巴斯夫（中國）有限公司　肖建榮

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石化行業(yè)：卓越運營對自動化技術提出新要求

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)的自動化技術應用是最廣泛的，整個行業(yè)自動化水平是最先進的，當然行業(yè)自動化控制也是最復雜的，并且石化行業(yè)自動化管理也是最先進的。

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，為了適應市場變化，提高行業(yè)經濟效益，確保生產安全可靠運行，同時做好環(huán)境保護和節(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)面臨著嚴峻挑戰(zhàn)，如產能過剩，市場疲軟、效益下滑、投資萎縮、生產安全、環(huán)境保護、節(jié)能減排等。因此，石化行業(yè)需要適應市場變化，積極創(chuàng)新，走出行業(yè)低迷，加入國際先進石化工廠的發(fā)展行列。

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

（1）采用數字化儀表，建立數字信號傳輸與控制；

（2）采用中央控制，建立工廠生產管理與控制中心；

（3）采用生產運營系統(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，建立生產自動化和管控一體化；

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

3　石化行業(yè)卓越運營對自動化技術提出新要求

面對市場競爭壓力，企業(yè)要提高效益，節(jié)省成本，達成目標，實現(xiàn)跨越式發(fā)展，石化行業(yè)開始采用卓越運營模式。自動化技術在現(xiàn)代石化行業(yè)卓越運營中發(fā)揮關鍵作用；同時，石化行業(yè)卓越運營對自動化技術提出許多新的要求，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)信息化經營管理的基礎。

工廠信息管理系統(tǒng)（PIMS）是工業(yè)控制系統(tǒng)與信息技術系統(tǒng)相結合的系統(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信息，形成安全可靠的實時數據庫，填補企業(yè)經營管理系統(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)網絡環(huán)境下的實時數據采集、實時流程查看、實時趨勢瀏覽、報警記錄與查看、開關量變位記錄與查看、報表數據存貯、歷史趨勢存貯與查看、生產過程報表生成、生產統(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)的網絡集成、綜合管理，使管理層能夠及時、準確地了解生產情況，發(fā)現(xiàn)生產中的問題，并為先進控制軟件提供應用平臺。它使得辦公室和生產現(xiàn)場的信息溝通變得方便快捷，是企業(yè)信息化建設中不可缺少的組成部分。

經過多年的開發(fā)應用，工廠信息管理系統(tǒng)已廣泛應用于石油化工行業(yè)中。為了實現(xiàn)節(jié)能高效生產，同時加強公司內部管理，許多企業(yè)從建廠初期就十分注重信息化建設，準備組織實施多套計算機應用軟件系統(tǒng)，包括生產信息管理、辦公自動化（OA）、企業(yè)資源計劃（ERP）等。在生產信息管理應用上要求實現(xiàn)生產實時數據采集與發(fā)布、能源計量管理、設備管理、庫存管理等功能，從而達到生產信息的綜合處理，構成公司的綜合生產信息管理系統(tǒng)。

目前市面上出現(xiàn)的工廠信息管理系統(tǒng)產品較多，有國外產品，也有國內產品。國外的主要產品有：OSI公司的PI，Aspen公司的InfoPlus，Honeywell公司的PHD,Instep公司的eDNA等；國內主要的產品有：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）針對各生產裝置和主要職能部門的不同應用需求及業(yè)務流程，分為實時生產信息集成系統(tǒng)和生產管理應用系統(tǒng)兩大部分。

（1）實時生產信息集成系統(tǒng)

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

（2）生產管理應用系統(tǒng)

生產管理應用功能是生產信息管理系統(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管理報表系統(tǒng)中；然后根據廠內各個主要生產職能部門的工作業(yè)務情況對每個生產職能部門開發(fā)相應的管理模塊。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：生產管理；能源管理；設備管理；庫存管理和質量分析（基于LIMS數據信息）。

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)數據信息的需求會不斷增多。只有通過這些數據信息的創(chuàng)新應用，建立企業(yè)決策、生產管理的信息化，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，需要保證生產控制穩(wěn)定運行、產品質量合格。因此，石化行業(yè)卓越運營對生產裝置自動控制提出了更高的要求。

目前，生產裝置自動控制優(yōu)化主要采用控制回路性能優(yōu)化、回路調節(jié)優(yōu)化和先進控制技術（Advanced Process Control，APC）。

（1）控制回路性能優(yōu)化

根據相關工業(yè)數據顯示，對大多數工廠而言，僅有1/3的控制回路功能正常，而其它2/3的控制回路產生過多的報警、工藝擾亂、降低產品質量、增加操作人員工作負荷等。

因此，加強控制回路性能管理，可以通過減少操作人員干預而有效拓展保護，可以通過減少生產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，每個工廠可以根據各自特點進行，也可以在市場上找到一些成熟的軟件。

（2）回路調節(jié)優(yōu)化

對大多數工廠而言，2/3的控制回路功能不太正常，亦或是未按設計運行。并且有相當部分回路處于手動運行模式，需依靠操作人員進行手動調整。如此，很容易導致不正常的工況和系統(tǒng)的不穩(wěn)定，從而對工藝安全、效率和利潤產生不利影響。

因此，加強控制回路調節(jié)管理，可以找出回路調節(jié)性能不好的根源，可以減少采用試誤法所耗費的時間，可以調節(jié)長期性能、設定點響應和拒絕干擾，可以測試新調節(jié)回路的設定值，還可以存檔供將來參考。同樣地，回路調節(jié)優(yōu)化，每個工廠可以根據各自特點進行，也可以在市場上找到一些成熟的軟件。

（3）先進控制技術（APC）

先進過程控制技術是具有比常規(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，甚至無法控制的復雜工業(yè)過程控制問題。

先進過程控制技術采用科學、先進的控制理論和控制方法，以工藝控制方案分析和數學模型計算為核心，以計算機和控制網絡為信息載體，充分發(fā)揮DCS和常規(guī)控制系統(tǒng)的潛力，保證生產裝置始終運轉在最佳狀態(tài)，以獲取最大的經濟效益。

先進過程控制技術可分為三大類：

?經典的先進控制技術：變增益控制、時滯補償控制、解耦控制、選擇性控制等。

?現(xiàn)今流行的先進控制技術：模型預測控制（MPC）、統(tǒng)計質量控制（SQC）、內模控制（IMC）、自適應控制、專家控制、神經控制器、模糊控制、最優(yōu)控制等。

?發(fā)展中的先進控制：非線性控制以及魯棒控制等。

石化行業(yè)，作為流程工業(yè)，是最早采用先進過程控制技術的行業(yè)。目前市場中主流的先進過程控制技術產品有很多種，但是在整個行業(yè)內呈現(xiàn)運用不廣、投用率低的情況?？梢灶A見，先進過程控制技術在石化行業(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，同時需要生產控制系統(tǒng)穩(wěn)定且可靠運行，保證產量和產品質量。因此，對生產裝置自動化設備及系統(tǒng)可靠性提出更高的要求。

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

做好自動化設備及系統(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）理解各種自動化設備及系統(tǒng)的生命周期；

（4）開展預防性維修工作；

（5）做好各種自動化設備及系統(tǒng)的可靠性分析工作。

自動化設備及系統(tǒng)的可靠性受到業(yè)內越來越多的重視，針對工業(yè)自動化設備及系統(tǒng)的可靠性問題，雖然在行業(yè)內還沒有統(tǒng)一、完整、成體系的可靠性算法和標準可循，但是國內外機構已開始合作研究制定相關標準。

3.4功能安全要求更深

石化行業(yè)卓越運營，同時需要生產控制安全可靠運行，保證人身和設備安全。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識，“功能安全”越來越多地受到廣大企業(yè)的關注，特別是石化行業(yè)，對控制系統(tǒng)的要求非常嚴格，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)界廣泛認知并運用，而“功能安全”中的機械安全才開始進入人們的視野。

（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險，保證人身和財產安全，保護環(huán)境，采用安全儀表系統(tǒng)（SIS）控制。石化行業(yè)“功能安全”中的工藝安全設計，根據IEC61508和IEC61511這兩個標準，經過危險和風險分析環(huán)節(jié)，將其作為后續(xù)設計的依據，采用SIS的設計，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計階段、集成調試及驗收測試階段和操作維護階段。工作大致包括工程方案設計，過程危險分析與評估，保護層的安全功能分配，安全完整性等級評估與審查，安全儀表系統(tǒng)技術要求，安全儀表系統(tǒng)工程設計，安全儀表系統(tǒng)集成、調試及驗收，安全儀表系統(tǒng)運行、維護與變更，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，為工藝安全保駕護航。

（2）功能安全-機械安全

機械安全早已存在，在鋸床、壓縮機、拋丸機、行車、汽車生產線等行業(yè)中都有廣泛運用，有效提升了這些行業(yè)相關生產設備的安全水平。用于提供安全功能的機器控制系統(tǒng)部件稱為控制系統(tǒng)有關安全部件（SRP/CS），它們由硬件和軟件組成，既可獨立于機器控制系統(tǒng)，也可成為機器控制系統(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”中的機械安全采用性能等級（PL）概念，由ISO13849提出，適用于機械安全。針對機械設備安全要求中的5種典型結構（B、1、2、3、4），又根據每種結構采用的危險失效時間（MTTF）和診斷覆蓋率（DC）的值不同，分別對應了PL等級a、b、c、d、e，其分析方法沿用了EN954的方法。機器的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。

根據國家標準規(guī)定，機械安全控制系統(tǒng)設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）；設計安全控制回路；將設計的控制回路達到的PL與安全功能所需的PLr進行比較，如果PL≥PLr，即滿足設計要求。

機械安全控制系統(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計階段、集成調試及驗收測試階段和操作維護階段。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，為生產機械安全保駕護航。

4　結束語

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)的生產效率和產品質量；工業(yè)控制系統(tǒng)可靠性，有助于石化行業(yè)的生產穩(wěn)定和產品質量；功能安全控制系統(tǒng)，加強石化行業(yè)的生產安全。這些自動化技術的運用，必將提升石化行業(yè)的經營管理，從而實現(xiàn)現(xiàn)代石化行業(yè)的卓越運營。

同時，我們也應該認識到，石化行業(yè)正朝著數字化、網絡化和全球化方向發(fā)展，石化行業(yè)的卓越運營管理水平將提升至新層次，相應地，石化行業(yè)的卓越運營管理對自動化技術的要求將不斷提高。因此，自動化技術需要創(chuàng)新發(fā)展，實現(xiàn)石化行業(yè)的卓越運營，促進現(xiàn)代石化行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展。

參考文獻：

[1]李勤.全方位強化機械安全標準化——助力《中國制造2025》[J].自動化博覽,2015,(z1).

[2]GB/T 50770-2013石油化工安全儀表系統(tǒng)設計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2013.

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計、調試、運行維護工作，先后完成多個國內、國際項目的工程設計、調試工作。

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

關鍵詞：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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