自控專業(yè)智能工廠設(shè)計(jì)技術(shù)初探

謝騰騰，閔祥紅，李德剛，李 華，戴陳海，賈玉明

（1.中海油石化工程有限公司，濟(jì)南 250101；2.山東魯新設(shè)計(jì)工程有限公司，濟(jì)南 250100；3.西尼爾（南京）過程控制有限公司，南京 210000）

0 引言

《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016-2020 年）》（工信部聯(lián)規(guī)〔2016〕349 號）指出，智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。隨著國家實(shí)施《中國制造2025》以及工業(yè)“兩化融合”戰(zhàn)略，《中國制造2025》明確要推進(jìn)制造過程智能化，在重點(diǎn)領(lǐng)域試點(diǎn)建設(shè)智能工廠，這必將加速智能工廠技術(shù)在石油化工行業(yè)中的應(yīng)用推廣。目前，智能化工廠技術(shù)已經(jīng)在惠州石化、九江石化、鎮(zhèn)海煉化、燕山石化等企業(yè)初步應(yīng)用。研究表明，中國石化行業(yè)自動化程度較高，在自動化應(yīng)用方面，超過90%企業(yè)應(yīng)用了過程控制系統(tǒng)，生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了自動化，進(jìn)一步提高了能源使用率，保證裝置平穩(wěn)運(yùn)行，但是進(jìn)一步智能改造較為復(fù)雜。國內(nèi)智能工廠發(fā)展處在實(shí)驗(yàn)階段或者起步階段，初步具備了幾種智能特征，但距離全面有效地管理信息和綜合使用信息、大數(shù)據(jù)還有很大的差距。在開發(fā)、設(shè)計(jì)、施工、操作、維護(hù)等技術(shù)和管理人員方面存在不同程度的不匹配。本文從自控設(shè)計(jì)角度出發(fā)，探討石油化工智能工廠自控設(shè)計(jì)技術(shù)，其中自控專業(yè)在智能工廠控制層起到主導(dǎo)和實(shí)現(xiàn)的作用[1-3]。

1 自控設(shè)計(jì)智能化技術(shù)概述

智能控制系統(tǒng)包括BPCS 系統(tǒng)、SIS 系統(tǒng)、GDS 系統(tǒng)等。BPCS 經(jīng)歷了從20 世紀(jì)40 年代PID 控制，20 世紀(jì)50年代串級、前饋、比值、選擇，20 世紀(jì)60 年代現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，20 世紀(jì)70 年代在頻域領(lǐng)域進(jìn)行高級控制，20 世紀(jì)80 年代預(yù)測模型控制，到20 世紀(jì)90 年代國內(nèi)將首套預(yù)測模型的多變量控制取代了PID 控制方案并應(yīng)用到催化裂化裝置以來，先進(jìn)控制在石油石化裝置中得到大量應(yīng)用[4-6]，但是在石油化工領(lǐng)域仍存在實(shí)際原料與設(shè)定的公用工程條件難以跟設(shè)計(jì)完全相符，給優(yōu)化技術(shù)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。同時(shí)，基理建模與原料、催化劑活性等問題，也給求最優(yōu)解帶來了困擾[4,7]。1870 年左右德國黑馬公司的首套故障安全型SIS 系統(tǒng)投產(chǎn)，這套系統(tǒng)絕大部分采用電磁繼電器搭建而成，主要是根據(jù)工藝要求將工藝參數(shù)信號觸發(fā)繼電器聯(lián)鎖執(zhí)行原件，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖以保護(hù)生產(chǎn)裝置安全。1980年左右，學(xué)者Donald S. Sikora 提出了緊急關(guān)斷系統(tǒng)的概念。但是用工業(yè)繼電器搭建的控制系統(tǒng)檢修、維護(hù)過程查線非常困難，并且安全型不能很好的保證。市場要求通過新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)增加系統(tǒng)安全性，同時(shí)縮短檢修、維護(hù)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的時(shí)間。同時(shí)，在繼電器基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的 PLC（Programmable Logic Controller）剛剛開始工業(yè)應(yīng)用，主要是用來生產(chǎn)裝置的過程控制。PLC 逐漸取代繼電器實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖保護(hù)，但作為基本過程控制系統(tǒng)的一部分，硬件和軟件是不分開的。21 世紀(jì)以來，安全儀表系統(tǒng)雖從理論、工程設(shè)計(jì)技術(shù)上發(fā)展迅速，但工程實(shí)踐過程仍然有SIL 評估不科學(xué)、不全面，SIS 系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)不合理，SIF 的系統(tǒng)性能力、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、PFDavg 存在過設(shè)計(jì)和欠設(shè)計(jì)的現(xiàn)象，導(dǎo)致SIS 系統(tǒng)不能100%投入。FGS 工程設(shè)計(jì)技術(shù)雖從21 世紀(jì)在國內(nèi)開始發(fā)展起來，但關(guān)于火氣系統(tǒng)安全評估分析在國內(nèi)沒有規(guī)范可依，目前存在火氣探頭布置不合理、無有效的安全評估、無全生命周期管理依據(jù)的問題[8-11]。

目前，新理論、新知識與新技術(shù)對過程控制的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，學(xué)科間的深度交叉和計(jì)算機(jī)、通信、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的融合應(yīng)用，使得自動化技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的變化，逐漸改變了傳統(tǒng)過程控制的范圍，把控制理論、系統(tǒng)論和信息論有機(jī)結(jié)合，在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)安全技術(shù)等的支持下，形成了更為廣泛的綜合控制系統(tǒng)。因此，對自控專業(yè)工程設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，并且由最初的BPCS 延伸到生產(chǎn)管理、經(jīng)營管理和決策等過程。將來，因基于大數(shù)據(jù)的動態(tài)性、多率性、邏輯隱蔽性和知識的層次性要求，對數(shù)據(jù)處理和解析技術(shù)必將提出特殊的軟件算法和硬件需求。

由于工業(yè)數(shù)據(jù)在時(shí)間、空間維度上的擴(kuò)張和爆炸，自控專業(yè)工作范圍和設(shè)計(jì)深度將不斷增加。隨著人員安全意識的不斷增強(qiáng)，SIS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、SIL 評估技術(shù)、FGS 布點(diǎn)技術(shù)將在設(shè)計(jì)階段更加完善。同時(shí)，應(yīng)該避免進(jìn)入概念誤區(qū)，如：通過設(shè)計(jì)進(jìn)行黑屏操作；通過機(jī)器人換人變成智能工廠；通過簡單地把DCS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)、PLC 系統(tǒng)數(shù)據(jù)、SIS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)、GDS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳，就將其稱為“智能工廠大數(shù)據(jù)”。自控設(shè)計(jì)階段務(wù)必對自身基礎(chǔ)條件、核心問題以及自控專業(yè)設(shè)備在智能工廠中的投資產(chǎn)率等問題做出冷靜思考，選擇制定適合自身的特定環(huán)境的解決方案。其中，包括智能儀表所涉及的智能閥門、變送器、新材料、新儀表、新網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)技術(shù)，而自控專業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)字化交付是指在交付平臺數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、管理標(biāo)準(zhǔn)約束下的基于智能集成平臺的設(shè)計(jì)成果的提交。

智能工廠信息系統(tǒng)作為企業(yè)或工廠規(guī)劃設(shè)計(jì)與工程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一，并應(yīng)與工藝、自控、電信等專業(yè)的設(shè)計(jì)相互協(xié)調(diào)。智能工廠信息化建設(shè)過程中借鑒了國外先進(jìn)的工業(yè)控制系統(tǒng)和企業(yè)管理系統(tǒng)的開發(fā)軟件技術(shù)，這些專業(yè)軟件在應(yīng)用過程中也逐漸形成了多學(xué)科、多專業(yè)集成的應(yīng)用平臺，即項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫平臺。在平臺選擇時(shí)，應(yīng)采用行業(yè)內(nèi)有成功應(yīng)用案例的、國內(nèi)外的成熟產(chǎn)品和開放的、商品化的系統(tǒng)及集成平臺。

目前，工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全存在隱患如：操作系統(tǒng)隱患、通信協(xié)議隱患、殺毒軟件隱患以及相關(guān)軟件國產(chǎn)化率不高等。首先，由于大多數(shù)工業(yè)自控系統(tǒng)都是windows平臺，考慮到操作系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的兼容性，對windows平臺往往不安裝補(bǔ)丁，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性無法保證；其次，各個(gè)品牌廠家的組態(tài)監(jiān)控軟件依賴于windows 操作系統(tǒng)自帶的各種服務(wù)，任何一個(gè)服務(wù)出現(xiàn)損壞，則會導(dǎo)致監(jiān)控軟件的部分功能甚至全部功能失效。然而信息化和工業(yè)化的高層次的深度結(jié)合，使得TCP/IP 等通用協(xié)議和技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自控網(wǎng)絡(luò)中，這就減弱了控制系統(tǒng)與外界的隔離。病毒、木馬向控制網(wǎng)擴(kuò)散，工業(yè)自控系統(tǒng)的安全隱患問題日益嚴(yán)峻。殺毒軟件的病毒庫需要不斷地更新，這一要求不適合工業(yè)控制環(huán)境，許多工控系統(tǒng)通常不會安裝殺毒軟件。即使安裝了殺毒軟件，由于軟件對新病毒的處理總是滯后的，在使用過程中也有很大的局限性。針對這些安全隱患，應(yīng)建立工業(yè)控制系統(tǒng)安全防范對策：基于終端的工業(yè)系統(tǒng)安全防御體系、辦公網(wǎng)絡(luò)終端的安全防御、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)終端的安全防御。

2 結(jié)束語

目前，中國石化行業(yè)信息工程人才培養(yǎng)存在很多不足，包括：信息工程培養(yǎng)機(jī)構(gòu)少而不專；培養(yǎng)模式的市場向?qū)员容^弱；培養(yǎng)手段過于單一、培養(yǎng)后給企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)效益衡量困難，這些勢必影響石化企業(yè)信息化進(jìn)程。針對這些問題應(yīng)明確人才培養(yǎng)目標(biāo)，科學(xué)規(guī)劃培養(yǎng)內(nèi)容，以市場為導(dǎo)向的培養(yǎng)模式要運(yùn)用信息化的培養(yǎng)方法，結(jié)合具體項(xiàng)目針對性培養(yǎng)信息化工程設(shè)計(jì)人才，做好人才和知識積累。

石化工廠屬于傳統(tǒng)行業(yè)，其中建設(shè)過程中的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)等環(huán)節(jié)也屬于傳統(tǒng)行業(yè)。目前國內(nèi)傳統(tǒng)行業(yè)和信息行業(yè)人才薪酬水平差別較大，建設(shè)智能工廠需減少的操作與維護(hù)人員的總薪資可能趕不上所要增加的信息化操作、運(yùn)行維護(hù)人員的薪資水平，導(dǎo)致傳統(tǒng)行業(yè)信息化人才缺口較大。而復(fù)合型高端人才更是受到國內(nèi)外信息化行業(yè)的青睞，巨大的人才缺口從根本上削弱了智能工廠持續(xù)發(fā)展。