關鍵”，筆者難以茍同。筆者認為，石化的APC等同于離散工業的MES。在多級負荷分配確定常減壓分餾各并行物流的后續加工后，APC就分別確定各最佳的負荷協定值與相應的控制參數設定值（SPV，Set Point Value）。所以在筆者的多級負荷最優分配的調度決策中，物流最優分配的獲益是“抱西瓜”，而隨之實施的“APC”是“芝麻”（后面詳述其理由）。另外，文獻[3]在論及流程工業MES的體系結構中有這樣的斷語：“流程CIMS中，PCS層的信息集成技術已相當成熟，ERP層的理論與技術與離散工業大同小異，……。”恰好相反，筆者認為，二者連“大異小同”都不是，而是有本質上的差別，這也是在再論石化ERP中為何把屬于離散工業范疇的制造工業的特點論述放在前面的原因。文獻[4]中的“……如精良生產、準時制生產……”等離散工業CIMS用語生搬硬套于石化ERP中。由此看來，筆者在文獻[1]中的擔心不是無稽之談：“ERP是起源于離散制造行業的CIMS，其思路與方法大多被生搬硬套形成CIPS，企圖適用于連續加工，……”看來，離散工業的CIMS理念對石化ERP的影響不淺！如此，現有的流程工業CIPS或ERP軟件商所推行的相關軟件，大概也難以脫其臼巢。基此，筆者再次強調：離散工業的CIMS或ERP旨在追求柔性制造或加工以提高生產效率而獲利；石化ERP是對本質是柔性的物流作最佳分配加工以追求最大利潤！
(3) 文獻[4]更是難以理喻。“……目前傳統的ERP已經到頂，取而代之的新模式―協作商務已經出現。”是這樣嗎？所羅列的國外廠商的ERP軟件如何，似乎把這些軟件買來安裝、調試就可實現石化（典型的過（流）程工業）ERP，也把中石化已購買25套煉廠高級計劃與排程軟件PIMS……予以羅列，看來是贊揚這種作法。文獻[4]中圖1～圖3似乎顯示該文作者們已在石化（流程工業之典型）中實施成功ERP。該文作者們與所列文獻的作者及文獻[6]的作者，對石化流程的特點與實質的理解與筆者的理解相距較大，其中有的長期專事化學工程研發，有的雖是石化行業但基本上不是來自辦公室就是來自計算機房！文獻[5]的作者言明來自鎮海石化的煉廠信息中心，從其本身的工作出發進行一些技術探討是應予贊揚的，但并未議及ERP總體結構，似乎缺乏總體規劃。
大批買外商軟件交下面使用（例如文獻[4]提到25套PIMS軟件），是否會像強推APC一樣下場？文獻[4]、[5]提到一著名外商軟件商，筆者有所了解。其在向鎮海石化化肥廠首推優化軟件時還不知道該廠渣油氣化造氣（美國德士古專利）是怎么回事而向筆者咨詢。除一些從事信息化工作者在未論及總體結構或框架的情況下，先是強調什么平臺，什么數據庫，什么網絡，顯示其專業特長與羅列什么電子商務等時髦詞語之外，就是迷信國外的軟件，……。把這些外商所推銷的有關軟件都買來能拼湊成一個最簡單的純燃料型煉廠的ERP并使之獲利頗豐嗎？
文獻[4]中有：“著名的國外ERP廠商宣稱其生產的軟件產品不僅適用于離散工業，而且適用于過程工業。”是嗎？筆者可以斷定，這種軟件產品對石化ERP絕對是廢盤！試問，有能準確預估、預測原油市場動態的軟件嗎？如有這種軟件面市，也不要搞什么石化ERP了！僅在國際原油期貨市場買進、賣出就能獲豐厚得多的利潤。但如大家都去買這種軟件，結果是不言而喻的。筆者在文獻[1]中曾指出，石化ERP既涉及一個龐大的系統工程，更涉及每個企業的經營機密，成功者會將其機密泄露嗎？如有現成的軟件能拼湊一個成功的石化ERP，大家都仿效之，不是像如果有能正確預估預測原油市場動態的軟件一樣的結果嗎？勿須再言，否則有醍醐灌頂之嫌了。
筆者認為，石化ERP還存在許多待探索的領域。例如，作為隨動系統的兩個重要輸入子系統―原油輸入子系統和產品市場輸入子系統均是由多個隨機過程變量所主宰的，尤其是前者的價位與品性的變動[注1]首先應予探究；加工過程中，間歇過程（例如氯乙烯單體的一釜一釜地聚合以及潤滑油加工系統等）與連續過程的結合涉及混雜系統控制理論研究[7]，這些均有待研發。基此，筆者將文獻[1]反復強調的再予鄭重指出：石化ERP個性多于共性，宜逐一對待；還像高明醫生那樣―同癥因人而需予分治！下面擬分析的即使同是燃料型煉廠也是“大異小同”。
注1：國際原油期貨行情的波動這種隨機變量，絕對不符合高斯的正態分布，用數學期望與方差就可予以描述的；也不是馬爾可夫或布畦松隨機變量型；很明顯一個因素是受國際政治氣候突變的強烈影響，……；值得花重金請應用數字家予以探討。
4 石化流程“大異小同”
上文述及的多級負荷分配的級數劃分，即使同級也因廠家互異而呈現的差別是普遍存在的，這就導致每個石化企業ERP主體構架及所涉及的范疇均是大異小同。
所述的燃料型、化工型、燃料－化工型三種石化企業都有一個共同的特點：均是以原油的常減壓分餾為源頭形成多股并流的下游分支。然而，同屬最“單純”的燃料型石化企業卻因常減壓分餾塔的側線數及位置的不同而有較大的差別。例如，上海煉油廠1號蒸餾裝置的常壓塔和減壓分餾塔各有五根側線。其常壓分餾塔1#側線出常壓汽油，2#側線出航空煤油[注2]，而用作裂解乙烯的原料油―石腦則介于1#、2#側線油之間。如要出石腦油的話，則可作如下處置：
1，通過塔頂回流操作，提高1#側線油的初餾點及干點，使之符合石腦油的餾份范圍而從原來的1#側線產出；
2，降低2#側線油的初餾點與干點，而從原來2#側線產出；
3，將原來的1#常壓汽油與2#的航空煤油調合成石腦油。這充分體現了石化生產本質是柔性的，完全不同于追求柔性加工的離散工業！誠然，在化工型的常壓分餾塔設計中確定其第一側線塔盤位置以專線分餾出用作裂解乙烯原料的石腦油。附帶提及，軍用魚雷（快艇）用油也是出自常壓分餾塔2#側線，只是決定其餾份范圍的初餾點與干點不同于航空煤油而已。上煉廠1#蒸餾的常3線出輕柴油[注2]，常4#側線出柴油[注2]……，而其減壓分餾塔各側線油分別再作以下二次加工：作潤滑油料，催化裂化（FCC）料及重油催化裂化料，加氫裂解料；而減壓塔塔底出料則作延遲焦化料，在“榨出”焦化汽、柴油餾份之后變成石油焦（固體成品，實質上是間歇加工過程），成為煉高級合金鋼的燃料（因為無灰份殘留）或者加工成鋪公路用瀝青或防水涂層。
注2：所述各側線油均是半成品油，是作該對應成品油的調合主料。
原同為燃料型的鎮海石化煉油廠則有所不同，沒有潤滑油產品；其減壓塔側線出料直接供作催化裂化原料油，形成（常）減壓～催化裂化聯合裝置。后來一部分減壓側線油作為加氫裂解料制造芳烴。而其減壓塔底的渣油則是作其化肥廠的渣油氣化原料。順便提及，同樣的渣油氣化的裝置與工藝，僅操作參數不同，在化肥廠用以制H2及CO（CO再變換，CO＋H2O→H2+CO2，H2是合成氨原料，而CO2是制尿素的原料），而將附產物炭黑返回重新氣化；可是在制造輪胎的原料的炭黑廠卻是作主產物。這充分說明石化加工的本質是柔性的。
所謂二次加工就是將重油餾份的長C鏈截成短碳鏈的輕餾份。用催化裂化方法加工是將長碳鏈截成短碳鏈時沒法接續的碳鏈的碳吸附在催化劑表面上，在催化劑再生時予以燒掉；而加氫裂化則在截成短碳鏈時從斷裂處用H接續其被截斷時空下來的碳鏈，形成上佳的加氫汽、柴油。顯然，這二種使重餾份輕化的二次加工途徑不一，其所涉及的原料消耗、加工設備及流程長短、所耗能源的多少、加工用時與人力投入以及設備折舊等一系列ERP應該考慮的因素也大不相同。初看起來，催化裂化的二次加工是將重餾份變輕的多余的碳燒掉而原料較費，而加氫裂化產加氫汽、柴油的二次加工似乎充分利用了重餾份油而合算。可是，這些作為加氫的H2是怎么來的？僅靠初頂汽油進行鉑（催化劑）重整（將輕餾份的短碳鏈接續）而出高辛烷值汽油的調合料的同時副產品―H2是遠不夠的，必須用（輕）柴油作原料按合成氨制H2的流程制造出來，其所涉及的工時、能耗、成本等等均需予以考慮。另外，據悉同為ERP試點的上海煉油廠與鎮海煉廠還有兩處很大的差異。同為減底渣油進行二次加工，上海煉油廠的延遲焦化的支流流程要遠遠短于鎮海煉廠作化肥廠的原料，后者已成一個獨立分支應在鎮海石化全公司ERP整體中予以考慮。再者，同是加氫裂化的二次加工，使用不同的催化劑、不同的（原料）餾份油及不同的操作條件（例如溫度、壓力等），鎮海煉廠的加氫裂化出料是芳烴料，而上煉是加氫的汽、柴油（主調料）。這又顯示了石化制造加工本質是柔性的。
芳烴中的甲苯經歧化（反應）處理變成同分異構的對二甲苯
、鄰二甲苯
、間二甲苯
，因其共沸點而難以用常見的汽?液相變分離的方法分離，而必須借助模擬移動床用分子篩液相分離。總之，芳烴加工這一流程已不是煉廠的二次加工流程之分支的“尾巴”，而是“尾大不掉”已獨立成鎮海石化ERP的另一分支了！原同為燃料型的上海煉油廠與鎮海煉廠的流程都是如此“大異小同”，那么化工型怎么樣呢？
在制備乙烯單體過程中，常壓一線的石腦油被過熱蒸汽所霧化，后在裂解爐（管）中迅速升溫進行（熱）裂解（無催化劑）后急冷予以分離、壓縮至烯烴廠儲罐（儲存乙烯單體
），該乙烯單體由該石化公司的ERP按獲最大利潤的決策分配各并行的下游支流的負荷―所用的乙烯單體流量，分別進行聚乙烯、聚乙烯醇、苯乙烯（單體）、氯乙烯（單體）等加工。石腦油被過熱蒸汽所霧化主要作用是：降低石腦油分壓以便在加熱至較低溫度就可被裂解；另外是保護裂解爐管，減緩其管壁上的“結炭”從而延長乙烯裂解爐的“清焦”間隔，也就是說該乙烯裂解爐的運行時間得以延長。如果裂解前升溫延緩一些或裂解氣（汽）分離前急冷不夠，不是主反應產物乙烯不夠就是繼續裂解而形成其它付產物居多！這充分說明石化加工本質是柔性的，甚至是太柔性了！
苯乙烯單體則需由乙烯（單體）與苯作原料在六層差分式反應器中逐層進行差分式進料[注3]進行苯烴化反應先產出乙苯，由乙苯經脫氫反應后才得到苯乙烯單體；較之聚乙烯支流程要長得多！而氯乙烯單體制備流程可能還長一些；況且氯（氣）來自電解工業鹽的電化分廠。揚子石化無聚氯乙烯產品；上海石化則將其轉給上海氯堿總廠；齊魯石化則把電化分廠予以納入。電解工業鹽的另一個主產品之一―氫氧化鈉（純堿或苛性鈉Na(OH)）的制備流程、儲存、銷售等又自成一個獨立的支流，這又是該石化企業之ERP必須綜合考慮的“自治領地”。
注3：現行的汽相法苯烴化反應流程均源自Mobil（美孚石油）公司，筆者對其反應器系統在流程上進行了改進，已經申報了實用新型專利（申請號為200320041468.6）。在此點明，主要是說明石化自控工作者，一旦深入了解工藝，甚至比工藝人員還懂工藝，要達到“自主創新”就沒什么高不可攀的。
以上僅是石化流程多樣性之“冰山一角”！同為燃料型的上煉與鎮海煉廠的流程尚有如此大的差異，所以各石化企所擬建的ERP當然是“大異小同”而必須予以區別對待，豈能不管“三七二十一”統一買一批相同的軟件[4]予以對付么？無視各石化企業流程、所用原油及產品等的“大異小同”的特點而予以統一處理，筆者不禁懷疑對實施ERP有否總體規劃？至少，由信息中心以信息化為主體來實施ERP似乎欠妥。
上述石化流程各企業是“大異小同”，相應的ERP實施是否已初具就由“小同”來評判而形成一個共同的硬指標：所實施的ERP是否已取代了原來公司及廠級的人工調度！如沒有取代，則已歷時多年且已耗之巨資俱付東流；如若表面是ERP調度，而實際是背后由原調度人員通過網絡輸入指令與數據，則必須打假！因為：“國家富強，人人有責！
5 石化流程的特點
(1) 石化流程都是在一組假定條件（例如產品的品種與產量，原料（油）的品位等）按穩態的物料衡算與熱量衡算予以確定的。在上世紀70年代，提出了按一滴原油的分析數據再結合投資規模以及當時設備制造能力和市場估計等就可確定整個石化流程的布局，這就相應于文獻[2]所提及的運用概念設計法的戰略計劃層。筆者認為，先是由布局決策按物料衡算予以初定，然后按熱量衡算予以核定；例如催化裂化加工的附產物―（液化）石油氣或泛稱煉廠氣既是全廠乃至全企業的熱源網之重要燃料，又是一種車用燃料（LPG）作為產品予以銷售。然而，其產量決定于FCC的產量。由此可以推論，這種物料衡算并與其息息相關的熱量衡算必須按優化指標反復迭代至收斂點―穩態平衡點。無疑，這種穩態平衡點，既包括了作最優的多級負荷的分配，也包括了各支流的最佳負荷與相應的操作參數（例如反應溫度、壓力、空速等等），處于這種穩態平衡點，企業獲利最優。而一旦偏離原定的條件，例如原油的品位變化，某種產品需求及價位的變化等，就要按新的條件（輸入）由ERP尋求新的穩態平衡點尋求最大利潤。至于偏離原定的條件到多少，即原料市場與產品市場兩個輸入子系統變化到多大時才啟動ERP這個龐大的隨動系統，這就等同于文獻[1]所提及的該ERP的穩定性與靈敏度的權衡折衷的問題，既涉及到企業經營策略，更涉及到一些支流加工，例如聚氯乙烯產品支流或加氫裂化支流，乃至整個ERP系統的動力學的處理；因為每個支流所涉及的加工時間與平衡穩定時間與難度是大不相同的。能有現成的軟件解決這個問題嗎？據筆者所知，現有ERP的軟件開發者，大多乃至全是化學工程方面的行家，他們的行業特點是基本上不考慮動態平衡的，以致筆者懷疑所提出這類問題是否被意識到乃至理解。
(2) 石化流程主要涉及兩種加工過程：
一是發生物性改變的化學反應過程；
另一是分離（凈化或提純）過程。當被分離的物質是同分異構體的話，則用分子篩進行物理分離（像色譜儀那樣對被分離的物質吸附后按時序并逐一解析）。常見的是在二元精餾塔或多側線分餾塔內借助于物態發生相變予以實施的。無論是哪種過程，均伴有巨大的熱量轉移，以致大多數過程常在高（低）溫度/高（負）壓下的大容量塔器內進行。為了降低能耗，不但大多數生產設備（反應器或分離用塔群）本身的入口物流與出口物流進行換熱；而且全廠性能源網（蒸汽、燃氣）將整個流程各生產裝置首尾勾連。這不僅造成單套裝置（設備）內部的反饋（大多是正反饋），加劇其熱不穩定性而造成飛溫（溫度失控），甚至有關ESD動作而停車；而且還造成一個工段各設備之間甚或整個流程各工段之間的相互關聯。
顧及到各設備運行周期不一致，（例如大型化肥廠的尿素塔鈦襯底常需檢修而使其運行周期比合成氨部分短）；另外顧及生產安全（常處于易燃易爆環境）而將整個工藝（支）流程劃分成若干個工段，各工段之間常以儲罐為分界線，一個工段就是一套生產裝置或生產單元，基本上減輕了各工段之間的互相耦合關聯。但即使這樣，像電網電壓常有波動一樣，全廠性能源（及/或燃料）網壓力波動的影響還是存在的，而每個工段內各設備本身的內部反饋（例如進、出口物流的換熱所引起的）及設備之間的耦合仍存在，所以應對一個工段內各設備有關參數進行整體平穩控制和描述。
(3) 為了生產安全常配備ESD
由于生產流程長、容量大且其中有些裝置對其內的溫度、壓力變化限速且整個流程達成穩態平衡后才能正常生產運行（例如開動FCC，在投料前讓催化劑活化及流化至運行狀態耗時約36小時左右），一個石化分廠不但開工時間長而且有專用的開工流程（管線）―費時、費料、耗能，正常運行后力求長時間穩定運行。然而，由于常處于高溫、高壓及易燃、易爆的環境，當發生事故或異常到需停車時必須停車，以短時的停車損失避免毀滅性災難，這時則仰仗于“消防隊”――ESD（緊急停車裝置）。
但是，ESD是把“雙刃劍”，在裝置投運之初或未能很好調整時，常會在不應停車時也會自動停車，例如國內在上世紀70年代末引進的13套大化肥的一段轉化爐的水碳比ESD就是如此，導致操作工常把其旁路“掛起”，如何解決這種“雙刃劍”的問題，就是石化生產（尤其在新的生產流程投運初期）面臨的實際問題，能避免意外停車，其實效要遠遠大于APC或優化項目。這個問題先不予解決，石化ERP就免提了吧。憶及吉林石化一廠爆炸所造成的影響及波及面，筆者將在后面議及預聯鎖時解決這個問題。
(4) 石化生產裝置（設備）是大容量的多維的分布參數對象
石化生產裝置（設備）常見的僅兩種―反應器和分離設備，它們大多都是大容量的、多維的分布參數對象。
石化生產中的化學反應除熱裂解、酸堿中和等反應之外，大多都是在催化劑作用下發生的。熱裂解反應有：石腦油在被過熱蒸汽霧化后被裂解成乙烯等烴類物質；減底渣油被10MP高壓、高溫的過熱蒸汽霧化后被10MP的高壓液態氧燃燒高達1500℃左右高溫被裂解為CO、H2及炭黑等。在催化劑作用下的大多是氣相反應，按催化劑使用的方式不同大致可分為三種：
(1) 固定床反應器，例如加氫裂化反應器，制乙苯的苯烴化反應器及乙苯脫氫制苯乙烯反應器，下面將述及的一段轉化爐反應器等；
(2) 流化床反應器，例如催化裂反應器（FCC），制備丙稀腈的反應器（其催化劑再生與反應在一個塔體內進行）等等；
(3) 高效催化劑納于產品之中的單體聚合反應，例如聚乙烯、聚丙烯等。
以固定床反應器為例，大多為圓筒型或直柱型；內填催化劑，反應物在催化劑顆粒內空間（產生吸附還是分子碰撞等至今尚未明確的微觀機理）發生化學反應變成產物的同時伴隨有熱量的轉移。這些產物與尚未反應的反應物沿固定床層下移的同時，未反應的反應物繼續在不同的濃度與溫度下繼續反應同時也產生反應熱（放熱或吸熱），直至出口。這樣，產物的濃度沿著床層下移逐漸積累而呈現為積分型反應（器）。然而，阿累尼斯方程表明：當產物隨床層的深入（增加）而增加和反應物濃度隨之降低的同時，其反應的推動力按指數型曲線減小，即反應速度也隨之下降，伴生的反應熱也發生相應的變化，致使反應溫度也沿床層變化而形成沿反應床層的軸向分布。此外，催化劑活性是其所處的溫度和實際空速的函數，亦即反應速度會受到實際的溫度與空速的影響而為函數關系，這種類似的“先有雞、還是先有蛋？”的爭論則難分伯仲。至少在反應床層沿徑向的空速（與物料負荷息息相關）也是不一樣，何況這還直接取決于催化劑裝填（亂堆）情況，致使沿床層徑向存在反應物、產物及反應溫度的分布。而催化劑在裝填入反應器內之后還要從鈍化狀態予以激活（一般約需24小時以上）后，其活性隨時間還有一個從上升到衰退的漸變過程。
就常見的，用液?汽相變實施的物質分離的塔器而言，其本身就是依靠從塔頂溫度到塔底溫度的由低至高的溫度變化，使低沸點的“輕”物質從頂（或上）部餾出，高沸點的“重”物質由底（下）部餾出。多側線的常、減壓分餾塔對本質是復雜的混合物的原油分餾就是依靠沿塔軸向（縱向或頂－底向）的不同溫度分布實施分餾的，唯一不同的是采用專用的浮閥塔盤，每塊塔盤上的各浮閥開啟程度隨物流的流量（或流速）而定，顯然有明顯的非線性特性。過去常見的用于二元精餾的泡罩、篩板等塔型現多被填料塔所取代。在填料塔中的填料基本上是亂堆的，這就造成流經填料的汽、液相物質接觸時所發生傳熱伴隨傳質的分離過程無以從微觀上逐一描述（例如，過去對二元精餾塔的逐板計算等），而只能從宏觀上安裝溫度計予以檢測。用填料取代固定型的塔板就是增加了被分離物質的汽、相接觸面積而易于分離，其沿塔的軸向的溫度分布是不言而喻的，而沿徑向的溫度分布肯定也是存在的，但難以說清楚，因為在亂堆的填料內及填料間的汽、液流動無以定量描述。
不言而喻，無論是發生物性變化的化學反應還是發生物態變化的物理分離或凈化、提純加工，如能對其餾出物進行組份控制則是最為理想的。然而，現在用的工業分析儀器大多難以長期進行在線的快速分析、檢測，故只能按其能予檢測到的溫度、壓力、流量、液（料）位予以間接控制；而且只能在有限位置安排若干個在一定條件下有代表的測點對這些參數進行檢測，諸如所謂熱點、敏點的溫度檢測。而據此測量點的測量值（集中參數的測量值）進行數學描述――數學模型。穩態條件下的這種數學模型就是APC或名校博導、教授們賴以進行“優化”的基礎；其動態條件下的數學模型常以“二階加純滯后”予以描述，例如，（下面擬描述的一段轉化爐）反應器的溫度（T）作為控制對象，其動態特性燃料量～反應器出口溫度之間動態特性常用拉氏變換式表示為：
其中，K為放大系數；T1、T2代表（反應器的出口溫度）容量滯后的時間常數；τ代表加熱燃料的變化至反應器出口溫度變化的）傳遞滯后，即純滯后。
顯然，K、T1、T2、τ既與反應器容量、反應物、產物的等容（壓）比熱、千克分子反應熱（吸熱）、生產負荷等密切相關，而且與燃料的發熱值與傳熱狀況息息相關，其與生產負荷呈現明顯的非線性，以致一般都有這樣概念：石化產品的單位產品能耗隨其產量的增加而降低。乙烯工業從14萬噸/年→30萬噸/年→60萬噸/年→90萬噸/年就是例證。
這種用集中參數來定量描述實質是多維的、時變的分布參數的對象，只能在一定條件下被無奈而差強人意地予以接受。但是，在筆者剛開始工作時，還是奉作“圣條”，在生產現場進行過影響生產的加階擾動的動態測試；雖然，后來改為用“偽隨機碼”對生產工況影響相對較小的動態測試，但發覺其對現場使用意義不大而不再進行何現場測試了。憑借現場經驗的積累和對石化生產本質的理解加深，僅是在確定方案比較及投運前的仿真演練時予以采用，其中K、τ、T1、T2都是根據具體（對象）設備予以假定，而絕不作為整定參數的依據。
石化流程以上的特點，大概在有關刊物和書籍中少有直接描述，筆者完全是憑多年的對石化生產的不斷理解予以描述。其中有關石化的對象大多是多維的分布參數對象的描述基本上出自于石化控制角度的審視結果。石化生產設備多為多維分布參數對象就是下面擬分析的石化APC或優化難以取得實效的主要原因。
6 石化APC或優化難以取得實效的原因及可能的對策
(1) 把實質上是多維的分布參數對象“無奈地”用集中參數對象予以描述，已經差強人意了！
(2) 有關APC或優化均是在穩態條件下成立的，實際的生產運行狀況是否常保持在穩定平衡的狀態下？這既涉及到實際生產設備的基礎控制是否平穩，也涉及到實際運行條件難以平穩在這些APC或優化軟件所能承受的波動范圍之內，（例如下面實例中要描述的一段轉化爐出口溫度控制）。前者涉及APC或優化的基礎條件是否具備并長久保持，后者則根本不具備APC或穩態優化的條件。
(3) 石化流程本身就是在一組假定條件（或狀態下）按優化指標予以設計的，只是在偏離這些假定條件下由APC或穩態優化尋找新的可控（可操作）的參數的工作點使之達到優化（或次優）指標。顯然，即使達到這種穩態優化狀態，其效益也是非常有限的。所以即使APC或穩態優化有所效益相對于多級負荷分配“抱西瓜”而言是“撿芝麻”。據此，一些“聰明”的教授、博導們在國家攻關項目中的收益大多是“0.5％”。低于0.5％則收效太小而爭取不到項目，高于0.5％則達不到而難以交帳；而不多不少0.5％是不會露“馬腳”的，因為工業計測儀表的精度多是0.5％，顯示不出實際收效也是精度范圍之外而可以蒙混過關！
(4) APC或優化軟件編制者對所描述的工藝對象是否有真正的理解與認知？例如，前面所述及的石化流程各工段或生產單元因內部存在關聯而應予以整體考慮，其工作量與研發范圍顯然要比單個設備（例如FCC的反應－再生部分）要大得多，不是一屆研究生所擔負得了的，而下一屆研究生不愿重復上一屆研究生的課題則是合理的慣例而情有可原。這當然難以取得實效了！某名校博導，“九五”期間曾獲得國家八位數投資的攻關項目――FCC優化項目，是否取得實效無以恭維，但只要觀察一下該煉廠FCC單元的回煉比有否降低及降低了多少，便直接得知有否實效了！
(5) 一些APC或優化軟件可能使用到多變量預估預測方法，但是歸根結底還是要使用現場設備所使用固定位置安裝的檢測儀表的實測數據。而前已述及當實際運行條件偏離原設計的條件較遠時，這些定點測量值本身就失去代表性而成為“瞎子點燈”了！可能會辯解說，有模型辨識與修正。對此，筆者奉勸一句話，不深入了解工藝，一切數學方法都會成為數學游戲！君不見，神經元網絡法曾鋪天蓋地充塞于幾乎所有有關刊物，現在似乎有點“偃旗息鼓”了。筆者對該方法稍作了解后，就得出這樣的結論：“在概念上，這是有反饋的最小二乘法。”居然得到剛畢業的博士助手的認同（約10年前）。總之，不深入了解具體工藝，一切APC和優化方法都是徒勞的。
綜上所述，可能給讀者諸君造成一個錯覺，認為筆者是在全盤否定石化APC及優化。非也，結合各企業的具體工藝條件并深入了解并認知以后逐一實施，在下面一節敘述的合成氨廠一段轉化爐的水碳比控制，三個廠家不同的具體條件就做了三種不同的方案予以處理，取得了實效。對于石化APC及優化要取得長久的實效，筆者認為應采取以下對策。
(1) 深入現場，徹底了解工藝，根據不同的工況，例如高、中、低負荷下（直接涉及決定催化劑活性的自變量之一的實際空速以及填料內、外的汽、液流速）的穩態數據逐一建立模型，并確定各自在穩態和某些參數動態波動下的適用范圍，屆時根據具體工況予以自動切換或人工切換，這也是ERP按多級負荷分配所要求的：按ERP決策，利潤大的產品對應的生產支流程可能滿負荷甚至超負荷，而利潤少甚或虧本的產品對應的生產支流程是低負荷甚至關停。至于根據模型的優化方法就勿須多言了。再一次強調：一是深入了解工藝，甚至比工藝人員還要深入；二是從一個工段或一套生產裝置整體考慮，例如FCC，不僅考慮反應一再生部分，后續的分離與穩定塔群等要一體考慮，因為考核其效益的“回流比”是直接取決于后者的返回量（回煉量）。顯然，工作的難度與重度要大許多，僅由研究生作“蜻蜓點水”下現場滿足其論文要求即可是無以交帳的！
(2) 建立一支專業隊伍。其中，現場的專業人員是主角，除負責日常維護之外，必須保證對應生產裝置長久平穩運行，這既必須對基本控制回路予以恰當處理，例如控制方案；也包括參數整定。相應的APC與優化軟件的維護與調整、操作，應盡可能吸收工藝技術人員參與。誠然，集團公司應聘一些既有真才實學、又有豐富現場經驗的石化“老把式”的專家作為顧問，隨時應下面企業的要求予以指導、處置。無疑，這就是[1]中所提及的“……帶出一支技術專業隊伍。”沒有這種專業技術人才作后援，再先進的技術也是難以持久的！成批買軟件交付下面使用能建立這種技術隊伍嗎？
7 實例
由烴類原料制H2的流程既常見于大型氨廠，也常見于石化廠的加氫裂解制H2。這種烴類原料在煉廠多為輕柴油，在化肥廠大多是天然氣或油田氣。這種制H2裝置在化肥廠通稱為一段轉化爐，之所以稱轉化爐是如圖1所示轉化反應器在爐子里；它是大型化肥廠的“心臟”，不但體積最大，而且13套大化肥引進時頻繁發生聯鎖跳車而波及正常生產。筆者先后在四川化工廠、大慶化肥廠及齊魯石化第二化肥廠成功地解決了這個問題。四川化工廠的原料是天然氣，成份比較穩定；大慶化肥廠則使用大慶油田的油田氣，成份也比較穩定；而齊魯二化雖使用勝利油田的油田氣，但油田常啟動冷凍裝置將其中的丙烷（
）抽走，而使至化肥廠的原料氣的有效含碳的濃度從102％→120％大幅度變化而困擾該廠正常生產運行。應廠家要求，筆者成功地解決了問題，詳情請見文獻[8]。這套水碳比預聯鎖智能型系統是1989年5月下旬正式投運的，一直平穩運行至今已達17年了，期間未曾發生過一次因水碳比值及透平103J的防喘振跳車，而每小時可節減4～5噸中壓（4MP）蒸汽，可以說是相當成功的吧！相反，同時投運的一段爐出口溫度（實際是轉化器集結管出口溫度）控制系統盡管采取了負荷前饋及燃料燃值計算等方法，卻常在780℃±8℃之間波動，難免差強人意。究其原因，恰恰驗證了6中的論述。
烷烴類與水蒸汽地轉化反應如下：
CH4(甲烷)＋H2O＋Q0(反應熱，吸熱)→CO＋3H2
C2H6(乙烷)＋2H2O＋2Q0(反應熱，吸熱)→2CO＋5H2
C3H8(丙烷)＋3H2O＋3Q0(反應熱，吸熱)→3CO＋7H2
工藝流程大致如下：脫硫后的油田氣經高壓透平壓縮機升壓至4.0MP后在匯合點與來自4.0MP的蒸汽管網的中壓蒸汽按要求的比例（水/碳比值）匯合后進入轉化爐管（排）。每根轉化爐管的內徑約12cm，長度15米，系特種高質合金鋼鑄成。每根轉化爐管內均裝填有催化劑，形成直柱式固定床反應器。每排有40根爐管，共有10排計400根爐管，共有11排火咀燃燒供熱，兩排火咀夾一排爐管；中間的每排火咀系頂、底兩排，火苗中心在頂層下（底上）的5米左右，全是人工手動（閥）調節。為充分利用熱量，一段轉化爐內（頂）有一輔助鍋爐產生11MP的高壓蒸汽驅動高壓透平壓縮機101J～103J（原料氣壓縮機），其泛汽供4.0MP左右的中壓蒸汽管網作全廠能源網之一，驅動泵、一段爐的原料之一的供汽（約占全廠用汽的1/3）以及尿素用汽（占總量的1/3）。這種蒸汽自產（半）自用的狀況構成了裝置內部的正反饋[8]。（因為按照物料衡算與熱量衡算，負荷量（油田氣kNm3/h）變化是作為出口溫度（串級）系統內環的燃料流量控制回路的前饋量予以引入的，當負荷量減小時其供熱量也相應減少而致產汽量也隨之減少！）。
一段轉化爐一般主要有兩個控制參數：一是入爐管的原料氣與水蒸汽形成的混和氣的水碳比值（公斤水分子/公斤碳原子），另一是轉化氣的出口溫度（圖1中的T）。初看起來，這是非常簡單的常規控制而無須“殺雞用牛刀”，但實際并非如此。曾列為上海十大青年科技精英的某博導、教授因在某廠現場導致水/碳比聯鎖動作而導致全廠停車的事故屬重大操作事故，當即被上報至石化總公司的總調度。
圖1 烴類原料制氫的一段轉化爐簡圖
轉化爐管內的催化劑對反應物的水/碳比值十分敏感。當這個比值（公斤水分子/公斤碳原子）≤1.5并維持7秒鐘以上時即聯鎖跳車（實際跳車聯鎖值≤2.5，是加上了后續脫碳CO+H2O→CO2＋H2的一個水分子）；否則，觸媒會被永久性結炭而板結成塊，不但其活性喪失，而且堵塞爐管，要用鋼釬逐一鑿通，其后果可想而知。從上面的轉化反應可知，1個甲烷只需1個水分子，而1個丙烷則需配3個水分子。對二化肥而言，油田的冷凍裝置的啟停是隨意而不通知的，其原料氣的有效碳含量（CO2除外，但占量極小）則隨機地在102％～120％之間波動。面對這種情況當按102%配蒸汽量時則一旦升至120%時會造成水碳比過低，不是脫碳缺水，就是可能導致聯鎖跳車；當按120%配蒸汽量時則不但能耗大增而且因反應爐管內的有效空間被蒸汽所占而影響產量。在廠方用一臺在線的工業色譜儀對混合氣的水/碳（比值）進行實時在線分析測量的前提下，筆者在深入了解工藝之后設計了一套“兼具預聯鎖的智能型水碳比值控制系統”[8]。其中，既包含了區分了標稱負荷（kNm3/h）和實際的質量流量的實際負荷（公斤碳原子/小時）的計算與加/減負荷時運用與實際水碳比值的計算,也包括了后續馳放氣中返氫量從脫硫后加至原料氣中予以等量扣除（因為返氫不參與一段轉化反應），致使當場人工取樣分析的水/碳（比值）與DCS所顯示的水/碳（比值）吻合至小數點后第二位，才得到廠方認可！這僅僅只解決了原料氣有效成份波動所帶來的問題。
圍繞一段轉化爐的水/碳（比值）的控制，原設計有三個聯鎖動作，
一是原料氣流量過低（因負荷低生產時能耗太大）的聯鎖；
二是原料氣壓縮機（103-J）的防喘振聯鎖；
三是入轉化爐管的混合氣之實測水/碳≤2.5且持續到7秒鐘的聯鎖動作。后者由原料氣有效含碳量大幅上升的誘發因素雖已按上述予以擺平；但是因4MP中壓蒸汽管網的壓力閃絡式下跌（例如，尿素啟動開車等突然使管網負荷大增而造成的如電網電壓樣的閃絡），致使在會合點（圖1中A），入爐蒸汽被仍是4.0MP的原料氣所堵擠而使入爐的水/碳比值迅速下降而誘發聯鎖跳車。這時就必須自動啟動預聯鎖方案，按[8]所述，當實際水/碳比值下降至2.7左右時，則自動減小原料閥（I）的開度，即減小全廠負荷（標稱），使閥I的壓降增大，直至在會合點A處的原料氣與蒸汽壓力相等使實測水/碳（比值）迅即回升為度。亦即，在正常狀況下，只調節蒸汽量而不動原料氣（閥）量，因為后者標志全廠的負荷，只有待水/碳（比值）因蒸汽網壓力突降而下降至聯鎖值前的預定點時才預先減小原料閥（I）的開度而避免聯鎖動作，這就是預聯鎖概念！可能是筆者率先提出并成功應用于現場。與此同時，還要考慮其它因素，例如，當此處實施預聯鎖而關小原料閥I時，速度不宜過快，否則會導致透平壓縮機103-J喘振跳車而前功盡棄；再者，原來的原料氣量過低的聯鎖應取消而永遠不用。可能有人會問，這會不會使一段轉化爐內部產生正反饋而導致熄火。一般不會！原因有是：一方面爐子的熱容量大，這種短時影響基本上被“濾”掉了；另外是中壓蒸汽管網的壓力閃絡式下跌是非常短暫的！
顯然，采用預聯鎖措施，可使ESD的“雙刃”變成“單刃”而不會被“掛起”了，吉林石化爆炸事件可免之。
一段爐出口溫度的平穩控制則差強人意，其原因是：
(1) 典型的分布參數對象；
(2) 缺乏檢測、控制手段，不但每根爐管內無法裝熱電偶，就連每一排（40根爐管）的集氣管都沒有檢測點，僅在總集氣管出口處有一熱電偶作測量及反饋變量；燃料控制僅供氣總管有流量及脫火/失火的控制之外，每排火咀全是手動閥由人工控制供氣量及火苗中心的高度。顯然，出口爐溫難以平穩是“巧婦難為無米之炊！”
齊魯二化的一段轉化的水/碳比的智能型預聯鎖控制完全取得成功歸因于以下幾點：
(1) 水/碳比值是一個集中參數而絕非分布參數；
(2) 對工藝的深入、徹底了解，尤其是標稱負荷與實際負荷的往返準確折算與返氫量扣除的精準計算；
(3) 現場的精心維護與保持。該廠現任儀表車間主任就是參與實施這套控制方案的，尤以中壓蒸汽流量單回路的參數整定，全是靠其擺平的。順便提及，這種管網的壓力波動將波及全廠，必須十分小心謹慎。
附帶告知，筆者當時是在化工部化工研究院與該廠簽訂的合同（僅4萬元），廠方認可后才付款的。相形之下，那些名校博導、教授們以石化優化項目為名從國家獲取8位數的經費卻在評審代表報到時送上簽名費而輕易過關，實效呢？又，由上面成批買軟件交下面使用，有這種效果嗎？
8 石化ERP應怎樣設計實施
見[1]。欲詳，“現場搭脈后，再開處方”。
后記：曾備受原東家歧視的筆者卻領受在全球500強排位較其少了個“0”的外國大公司投書求教，在[1]中曾坦言就建石化ERP技術統領一職愿響應國內外任何人挑戰，以答謝石化事業40多年的培育。沒能獲得機會，就以此文略盡綿薄；好在還有另一高新技術領域的混亂局面，有待“玉宇澄清”，以揚國威。
參考文獻：
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號