王 冬

（中海瀝青股份有限公司，山東 濱州 256600）

從1870 年德國(guó)黑馬公司首套SIS 系統(tǒng)投產(chǎn)以來(lái)，石油化工生產(chǎn)控制系統(tǒng)始終處于不斷發(fā)展之中[1]。當(dāng)前，我國(guó)石油化工行業(yè)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)，90%以上的企業(yè)引入過(guò)程控制系統(tǒng)，PID 等先進(jìn)控制方案大量應(yīng)用在石油化工裝置中。石油化工行業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中條件較為復(fù)雜，高溫、低溫和高壓工況多，原料與工程設(shè)計(jì)難以和實(shí)際工程相符。為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化技術(shù)的最優(yōu)解，傳統(tǒng)電磁繼電器已逐漸被安全性更高、測(cè)量更精確、操作更智能的新技術(shù)所取代。智能儀表不僅精度更高，功能多樣化，具有自我診斷和監(jiān)控功能，能夠與控制系統(tǒng)通信，而且操作維護(hù)更加方便，智能化程度更高，與PLC 等技術(shù)相結(jié)合。智能控制技術(shù)的應(yīng)用讓儀表功能大大延伸，從傳統(tǒng)記錄、診斷和監(jiān)測(cè)功能擴(kuò)張到生產(chǎn)管理、經(jīng)營(yíng)管理和系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程智能化管理，推動(dòng)石油化工行業(yè)數(shù)字化升級(jí)轉(zhuǎn)型。

1 智能控制技術(shù)在石油化工儀表自動(dòng)化應(yīng)用中的價(jià)值

1.1 有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化管理

基于大數(shù)據(jù)的智能控制技術(shù)具有動(dòng)態(tài)性、多率性、層次性特點(diǎn)，大量應(yīng)用數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)處理等技術(shù)讓工業(yè)數(shù)據(jù)成為儀表控制的核心。將DCS、PLC、SIS、GDS 等系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳，形成系統(tǒng)的智能工廠大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、服務(wù)和管理標(biāo)準(zhǔn)化，通過(guò)數(shù)據(jù)歸集、共享和管理，以制定特定環(huán)境下的問(wèn)題解決方案，實(shí)現(xiàn)輔助決策、優(yōu)化執(zhí)行等功能[2]。并且應(yīng)用在線優(yōu)化控制、傳感器技術(shù)、設(shè)備故障診斷、自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)、在線生產(chǎn)調(diào)度、自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用，使儀表工作范圍延伸，在石化生產(chǎn)全部環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化管理。

1.2 有利于建立協(xié)同化設(shè)計(jì)架構(gòu)

對(duì)石化項(xiàng)目研究結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)問(wèn)題引發(fā)的質(zhì)量問(wèn)題占比超過(guò)80%，成本增加超過(guò)10%。石油化工項(xiàng)目?jī)?nèi)容綜合而復(fù)雜，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)全過(guò)程，具有高度組織性和技術(shù)復(fù)雜性。因此，需要可操作、可量化和高度智能化的儀表進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。SIS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、安全儀表技術(shù)、FGS 布點(diǎn)技術(shù)、無(wú)線技術(shù)、SIL 評(píng)估技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)設(shè)計(jì)工作有深入影響，有利于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部設(shè)計(jì)連續(xù)化、數(shù)字化，其設(shè)計(jì)以智能儀表平臺(tái)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理平臺(tái)和智能三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。

1.3 有利于實(shí)現(xiàn)智能化管理

通過(guò)智能閥門、變送器、新儀表、新技術(shù)和智能工廠信息系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)智能工廠的數(shù)據(jù)化管理，打造安全環(huán)保、精準(zhǔn)智能的平臺(tái)。以自感知、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)的智能化管理，融合石油化工工藝、自控、電信等專業(yè)技術(shù)，采用先進(jìn)軟件系統(tǒng)和硬件設(shè)備，打造多學(xué)科和多專業(yè)繼承的應(yīng)用平臺(tái)。通過(guò)PLC 等可編程技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和儀表實(shí)現(xiàn)智能控制，大大地提高計(jì)算精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和高效應(yīng)用，為石化生產(chǎn)提供依據(jù)。智能儀表也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)故障的自動(dòng)診斷和精準(zhǔn)定位，無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間檢修即可以對(duì)故障進(jìn)行快速診斷，大大地提升生產(chǎn)效率[4]。

2 當(dāng)前智能控制技術(shù)在石化儀表自動(dòng)化應(yīng)用中存在的問(wèn)題

2.1 智能化水平有待提高

石油化工生產(chǎn)智能化水平仍需要進(jìn)一步提高，傳統(tǒng)工業(yè)繼電器搭建的系統(tǒng)不方便檢修和維護(hù)，而且智能化程度不高，依賴線路排查，一旦產(chǎn)生故障很難進(jìn)行處理。儀表仍然獨(dú)立于控制和操作系統(tǒng)，沒(méi)有上升到綜合智能化控制的高度，與控制系統(tǒng)的聯(lián)系不夠緊密。無(wú)論是目前的溫度儀表、壓力儀表、液位儀表等測(cè)量?jī)x表，還是計(jì)量級(jí)流量?jī)x表及分析儀表等先進(jìn)設(shè)備，其智能化程度都難以滿足實(shí)際工程需求[5]。由于自動(dòng)控制系統(tǒng)需要精確的數(shù)學(xué)模型，但石化生產(chǎn)中很多狀況都是非線性問(wèn)題，無(wú)法精準(zhǔn)建模，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，其穩(wěn)定性也相對(duì)較差。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的發(fā)展雖然適用于多變量系統(tǒng)，但是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還不夠完善，比如鉆井套管腐蝕評(píng)價(jià)和材料篩選等方面控制還不夠完善。由于傳感器檢測(cè)水平有限，導(dǎo)致儀表精度較差。由于智能控制一般是采用專家離線制定算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，而規(guī)則又不完善，導(dǎo)致感知水平較低。在知識(shí)如何表達(dá)方面，目前研究水平也相對(duì)較低。機(jī)器學(xué)習(xí)能力主要依靠數(shù)據(jù)庫(kù)，其方法較為單一，自適應(yīng)能力較差。在控制系統(tǒng)方面，控制能力也有待提升，控制手段還不夠完善。

2.2 儀表應(yīng)用效果較差

盡管石油化工儀表在理論、技術(shù)和工程實(shí)踐中都取得飛速發(fā)展，但是在具體應(yīng)用中存在評(píng)估不夠科學(xué)、設(shè)計(jì)不夠合理、系統(tǒng)性能力差、結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)缺陷等問(wèn)題。比如SIS 系統(tǒng)應(yīng)用效果仍有提升空間，F(xiàn)GS 工程技術(shù)在火氣系統(tǒng)如何評(píng)估缺乏規(guī)范，火氣探頭布置不合理，設(shè)備維護(hù)管理不完善等。在具體應(yīng)用中，還存在以下問(wèn)題：安裝方案的科學(xué)性不足，導(dǎo)壓管存在滴漏現(xiàn)象，儀表位置等與周圍管道存在沖突，儀表測(cè)量不準(zhǔn)，儲(chǔ)罐和相關(guān)設(shè)備分散，閥門控制不穩(wěn)，電纜盒達(dá)到裝載上限，設(shè)備噪聲大，儀表機(jī)柜間I/O 點(diǎn)影響統(tǒng)一操作。隨著監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)增多，傳統(tǒng)有線監(jiān)測(cè)方式檢修維護(hù)不方便、對(duì)空間需求較大，以及改建工程費(fèi)用較高等問(wèn)題也凸顯出來(lái)[6]。無(wú)線方案的節(jié)能設(shè)計(jì)較差、能耗偏高等問(wèn)題也較為突出，而且受到的干擾較大。由于自動(dòng)化程度沒(méi)有達(dá)到作業(yè)需求，也就造成操作復(fù)雜和“用戶體驗(yàn)”不佳，以及設(shè)計(jì)不滿足用戶需求等問(wèn)題?？傮w來(lái)說(shuō)，常規(guī)的壓力儀表誤差較大，測(cè)試精度較低，比如溫度儀表主要依靠熱敏電阻活傳熱介質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，受到介質(zhì)影響較大。

2.3 系統(tǒng)控制能力較弱

操作系統(tǒng)存在漏洞，容易受到攻擊，通信協(xié)議存在隱患，尤其是國(guó)產(chǎn)軟件自主研發(fā)能力較弱，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)水平仍然需要提升。目前大多石油化工操作系統(tǒng)以Windows 系統(tǒng)為主，與控制系統(tǒng)兼容性差，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，往往不能滿足實(shí)際工作需要。各類組態(tài)監(jiān)控軟件主要是依靠系統(tǒng)的自帶服務(wù)，如果系統(tǒng)因?yàn)楸罎?、不穩(wěn)定或外在攻擊導(dǎo)致服務(wù)損壞，監(jiān)控軟件就面臨失效風(fēng)險(xiǎn)[7]。目前在石油化工通信中，以TCP/IP 應(yīng)用較為廣泛，作為開(kāi)放式協(xié)議，與外界隔離性較差，擴(kuò)大了木馬和病毒擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)，依賴殺毒軟件庫(kù)不斷更新的方式已難以適應(yīng)現(xiàn)代石油化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展，不利于建立終端安全防御體系，比如一旦燃油輸送管線找到網(wǎng)絡(luò)攻擊，就要被迫停運(yùn)，從而嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全。

3 智能控制技術(shù)在石油化工儀表自動(dòng)化中的應(yīng)用路徑

3.1 應(yīng)用智能化工廠技術(shù)

計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用使石化儀表自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)重大突破，從傳統(tǒng)控制逐漸向智能化控制轉(zhuǎn)型，建立起以全面控制為目標(biāo)的綜合控制系統(tǒng)。智能系統(tǒng)可根據(jù)約束條件來(lái)獲得次優(yōu)解。為提升智能化控制水平，需要不斷地對(duì)算法和規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化。比如，可采用分級(jí)遞階智能控制方案，分別通過(guò)組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)、執(zhí)行級(jí)進(jìn)行決策，滿足復(fù)雜系統(tǒng)中多級(jí)自尋優(yōu)控制的要求；也可采用模糊系統(tǒng)控制方法，以適應(yīng)非線性環(huán)境下難以建立數(shù)學(xué)模型，使用方便、程序短、速度快、可靠性高等要求；還可以采用專家系統(tǒng)控制，融合工程控制論和專家的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，與PID 控制器等應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，制定較為簡(jiǎn)單的控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)、診斷和處理[8]。這樣就能夠保證石化儀表系統(tǒng)的可靠性、連續(xù)性、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、靈活性及抗干擾性。針對(duì)石化生產(chǎn)的非線性特征，可應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，充分利用仿生學(xué)原理，模仿人的感知、學(xué)習(xí)、判斷、記憶、決策功能，這樣更能發(fā)揮容錯(cuò)能力和數(shù)據(jù)處理能力，對(duì)于多變量系統(tǒng)的適應(yīng)性更強(qiáng)。實(shí)際工作中，可利用C 語(yǔ)言進(jìn)行編程，面向?qū)ο缶幹埔?guī)則，實(shí)現(xiàn)智能控制的目的，但在實(shí)際工作中對(duì)于專家意見(jiàn)仍需要大量采納。加強(qiáng)自控設(shè)計(jì)，不斷提升石油化工的智能化和自動(dòng)化生產(chǎn)水平，同時(shí)要對(duì)老舊工廠進(jìn)行智能化改造，逐步實(shí)現(xiàn)工廠數(shù)字化的轉(zhuǎn)型。

3.2 提升儀表的可靠性

要加強(qiáng)硬件配置，壓力儀表方面，在高黏度原油壓力測(cè)試中可采用帶標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的隔膜式儀表，將精度控制在1.5 之內(nèi)，也可使用法蘭片式壓力傳動(dòng)裝置或者數(shù)字壓力調(diào)節(jié)器進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。溫度儀表方面，要盡可能擴(kuò)大溫度測(cè)量范圍，儀表測(cè)量范圍應(yīng)該在-80℃～1000℃以上，同時(shí)確保其與受檢介質(zhì)的接觸。液位控制儀表方面，應(yīng)設(shè)計(jì)人機(jī)界面，全面顯示工作狀況，提升操作便捷度。人機(jī)界面可以結(jié)合分散式控制系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分離，顯示遙控儀表，對(duì)于異常情況，及時(shí)報(bào)警。要不斷使用新材料和新技術(shù)，提升產(chǎn)品的耐環(huán)境能力，在內(nèi)部安裝防毒害單元，提高其耐高壓、耐高溫、耐低溫、抗腐蝕性等[9]。不斷推動(dòng)機(jī)械設(shè)備的小型化、無(wú)線化、多功能化，盡量使用本質(zhì)安全儀表、紅外線氣體分析儀、多功能儀表、氧化鋯分析儀表、光通訊儀表、在線分析儀表、無(wú)線儀表、在線PH 計(jì)、多項(xiàng)流量測(cè)量?jī)x表、節(jié)能和儲(chǔ)能儀表、非接觸式儀表等。儀表應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，有取樣能力和操控能力，能夠根據(jù)生產(chǎn)條件進(jìn)行調(diào)整。使用先進(jìn)的軟件工具，通過(guò)優(yōu)化接口管理，實(shí)現(xiàn)儀表信息的線上化、數(shù)字化，應(yīng)用在線模擬及仿真等技術(shù)提升其決策能力，更好地預(yù)測(cè)和識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)。充分利用數(shù)字化虛擬工廠進(jìn)行設(shè)計(jì)，降低工作強(qiáng)度，提升模擬準(zhǔn)確性。

3.3 提升控制系統(tǒng)的能力

應(yīng)用總線控制系統(tǒng)（FCS），通過(guò)一條總線連接多臺(tái)儀表，同時(shí)具有計(jì)算、控制等功能，既節(jié)能電纜又簡(jiǎn)化程序。通過(guò)FCS 系統(tǒng)還可以對(duì)石化設(shè)備進(jìn)行智能控制和管理，并且對(duì)整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，將設(shè)備狀態(tài)、診斷、量程校核等數(shù)據(jù)傳送給控制系統(tǒng)，對(duì)智能儀表進(jìn)行管理和協(xié)調(diào)。使用監(jiān)控技術(shù)，將風(fēng)險(xiǎn)防患于未然，讓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更為精確，讓操作人員更加全面地了解操作數(shù)據(jù)。這需要構(gòu)建完整的監(jiān)測(cè)體系，監(jiān)測(cè)石化生產(chǎn)全過(guò)程，確保生產(chǎn)過(guò)程能夠有序進(jìn)行。同時(shí)要引入自動(dòng)化修復(fù)技術(shù)，自動(dòng)化儀表發(fā)現(xiàn)問(wèn)題之后，可以自動(dòng)進(jìn)行修復(fù)。使用PID 技術(shù)進(jìn)行控制，對(duì)儀表進(jìn)行精確控制，檢測(cè)數(shù)據(jù)中存在的問(wèn)題，通過(guò)比例控制可以實(shí)現(xiàn)自由調(diào)節(jié)，降低錯(cuò)誤概率，減少系統(tǒng)波動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)可采用有線和無(wú)線通信結(jié)合的方式，減少維護(hù)和巡檢工作，實(shí)現(xiàn)全面設(shè)備管理[10]。

3.4 加強(qiáng)數(shù)字化人才培養(yǎng)

培養(yǎng)高端技術(shù)人才和復(fù)合型人才，尤其是要培養(yǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型崗位上的專業(yè)人才，提升崗位專業(yè)性。在新技術(shù)應(yīng)用中要有相應(yīng)的指導(dǎo)文件和人員培訓(xùn)，逐漸形成標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)方法，克服技術(shù)薄弱的環(huán)節(jié)，讓技術(shù)人員能夠及時(shí)應(yīng)用新技術(shù)，比如，儀表槽板和設(shè)備的安裝條件、三維模型技術(shù)的應(yīng)用、新技術(shù)和新軟件的應(yīng)用等。技術(shù)人員還應(yīng)該了解模型審查工作，崗位工作如何統(tǒng)籌，更為重要的是轉(zhuǎn)變工作理念，建立智能化和數(shù)字化管理意識(shí)。在生產(chǎn)中，也可使用機(jī)器人逐漸代替人力進(jìn)行石油化工生產(chǎn)和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，降低人力成本，逐步實(shí)現(xiàn)儀表應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化，這樣也能夠彌補(bǔ)技術(shù)人員專業(yè)素質(zhì)差距所帶來(lái)的測(cè)量精確問(wèn)題。在提升人員專業(yè)技能的同時(shí)要建立備件臺(tái)賬，明確物料消耗清單，加強(qiáng)投運(yùn)前管理，強(qiáng)化維護(hù)和檢查工作。同時(shí)，更要注重培養(yǎng)三維模型設(shè)計(jì)人才，通過(guò)三維模型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可視化管理，確保信息更加準(zhǔn)確，避免技術(shù)交底環(huán)節(jié)的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

在石化儀表自動(dòng)化應(yīng)用中，要不斷應(yīng)用新理論、新知識(shí)與新技術(shù)，結(jié)合控制理論、系統(tǒng)論和信息論，做好監(jiān)測(cè)、管理和控制工作，推動(dòng)石油化工生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的智能化和數(shù)字轉(zhuǎn)型。