摘要：本文闡述石化行業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、工業控制系統控制優化、工業控制系統可靠性、功能安全控制系統等自動化技術。理解和運用這些自動化技術，為石化行業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（PIMS）；控制優化；自動化可靠性；功能安全；工藝安全；機械安全

1　引言

眾所周知，由于石化行業工藝控制、安全控制及企業管理要求，石化行業的自動化技術應用是最廣泛的，整個行業自動化水平是最先進的，當然行業自動化控制也是最復雜的，并且石化行業自動化管理也是最先進的。

隨著工業化與信息化的深度融合，石化行業已率先進入工業信息化時代，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，提高行業經濟效益，確保生產安全可靠運行，同時做好環境保護和節能減排，實現行業的可持續性發展，石化行業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　石化行業自動化現狀

目前，石化行業面臨著嚴峻挑戰，如產能過剩，市場疲軟、效益下滑、投資萎縮、生產安全、環境保護、節能減排等。因此，石化行業需要適應市場變化，積極創新，走出行業低迷，加入國際先進石化工廠的發展行列。

石化行業的自動化歷經幾十年的不斷發展，其現狀可以概括如下：

（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（MES）、工廠信息管理系統（PIMS）、分散型控制系統（DCS）、安全儀表系統（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（PIMS）、生產運營系統（MES），建立數字化和信息化生產運營。

3　石化行業卓越運營對自動化技術提出新要求

面對市場競爭壓力，企業要提高效益，節省成本，達成目標，實現跨越式發展，石化行業開始采用卓越運營模式。自動化技術在現代石化行業卓越運營中發揮關鍵作用；同時，石化行業卓越運營對自動化技術提出許多新的要求，主要表現在信息管理要求更多、控制優化要求更高、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（PIMS）是石化行業信息化經營管理的基礎。

工廠信息管理系統（PIMS）是工業控制系統與信息技術系統相結合的系統，是新型的工業信息系統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，填補企業經營管理系統和工業控制系統之間的信息鴻溝，并實現了企業網絡環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、生產統計報表生成等功能，從而實現企業過程控制系統與信息系統的網絡集成、綜合管理，使管理層能夠及時、準確地了解生產情況，發現生產中的問題，并為先進控制軟件提供應用平臺。它使得辦公室和生產現場的信息溝通變得方便快捷，是企業信息化建設中不可缺少的組成部分。

經過多年的開發應用，工廠信息管理系統已廣泛應用于石油化工行業中。為了實現節能高效生產，同時加強公司內部管理，許多企業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，包括生產信息管理、辦公自動化（OA）、企業資源計劃（ERP）等。在生產信息管理應用上要求實現生產實時數據采集與發布、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。

目前市面上出現的工廠信息管理系統產品較多，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（PIMS）針對各生產裝置和主要職能部門的不同應用需求及業務流程，分為實時生產信息集成系統和生產管理應用系統兩大部分。

（1）實時生產信息集成系統

工廠信息管理系統的實時生產信息集成系統基于工廠信息管理系統實時數據庫。PIMS系統主要實現的功能包括：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

生產管理應用功能是生產信息管理系統的重要組成部分。為實現系統的集成統一，先將PIMS中WEB發布的實時信息流程引入到生產管理報表系統中；然后根據廠內各個主要生產職能部門的工作業務情況對每個生產職能部門開發相應的管理模塊。同時，為了便于整個報表系統的管理，還針對整個系統和各模塊的一些重要信息開發后臺管理模塊，主要實現的功能包括：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，石化行業運營管理對工廠信息管理系統數據信息的需求會不斷增多。只有通過這些數據信息的創新應用，建立企業決策、生產管理的信息化，才能提高運作效率，實現行業的卓越運營。

3.2　控制優化要求更高

石化行業卓越運營，需要保證生產控制穩定運行、產品質量合格。因此，石化行業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化主要采用控制回路性能優化、回路調節優化和先進控制技術（Advanced Process Control，APC）。

（1）控制回路性能優化

根據相關工業數據顯示，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，以及快速找出表現欠佳的工廠區域和單元。控制回路性能的優化，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）回路調節優化

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的不穩定，從而對工藝安全、效率和利潤產生不利影響。

因此，加強控制回路調節管理，可以找出回路調節性能不好的根源，可以減少采用試誤法所耗費的時間，可以調節長期性能、設定點響應和拒絕干擾，可以測試新調節回路的設定值，還可以存檔供將來參考。同樣地，回路調節優化，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單回路PID控制有更好控制效果的控制策略統稱，專門用來處理那些采用常規控制效果不好，甚至無法控制的復雜工業過程控制問題。

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，充分發揮DCS和常規控制系統的潛力，保證生產裝置始終運轉在最佳狀態，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。

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

發展中的先進控制：非線性控制以及魯棒控制等。

石化行業，作為流程工業，是最早采用先進過程控制技術的行業。目前市場中主流的先進過程控制技術產品有很多種，但是在整個行業內呈現運用不廣、投用率低的情況。可以預見，先進過程控制技術在石化行業運用會越來越多。

3.3　可靠性要求更強

石化行業卓越運營，同時需要生產控制系統穩定且可靠運行，保證產量和產品質量。因此，對生產裝置自動化設備及系統可靠性提出更高的要求。

石化行業生產裝置自動化設備及系統比較復雜，現場儀表設備種類繁多，分布式控制系統（DCS）、安全儀表系統（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可靠運行，具有一定的挑戰。

做好自動化設備及系統可靠性，建議注意以下幾點：

（1）選擇高可靠性的自動化設備及系統；

（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的可靠性分析工作。

自動化設備及系統的可靠性受到業內越來越多的重視，針對工業自動化設備及系統的可靠性問題，雖然在行業內還沒有統一、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的關注，特別是石化行業，對控制系統的要求非常嚴格，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“功能安全”中的工藝安全已為業界廣泛認知并運用，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“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，保護環境，采用安全儀表系統（SIS）控制。石化行業“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節，將其作為后續設計的依據，采用SIS的設計，滿足實際的需要。

石化行業功能安全系統，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，安全儀表系統技術要求，安全儀表系統工程設計，安全儀表系統集成、調試及驗收，安全儀表系統運行、維護與變更，安全儀表系統周期性測試，安全儀表系統停用等。石化行業功能安全的不斷推廣運用，必然會向更深層次發展，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、汽車生產線等行業中都有廣泛運用，有效提升了這些行業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部件稱為控制系統有關安全部件（SRP/CS），它們由硬件和軟件組成，既可獨立于機器控制系統，也可成為機器控制系統的一部分。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。

根據國家標準規定，機械安全控制系統設計方法主要包括三個步驟：確定安全控制系統所需的性能等級（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，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的做法，但有不同的評估方法和控制系統實施。

“功能安全”中的機械安全在石化行業的推廣運用，必然會向新層次發展，為生產機械安全保駕護航。

4　結束語

工廠信息管理系統，提高石化行業的信息管理；工業控制系統控制優化，提高石化行業的生產效率和產品質量；工業控制系統可靠性，有助于石化行業的生產穩定和產品質量；功能安全控制系統，加強石化行業的生產安全。這些自動化技術的運用，必將提升石化行業的經營管理，從而實現現代石化行業的卓越運營。

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

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設計規范[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2013.

作者簡介

肖建榮（1969-），男，高級工程師，現就職于巴斯夫（中國）有限公司，主要從事工業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。

摘自《自動化博覽》2016年2月刊