大型石油（煤）化工工程自動化和信息化集成系統(tǒng)與企業(yè)精益管理

范宗海

（中國石化工程建設有限公司，北京100101）

近年來，世界范圍內石油化工、新能源、替代能源技術不斷進步，大型石油化工工程和新型煤化工工程都得到了蓬勃發(fā)展。中國石油（煤）化工得益于后發(fā)優(yōu)勢，實施生命周期管理、生命周期安全、生命周期服務，建設健康、安全、環(huán)保、節(jié)能的現代化企業(yè)，提升企業(yè)精益管理水平等先進理念越來越受到高度重視。大型石油化工工程和新型煤化工工程的建設朝著基地化、大型化、集約化、智能化的方向發(fā)展。功能先進、集成化的自動化和信息化集成系統(tǒng)是生產裝置和輔助設施實現監(jiān)視、控制和操作管理統(tǒng)一協調的重要保證，是大型石油化工和新型煤化工工程實現高水平的過程控制和精益管理的重要手段之一。

自動化和信息化集成系統(tǒng)能有效降低儀表與控制系統(tǒng)方面的生命周期成本。全廠性統(tǒng)一優(yōu)化儀表與過程控制系統(tǒng)的配置方案，避免重復配置，降低備品、備件的需求量，降低制造廠項目管理、制造管理、包裝運輸等費用。自動化和信息化集成系統(tǒng)及其一體化工程實施汲取了世界跨國公司在大型工程建設方面的經驗，代表了當今世界先進的項目實施理念，對提高企業(yè)經濟效益，增強企業(yè)競爭力等具有深遠意義。

新建大型石油化工或新型煤化工工程全廠信息集成系統(tǒng)通常分為三層：過程控制層PCS（process control system）、運行管理層MES（manufacturing execution system）和經營管理層ERP（enterprise resource planning）。根據國內建設模式的特點，MES和ERP的研究與實施不屬于工程建設范疇。文中提到的自動化和信息化集成系統(tǒng)專指過程控制層的自動化和信息化集成系統(tǒng)。

1 自動化和信息化集成系統(tǒng)

1.1 總體架構

通過研究世界范圍內大型石油化工和新型煤化工工程智能化生產技術現狀與發(fā)展趨勢，借鑒國內外著名企業(yè)的自動化和信息化集成系統(tǒng)總體解決方案和實際應用情況，并結合國內自主建設的實際情況和特點，自動化和信息化集成系統(tǒng)包括生產過程控制層、工廠信息集成層。典型的自動化和信息化集成系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

圖1 典型自動化和信息化集成系統(tǒng)總體架構示意

1.2 生產過程控制層

生產過程控制層主要包括：分散控制系統(tǒng)（DCS）、安全儀表系統(tǒng)（SIS）、有毒/可燃氣體監(jiān)測系統(tǒng)（GDS）、壓縮機控制系統(tǒng)（CCS）、轉動設備監(jiān)視系統(tǒng)（MMS）、設備包控制系統(tǒng)（EPCS）、在線分析儀系統(tǒng)（PAS）等，核心是DCS。生產過程控制層實時監(jiān)控生產操作、原料及產品儲運、公用工程和產品質量等全過程，并保證生產操作安全、可靠、穩(wěn)定、長周期及滿負荷運行。

1.2.1 分散控制系統(tǒng)

DCS完成生產裝置的基本過程控制、操作、監(jiān)視、管理、順序控制、工藝聯鎖控制等，部分先進過程控制也在DCS中完成。DCS由操作站、輔助操作臺、打印機、工業(yè)PC機、控制站、I/O機柜、端子柜、配電柜及網絡設備等組成。中心控制室（CCR）設置工程師站用于組態(tài)維護、故障診斷等工作。CCR設公共的硬件平臺及以太網接口用于連接全廠信息管理系統(tǒng)。各控制站配置冗余的串行通信接口連接SIS，CCS，MMS，PAS，EPCS等系統(tǒng)。

大型石油化工和新型煤化工工程全廠DCS采用局域網構架。根據生產需求、系統(tǒng)規(guī)模和總圖布置劃分為若干獨立的局域網，確保每套生產裝置獨立開停車和正常運行。

1.2.2 安全儀表系統(tǒng)

SIS設置在現場機柜室（FAR），與DCS獨立設置，以確保人員及生產裝置、重要機組和關鍵設備的安全。SIS按照IEC61508中規(guī)定的SIL3級設計；采用經TüV安全認證的三重化或四重化的可編程序控制器PLC（programmable logic controller）；按照故障安全型設計；與DCS進行實時數據通信，在DCS操作站上顯示。SIS設工程師站，順序事件記錄站SER（sequence event recorder），顯示報警及操作通過輔助操作臺上的開關、按鈕和DCS/SIS的操作站來完成。

新型煤化工工程全廠SIS采用局域網構架，根據生產需求、系統(tǒng)規(guī)模和總圖布置劃分為若干獨立的局域網，確保采用SIS的生產裝置獨立開停車和安全運行。

1.2.3 可燃/有毒氣體檢測系統(tǒng)

生產裝置、公用工程及輔助設施內可能泄漏或聚集可燃、有毒氣體的地方，分別設有可燃、有毒氣體檢測器，并將信號接至GDS。GDS宜獨立設置，報警信號通信至DCS，在中心控制室實現獨立聲光報警。

1.2.4 壓縮機控制系統(tǒng)

CCS完成壓縮機組的調速控制、防喘振控制、負荷控制及安全聯鎖保護等功能，并與裝置的DCS進行通信，操作人員能夠在DCS/CCS操作站上對機組進行監(jiān)視和操作。CCS采用雙重化或三重化的冗余、容錯系統(tǒng)。

1.2.5 轉動設備監(jiān)視系統(tǒng)

MMS用于蒸汽透平、壓縮機和泵等主要轉動設備參數的在線監(jiān)視，同時對轉動設備的性能進行分析和診斷，對轉動設備的故障預測維護進行有力的支持。重要轉動設備的主要運行參數，包括軸振動、軸位移、轉速等，直接傳送至MMS。

MMS包含檢測器機架和上位診斷分析系統(tǒng)兩部分。MMS將大型機組和大功率高速泵的主要轉動參數上傳至上位診斷分析系統(tǒng)的服務器，服務器接收、存儲、備份現場監(jiān)測站上傳的數據；管理狀態(tài)監(jiān)測數據庫；上位服務器系統(tǒng)安裝先進的診斷分析軟件，通過圖譜分析、報表、診斷及數據傳輸等功能實現轉動設備的在線監(jiān)視分析。

1.2.6 設備包控制系統(tǒng)

操作控制相對比較獨立或特殊的設備包的控制監(jiān)視和安全保護原則上采用獨立的EPCS，并與DCS進行數據通信，操作人員能夠在DCS操作站上對設備包的運行進行監(jiān)視與操作。

1.2.7 在線分析儀系統(tǒng)

PAS包括采樣單元、采樣處理單元、分析器單元、回收或放空單元、微處理器單元、通信接口（網絡與串行）、顯示器（LCD）單元和打印機等。復雜的在線分析儀帶有網絡通信接口，能夠接入工業(yè)以太網（TCP/IP協議）構成在線分析儀系統(tǒng)；同時通過串行通信接口（Modbus-RTU）與DCS進行數據通信。

1.3 工廠信息集成系統(tǒng)

1.3.1 工廠信息集成目標

工廠信息集成層是將生產過程控制層的數據進行自動采集并建立大型實時數據庫和關系數據庫，并針對大型石油化工和新型煤化工工程的實際情況和特點，客戶化研究與開發(fā)應用軟件。工廠信息集成層主要包括公共管理系統(tǒng)、操作數據管理系統(tǒng)（ODS）、智能設備管理系統(tǒng)（AMS）、報警管理系統(tǒng)（AAS）、操作員仿真培訓系統(tǒng)（OTS）、先進過程控制（APC）、遠程網路訪問（WEB）等，核心是生產操作管理與優(yōu)化。

工廠信息化集成系統(tǒng)的目的：通過自動化和信息化集成系統(tǒng)，統(tǒng)一生產和管理過程的數據源，實現調度管理、生產管理、績效考核、事故分析、優(yōu)化操作等，實現遠程網絡訪問，提供安全可靠的信息化支撐平臺。

1.3.2 公共管理系統(tǒng)

大型石油化工和新型煤化工工程的生產裝置、公用工程及輔助設施的自動化系統(tǒng)設置為各自獨立的局域網（LAN），以保證整體網絡的安全。公共管理系統(tǒng)通過在中心控制室內的三層骨干交換機將各個獨立局域網連接起來，自動采集每個局域網內的操作數據。該局域網配置公共的儀表工程師站、工藝工程師站、全廠調度站，作為系統(tǒng)維護、操作管理、生產調度等工廠級管理平臺。

1.3.3 操作數據管理系統(tǒng)

ODS自動地從DCS收集實時數據，儲存至實時數據庫。ODS提供工廠物料質量平衡和能量平衡計算，產品質量數據（在線和離線分析數據）；顯示工藝流程畫面；顯示實時數據及歷史數據；顯示用于分析的工藝數據趨勢畫面；標準化報表和用戶化定制報表等。

ODS可實時獲得各個生產裝置及公用工程的數據，利用這些數據更好地實現優(yōu)化操作、穩(wěn)定生產、調整計劃、改進經營、節(jié)省能源、降低成本和保護環(huán)境的目的。典型的ODS結構如圖2所示。

圖2 典型ODS結構示意

ODS中心服務器將DCS采集的海量數據和其他系統(tǒng)的數據進行多種客戶化應用。主要的客戶化功能包括：

1）報表功能。報表功能采用Excel格式呈現給生產管理相關崗位，報表的格式和內容應根據大型石油化工和新型煤化工工程的自身特點，適應工廠的管理模式。主要的報表內容包括關鍵技術指標（KPI）、平穩(wěn)率、質量合格率、能量消耗、物料平衡、投入產出、成本核算報表等。

2）流程圖功能。ODS的流程圖能夠實現實時展示、歷史重現、KPI報警、自定義趨勢圖等功能。

3）趨勢圖功能。

4）數據庫高級應用功能。

1.3.4 智能設備管理系統(tǒng)

AMS是對現場智能儀表（如智能變送器和智能閥門定位器等）進行維護、校驗和故障診斷的管理系統(tǒng)，是全廠智能設備管理系統(tǒng)的一個組成部分。AMS具有智能儀表設備組態(tài)、狀態(tài)監(jiān)測及診斷、校驗管理和自動文檔記錄管理等功能，自動地為檢測和控制儀表建立應用及維護檔案，進行預測維護管理，以保證智能儀表的可靠運行，減少維護工作量，提高設備的管理效率。典型的AMS網絡結構如圖3所示。

圖3 典型的AMS結構示意

AMS應具有以下功能：現場智能儀表設備組態(tài)及管理；儲存現場儀表設備的組態(tài)和校準數據；現場儀表設備診斷；具備第三方診斷軟件（如控制閥和變送器）嵌入功能；向工藝操作人員報警；向維修車間報告故障；生成維修工作順序。

1.3.5 報警管理系統(tǒng)

報警管理是近年關注的熱點，世界范圍內發(fā)生的多種工業(yè)事故與報警管理不當有關。大型現代化石油化工和新型煤化工生產裝置及公用工程報警設施繁多，報警信息過多過頻，不僅給操作人員造成壓力，而且可能疏漏嚴重的報警，導致不必要的生產損失，降低生產的安全性。

AAS是對工廠的工藝過程和控制系統(tǒng)報警信息進行采集、分析、管理及優(yōu)化的系統(tǒng)，協助工藝操作人員發(fā)現工藝過程及控制系統(tǒng)出現的需引起注意并作出響應的問題，采集報警信息以支持事件記錄、事故分析、報警管理、優(yōu)化改進等工作。AAS通過報警分組，報警優(yōu)先級，基于工況的報警、報警過濾、報警抑制，上位報警信息診斷分析功能等，實現生命周期的報警管理，提高生產操作安全性。典型的報警管理生命周期活動如圖4所示。

圖4 典型的報警管理生命周期活動示意

1.3.6 操作員仿真培訓系統(tǒng)

OTS培訓操作人員使用DCS操作生產裝置。包括開車、正常生產、正常停車、緊急停車、工藝切換和負荷調整等，并對操作人員的操作技能給與評估。OTS使用獨立的內部局域網，網絡節(jié)點包括仿真計算機、教學工作站、培訓操作站和外圍設備等。

OTS提供培訓操作軟件，開發(fā)和維護仿真模型，進行DCS組態(tài)。教學工作站軟件可以建立表格、畫面和趨勢顯示，并能跟隨模型的仿真變量進行變化。培訓操作站具有與DCS操作站相同的操作功能。OTS仿真模型的流程圖和趨勢畫面與DCS相一致，并提供診斷DCS故障的軟件。

1.3.7 先進過程控制

APC技術已在國內外石化企業(yè)廣泛應用，通過APC在改進控制品質，優(yōu)化生產操作，提高生產能力、產品質量和產品收率，減少能耗，實現裝置經濟效益最大化等方面，取得令人滿意的結果。

1.3.8 遠程網絡訪問

通過WEB服務器及設置相關安全防護措施，用戶可通過Internet網絡在任何地方安全地訪問WEB服務器。該網絡和過程控制系統(tǒng)網絡（如DCS，SIS等）之間嚴禁直接連接，使用獨立的硬件網卡及網段地址，確?？刂凭W絡的獨立和信息安全。與工廠信息網絡連接時，所有的接口必須通過硬件防火墻隔離，保證控制系統(tǒng)網絡的安全。

1.3.9 客戶化定制

工廠信息集成系統(tǒng)不是各個系統(tǒng)的簡單堆砌，也不是越多越好。在系統(tǒng)的配置與實施過程中，根據企業(yè)自身的情況和特點進行優(yōu)化組合，堅持不間斷地進行客戶化定制開發(fā)，更好地服務于企業(yè)的生產操作和運行管理，真正提高使用效率，并為企業(yè)帶來經濟效益和社會效益。

1.3.10 網絡安全

大型石油化工和新型煤化工工程自動化和信息化集成系統(tǒng)規(guī)模龐大，應高度重視其網絡安全策略的研究及實施。為避免網絡遭受外界的惡意攻擊及網絡病毒感染，同時為避免控制系統(tǒng)內及系統(tǒng)間因非必要信息的大量傳輸而導致的網絡崩潰，過程控制網絡與工廠信息網絡之間的通信應采用防火墻等隔離手段。自動化和信息化集成系統(tǒng)應采用分層控制網絡，各層之間應有嚴格的訪問控制權限，應采用冗余網絡交換機及冗余容錯技術，使通信節(jié)點具有多路徑選擇能力。系統(tǒng)應具有網絡狀態(tài)的實時診斷功能。全廠應設置防病毒服務器和時鐘同步設施。

2 一體化工程實施策略

大型化、一體化和智能化的大型石油化工和新型煤化工工程的自動化和信息化集成系統(tǒng)的工程實施宜采取主自動化系統(tǒng)供貨商MAV（main automation vendor）的模式。在工程總體設計和基礎設計階段，各工藝裝置、公用工程和輔助設施的各工作包將分別采用統(tǒng)一詢價、公開招標的方式，確定各主采購合同供貨商及單位硬件、軟件和工程服務的框架協議；在項目詳細設計階段，以各主合同和框架協議為依據，根據裝置各自的項目進度，與各MAV確定裝置的采購合同。自動化和信息化集成系統(tǒng)MAV策略的實施分為定義階段、先期介入階段和執(zhí)行階段。

2.1 定義階段

定義階段的主要工作內容是確定全廠自動化和信息化集成系統(tǒng)的實施策略，編制各工作包詢價規(guī)格書，組織技術交流，完成各工作包招標、投標、評標和授標工作。定義階段要確定MAV策略實施的范圍，并編制各類MAV詢價技術規(guī)格書。定義階段需要最終用戶和設計單位的積極參加，全局考慮，統(tǒng)籌安排。

2.2 先期介入階段

先期介入階段的主要工作是編制執(zhí)行計劃和作業(yè)程序文件，編制功能設計規(guī)格書，文件審查，完成各自動化系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件的設計等。先期介入階段是對大型石油化工和新型煤化工工程的標準化定制階段，是區(qū)別于傳統(tǒng)項目執(zhí)行模式的關鍵階段。

在前期介入階段，首先組織一體化工程實施的工作團隊，進行管理、監(jiān)督與審查，并協調MAV與各方的界面關系。工作團隊可采用PMC模式，也可由最終用戶、設計單位和MAV組成聯合執(zhí)行工作團隊。

該階段的關鍵工作內容是編制功能設計規(guī)格書。功能設計規(guī)格書通常分為管理文檔和工程文檔。管理文檔主要包括：人力資源計劃、項目進度計劃、項目執(zhí)行計劃、文檔管理計劃、成本控制計劃、變更控制程序、文件傳遞和審批管理等。工程文檔主要包括：系統(tǒng)硬件功能規(guī)格書、系統(tǒng)軟件功能規(guī)格書、系統(tǒng)網絡安全規(guī)格書、系統(tǒng)常用功能塊規(guī)格書、人機界面功能規(guī)格書、典型機柜布置等。

先期介入階段的關鍵控制點包括：總體網絡架構設計及審查；項目管理文檔編制及審查；硬件功能規(guī)格書編制及審查；軟件功能規(guī)格書編制及審查；網絡安全功能規(guī)格書編制及審查；中心控制室方案設計與審查。

2.3 執(zhí)行階段

執(zhí)行階段主要確定各生產裝置（單元）采購合同，完成工廠制造、應用軟件組態(tài)、工廠檢驗等工作，配合現場檢驗、安裝和系統(tǒng)調試工作。

執(zhí)行階段的關鍵控制點包括：各裝置及公用工程設計院對技術附件確認；業(yè)主（或EPC承包商）與MAV簽訂各裝置及公用工程商務合同；各裝置及公用工程開工會；各裝置及公用工程設計院提交設計條件；各裝置及公用工程設計院確認MAV軟硬件設計資料；各裝置及公用工程FAT/IFAT；各裝置及公用工程SAT；各裝置及公用工程現場調試、配合開車、系統(tǒng)維護。

3 大型中心控制室

為協調統(tǒng)一自動化和信息化集成系統(tǒng)，大型石油化工或新型煤化工工程通常采用中心控制室現場機柜室分離設置的方式。操作站設置在中心控制室，控制站設置在相應的現場機柜室，現場機柜室到中心控制室的信號傳輸采用冗余光纜“一天一地”敷設。操作管理人員在中心控制室完成生產裝置的控制、監(jiān)測、報警及報表等操作?，F場機柜室設置少量帶工程師站屬性操作站，用于開車前的系統(tǒng)調試和系統(tǒng)維護工作。

大型中心控制室是自動化和信息化集成系統(tǒng)的集中體現，也是大型石油化工或新型煤化工工程的新的“標志性”建筑。大型中心控制室包含了建筑、結構、暖通空調、自控、電氣、電信、IT、給排水、職業(yè)衛(wèi)生與安全等多個專業(yè)的設計技術，除了應滿足相關的的國家及行業(yè)標準之外，還應遵循人機工程學的原理，進行人性化控制中心的設計，以滿足大型石油化工或新型煤化工工廠對集中操作、統(tǒng)一調度、信息共享、資源共享、優(yōu)化管理的要求。

4 自動化和信息化集成系統(tǒng)與企業(yè)精益管理

企業(yè)的發(fā)展歸根到底要受市場制約，如何能適應瞬息萬變的市場，在保證產品質量的前提下，有效降低生產成本，避免資源浪費是每個企業(yè)追求的目標，也是企業(yè)精益管理的目標。精益管理是世界范圍內大型制造企業(yè)共同遵守的先進管理理念，是一種多品種、成批量、市場導向型生產條件下，高質量、低消耗的生產方式，通過準時化生產、零庫存、標準化/自動化流程、柔性生產等手段，實現企業(yè)的全“量化”精益管理。在全球化日益緊密的當今時代，度過了“大干快上”的初級工程實施階段后，中國的大型石油化工工廠和新型煤化工工廠，實施高水平的精益管理是大勢所趨，是提高企業(yè)發(fā)展后勁，實現現代化工廠管理，全面提升經濟效益和社會效益的必由之路。

在企業(yè)精益管理過程中，自動化和信息化集成系統(tǒng)的應用是促進企業(yè)提高管理水平的重要手段，好的管理在很大程度上依賴于實時、無縫的“數據”。新一代自動化和信息化集成系統(tǒng)可綜合管理工廠的“大數據”，為企業(yè)提供信息化平臺和軟件工具。海量的工廠“大數據”本身并不能提供現代化企業(yè)精益管理所需的有價值信息，需要利用自動化和信息化集成系統(tǒng)提供的數據整合、提煉、總結等手段，通過持續(xù)進行客戶化開發(fā)，尋找并形成針對現代化企業(yè)精益管理所需的有價值的信息，使自動化和信息化集成系統(tǒng)真正發(fā)揮信息化的作用，提升企業(yè)的現代化精益管理水平。

5 結束語

實踐經驗證明，高度集成的自動化和信息化系統(tǒng)可以保證大型石油化工或新型煤化工工廠的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行，還可以提升現代化企業(yè)生產操作、運行管理、調度控制、績效考核、工藝優(yōu)化等精益管理水平，提高企業(yè)的綜合競爭力。通過建立可靠的信息化平臺，可為企業(yè)未來獲得更大的經濟效益和社會效益打下良好的基礎。在大型石油化工或新型煤化工工程自動化和信息化集成系統(tǒng)的工程實施中，應堅持統(tǒng)一規(guī)劃、集中管理、客戶化定制、服務生產的原則，使企業(yè)獲得更大的效益。

［1］ 謝懷仁.智能化工廠—石化行業(yè)兩化深度融合的產物［J］.自動化博覽，2013，11（增刊1）：10-11.

［2］ 李磊，黃步余.世界級乙烯工廠集成自動化信息系統(tǒng)的設計探討［J］.石油化工自動化，2002，38（06）：1-7.

［3］ 林融.石油化工智能化生產技術及其應用［J］.中國儀器儀表，2010（增刊1）：29-32.

［4］ 葉向東.數字化石油煉制和石油化工工廠建設初探［J］.石油化工自動化，2013，39（04）：1-4.

［5］ 陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設計手冊［M］.3版.北京：化學工業(yè)出版社，2000：505-507.

［6］ 邁爾－舍恩伯格，庫克耶.大數據時代［M］.盛海燕，周濤，譯.杭州：浙江人民出版社，2013：1-10.