智能化工廠
——石化行業(yè)兩化深度融合的產(chǎn)物

中石化咨詢公司 解懷仁

智能化工廠
——石化行業(yè)兩化深度融合的產(chǎn)物

中石化咨詢公司 解懷仁

近年來，我國石油和石化行業(yè)新建或擴建不少大型一體化、現(xiàn)代化裝置，企業(yè)儀表自動化、信息化發(fā)展速度很快，涌現(xiàn)出一批先進技術和創(chuàng)新成果如APC、MES、DCS-FCS、NIR與節(jié)能環(huán)保應用等，在確保企業(yè)安全生產(chǎn)、降耗提質(zhì)、提高整體經(jīng)濟效益中發(fā)揮了很大作用。石化推廣應用先進過程控制技術（APC）已取得明顯的效益。FCS 的問世，為石化企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化工廠創(chuàng)造了條件，未來10年發(fā)展的目標是建設智能化的煉化一體化工廠。

1 石化智能化工廠的特征

石化智能化工廠作為石化企業(yè)多年信息化建設的延續(xù)，將先進制造模式與現(xiàn)代傳感技術、網(wǎng)絡技術、自動化技術、智能化技術和管理技術等融合，是科技進步和行業(yè)可持續(xù)發(fā)展背景下，未來10年石化行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，也是石化行業(yè)兩化深度融合發(fā)展的產(chǎn)物。

石化智能化工廠作為石化行業(yè)兩化深度融合發(fā)展的高級階段，其為石化企業(yè)的工藝、設備、流程、人員，特別是創(chuàng)新方面起到了極大的推動作用。歸納起來，石化智能工廠具有如下特點：自動化是前提，數(shù)字化是基礎，可視化是方法，模型化是支撐，集成化是核心。

（1）自動化是減輕人的勞動，強化、延伸、取代人的有關勞動的技術或手段，石化智能化工廠中生產(chǎn)的基礎手段逐漸從手工操作發(fā)展到自動控制，從低級的單回路控制發(fā)展到高級復雜系統(tǒng)控制，從單元先進控制到區(qū)域集成優(yōu)化。

（2）數(shù)字化表現(xiàn)為可計算性和可度量性，是計算機、多媒體技術、軟件技術、智能技術的基礎，也是信息化的技術基礎。

（3）可視化的含義是將生產(chǎn)狀態(tài)、工業(yè)視頻等各類信息高度集中和融合，加強對空間信息的管理，為操作和決策人員提供對現(xiàn)場環(huán)境的感知，確保迅速準確地掌握所有信息和快速的決策。

（4）模型化是指通過利用生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)和專家知識，將石化工廠的行為和特征的知識理解固化成各類工藝、業(yè)務模型和規(guī)則，實現(xiàn)人與制造系統(tǒng)的融合及人在其中智能的充分發(fā)揮。

（5）集成化是指石化智能化工廠中的系統(tǒng)與現(xiàn)有石化生產(chǎn)過程的工藝過程和管理業(yè)務流程高度集成，實現(xiàn)石化生產(chǎn)各個管理環(huán)節(jié)和各工序間緊密銜接與集成，從全局角度實現(xiàn)整體優(yōu)化。

2 石化智能化工廠規(guī)劃

為做好中國石化智能化工廠試點工作，石化試點廠各部門深入開展了“數(shù)字化智慧煉廠”研究，編制完成了《石化試點廠數(shù)字化智慧煉廠總體規(guī)劃》，提出了總體規(guī)劃思路：2012年，改善信息基礎設施、計量儀表兩個基礎，深化ERP、MES等系統(tǒng)應用，打好智能工廠建設的基礎，整體上臺階。2013年~2014年，建設企業(yè)經(jīng)營分析與運營監(jiān)控、HSE應急指揮、能源優(yōu)化、三維數(shù)字工廠、全廠優(yōu)化等智能化工廠重點系統(tǒng)，加強集成應用，支持集中的運營管理模式，達到中國石化先進水平。2015年，重點建設知識管理系統(tǒng)和優(yōu)化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)全面集成和構建智能工廠的基本框架，達成自動化、數(shù)字化、模型化、可視化、智能化的目標，建成千萬噸級智能化煉化廠。

3 石化智能化工廠所需的技術

現(xiàn)以大型煉油（1000萬噸級）乙烯（100萬噸級）一體化項目為例，全廠智能化總體解決方案所需自動化技術創(chuàng)新的主要方面如下：

3.1 DCS/FCS控制系統(tǒng)

過程控制系統(tǒng)（PCS）主要包括：分散控制系統(tǒng)/現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（DCS/FCS）、安全儀表系統(tǒng)（SLS）、火災及氣體監(jiān)測系統(tǒng)（FGS）、儲運自動化系統(tǒng)（MAS）、壓縮機組控制系統(tǒng)（CCS）、機組監(jiān)控系統(tǒng)（MMS）、設備包控制系統(tǒng)（PLC）、在線分析儀系統(tǒng)（PAS）、儀表設備管理系統(tǒng)（AMS）、操作員培訓仿真系統(tǒng)（OTS）、過程控制計算機系統(tǒng)（PCCS）（實施先進控制APC和實時優(yōu)化RTO等）等系統(tǒng)，其核心是DCS/FCS系統(tǒng)。

現(xiàn)場總線是自動化領域中發(fā)展很快的互連通信網(wǎng)絡，它具有協(xié)議簡單開放、容錯能力強、實時性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點。FCS是繼DCS之后的新一代控制系統(tǒng)，是過程控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，并與DCS共存。根據(jù)目前現(xiàn)場總線技術的發(fā)展趨勢和應用情況，石化大型煉油乙烯一體化項目采用DCS和FCS混合方案。

3.2 ERP/MES信息管理系統(tǒng)

（1） 企業(yè)資源管理系統(tǒng)（ERP）

企業(yè)資源計劃（ERP）是一種現(xiàn)代企業(yè)先進管理方法，采用ERP系統(tǒng)，將使企業(yè)獲得最大的經(jīng)濟效益。ERP系統(tǒng)通常包含財務會計、管理會計、銷售分銷、物流管理、生產(chǎn)計劃、設備維護等核心模塊。一個典型的ERP除了上述功能外，在不同的應用中，可能還包括項目管理、投資管理、資金管理、人事管理等輔助功能。

（2） 制造執(zhí)行層（MES）

MES是企業(yè)數(shù)字化系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)，在ERP/MES/PCS整個系統(tǒng)中起到承上啟下的作用。MES主要完成生產(chǎn)計劃的調(diào)度與統(tǒng)計、生產(chǎn)過程成本控制、產(chǎn)品質(zhì)量控制與管理、物流控制與管理、設備安全控制與管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與處理等功能。

MES主要功能是：（1）實時數(shù)據(jù)庫與信息管理；（2）生產(chǎn)計劃與調(diào)度優(yōu)化；（3）流程模擬與工程；（4）數(shù)據(jù)校正與物料平衡；（5）實時動態(tài)模擬系統(tǒng)；（6）先進控制與優(yōu)化。

3.3 APC技術

國內(nèi)有關方面通過多年不懈的努力，在優(yōu)化控制領域里從理論到應用都有所創(chuàng)新和突破，現(xiàn)已開發(fā)出相關積分優(yōu)化理論和應用技術，并獲得多項發(fā)明專利。該項創(chuàng)新技術在反應過程優(yōu)化的初步試用中顯示了其獨到的效果，已在青島石化催化裂化反應器優(yōu)化操作中連續(xù)多年使用，提高液收1%以上；在洛陽的芳烴裝置的歧化反應器、異構化反應器長期應用，提高了三苯收率1%以上，正在石化推廣應用。

先進控制技術應用發(fā)展趨勢：先進控制也是石化智能化建設的重要組成部分，目前其技術及軟件產(chǎn)品已非常成熟，應用領域不斷擴大。我們認為近幾年其應用發(fā)展方向應該是“以節(jié)能減排”為主題，適用環(huán)保要求的APC應用。

（1）在石油化工行業(yè)，隨著對環(huán)境保護措施的不斷落實，對油品的要求也越來越高。為解決這個越來越突出的矛盾，實施油品在線調(diào)合勢在必行。

（2）在流程行業(yè)的蒸汽動力系統(tǒng)等公用工程方面，以節(jié)能降耗、減少操作成本為目標的先進控制的應用必將越來越廣泛。蒸汽動力系統(tǒng)結(jié)構龐大，設備多樣化，人工操作強度大。先進控制實施后不但可大幅度降低操作人員勞動強度，減少系統(tǒng)操作成本，而且可達到節(jié)能降耗，挖潛增效之目的。

（3）由石化行業(yè)拓展到其它領域，如熱電生產(chǎn)、造紙等行業(yè)，生產(chǎn)過程多變量特征明顯，適于推廣先進控制的應用。在國外已有成功案例。

3.4 在線近紅外線分析儀技術

由于計算機技術的迅速發(fā)展以及化學計量學和光纖技術的應用，使近紅外線光譜快速分析技術得到了迅速發(fā)展。NIR技術是一種無損分析技術，采用透射或漫反射方式直接對樣品分析，在測量過程中不產(chǎn)生污染，通過光纖可對樣品遙測。因此，NIR分析技術也是一種快速分析創(chuàng)新應用技術，日益受到人們重視。近紅外光譜分析技術的主要技術特點如下：

（1）測試速度快，可縮短測試周期；（2）分析效率高；（3）分析成本低；（4）測試重現(xiàn)性好；（5）樣品測量一般勿需預處理，光譜測量方便；（6）便于實現(xiàn)在線分析；（7）典型的無損分析技術。

煉化企業(yè)采用傳統(tǒng)的分析方法測定汽油的辛烷值、苯含量、烯烴含量、餾程、蒸氣壓等參數(shù)，以及測定柴油的十六烷值、密度、芳烴含量、餾程、凝點、苯胺點、折光指數(shù)和色度等，需要十幾種分析儀及分析方法，有的分析儀很貴（如一臺辛烷值儀價格為200萬元），分析方法復雜，分析時間長（幾小時或幾天），有的還使用有毒溶劑，危害人體健康。傳統(tǒng)的分析方法分析效率低，不能滿足生產(chǎn)和科研快速分析的要求。采用近紅外線光譜快速分析技術，一臺近紅外線光譜分析儀可在幾秒鐘內(nèi)測定十幾種質(zhì)量參數(shù)，分析精度符合國家標準的要求并節(jié)省了投資。近紅外線光譜快速分析技術易實現(xiàn)在線質(zhì)量控制，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加了經(jīng)濟效益。

在我國大型煉廠和石油化工廠的主要生產(chǎn)裝置采用近紅外線光譜快速分析儀監(jiān)控質(zhì)量指標，進行APC和優(yōu)化控制是非常必要的。這種先進的技術對加快石化智能化工廠建設有著積極的影響，也將會取得較大的經(jīng)濟效益和社會效益。

3.5 網(wǎng)絡安全技術

石化智能化工廠需要大型的網(wǎng)絡系統(tǒng)，石化企業(yè)已試用安全工業(yè)隔離網(wǎng)關。在工業(yè)控制網(wǎng)絡同企業(yè)管理網(wǎng)絡之間可采用照相數(shù)據(jù)傳送技術，DCS要上傳的數(shù)據(jù)由專門的數(shù)據(jù)采集計算機采集，并且將這些數(shù)據(jù)顯示在計算機的屏幕上。另外有一個攝像頭將屏幕上顯示的實時數(shù)據(jù)自動拍攝下來，拍下來的數(shù)據(jù)畫面經(jīng)過智能機器閱讀系統(tǒng)的自動解讀后得到要上傳的數(shù)據(jù)，通過局域網(wǎng)送到實時數(shù)據(jù)庫和辦公網(wǎng)上。這樣，局域網(wǎng)和DCS之間完全沒有網(wǎng)絡的物理連接，病毒和黑客不可能通過網(wǎng)絡串到DCS中。無論病毒如何變化，都可以從本質(zhì)上保證了DCS的安全。

另一種是力控華康安全工業(yè)隔離網(wǎng)關Psafetylink主要起到在工業(yè)控制網(wǎng)絡同企業(yè)管理網(wǎng)絡之間隔離，安全隔離網(wǎng)關采用物理隔離和安全通道隔離，將以太網(wǎng)進行物理級安全隔離，安全通道隔離即通過專用通信硬件和私有不可路由協(xié)議等安全機制來實現(xiàn)內(nèi)外部網(wǎng)絡的隔離和數(shù)據(jù)交換，有效地把內(nèi)外部網(wǎng)絡隔離開來，而且高效地實現(xiàn)了內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全交換。

3.6 石化節(jié)能、降耗、環(huán)保技術

（1）降低能源成本

在波動的能源價格與日益嚴格的法規(guī)情況下，能源效率將成為石油石化等行業(yè)在未來幾十年所面對的最大問題。舉例來說，能源成本通常占據(jù)了非原料煉油廠運營成本的50%~60%，制漿和造紙企業(yè)成本的25%~40%；使用控制能源管理解決方案， 能夠幫助企業(yè)建立一個全面的能源管理戰(zhàn)略，將能源成本降低最高達25%，提升企業(yè)的競爭優(yōu)勢。

（2） 生產(chǎn)裝置健康監(jiān)控技術

石化企業(yè)加強對生產(chǎn)設備的監(jiān)測，尤其是對強腐蝕設備、高速旋轉(zhuǎn)設備等高危設備，實現(xiàn)在線精確測量，這是故障預測和診斷的關鍵。開發(fā)故障預測和診斷模型及方法，提高故障檢測的及時性和魯棒性，以及故障定位的準確性，防止誤報和漏報，及時消除隱患，以提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。采用設備管理系統(tǒng)和多元統(tǒng)計過程監(jiān)控（MSPM）對高壓、強腐蝕、高速旋轉(zhuǎn)等設備進行在線監(jiān)測和分析，有利于設備的安全運行。

（3） SIS智能安全儀表

為保證安全生產(chǎn)，在危險場所設置了可燃氣體或有毒氣體檢測與報警系統(tǒng)，全廠還設置了火災報警控制系統(tǒng)，并與可燃氣體報警系統(tǒng)集成綜合安全檢測與報警系統(tǒng)。對于重要的工藝裝置也開展了控制與檢測的安全等級評估工作。

現(xiàn)代石化企業(yè)中的安全控制系統(tǒng)將向著儀表控制、安全儀表及信息管理系統(tǒng)一體化的方向發(fā)展。智能化安全儀表控制系統(tǒng)將會得到廣泛應用。

（4） 自動化控制系統(tǒng)和信息化的集成對促進工藝優(yōu)化、能耗降低、產(chǎn)量質(zhì)量提升、節(jié)能減排起到了重要作用。

我國石油石化行業(yè)目前已經(jīng)加快了信息化系統(tǒng)推廣的速度，通過信息化與自動化集成手段提高管理水平、提高資源利用率、節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本，從而形成石油石化行業(yè)節(jié)能減排系統(tǒng)化工程，另一方面，通過生產(chǎn)控制信息化，促進工藝優(yōu)化、能耗降低、產(chǎn)量質(zhì)量提升，從而助力節(jié)能減排。這方面主要靠MES（制造執(zhí)行管理）系統(tǒng)以及各石油石化細分領域的自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)。

為了進一步提高石化信息化和自動化應用水平，中國石化對“智能工廠試點”方案進行規(guī)劃并通過審定，未來10年的目標：“智能化煉化廠”試點以工廠經(jīng)營管理與生產(chǎn)過程的“實時化、自動化、模型化、可視化、智能化”為發(fā)展目標，將實現(xiàn)計劃調(diào)度、能源管理、安全環(huán)保、裝置操作、IT管控的智能化，建設成為國際先進水平的智能化的千萬噸級煉化企業(yè)。

解懷仁（1940-）北京人，1965年畢業(yè)于天津大學，曾擔任石化規(guī)劃院計算機室主任，中國儀器儀表學會自控設計委員會常委；中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會現(xiàn)場總線（FF）專委會技術顧問；中國石油和石化工程研究會儀器部主任等。主要從事石化儀表自控設計并負責石化儀器自控設計審查和規(guī)劃工作，主編石化儀表控制系統(tǒng)手冊，發(fā)表近20篇論文，組織和研發(fā)國產(chǎn)DCS獲國家科技進步三等獎。