摘要：本文阐述石化行业卓越运营对自动化技术提出新的要求，分析工厂信息管理系统、工业控制系统控制优化、工业控制系统可靠性、功能安全控制系统等自动化技术。理解和运用这些自动化技术，为石化行业的卓越运营提供有力的保障。

关键词：卓越运营；工厂信息管理系统（PIMS）；控制优化；自动化可靠性；功能安全；工艺安全；机械安全

1　引言

众所周知，由于石化行业工艺控制、安全控制及企业管理要求，石化行业的自动化技术应用是最广泛的，整个行业自动化水平是最先进的，当然行业自动化控制也是最复杂的，并且石化行业自动化管理也是最先进的。

随着工业化与信息化的深度融合，石化行业已率先进入工业信息化时代，也称智能化时代。在信息化时代的背景下，为了适应市场变化，提高行业经济效益，确保生产安全可靠运行，同时做好环境保护和节能减排，实现行业的可持续性发展，石化行业开始采用卓越运营管理，从而对自动化技术提出了新的要求。

2　石化行业自动化现状

目前，石化行业面临着严峻挑战，如产能过剩，市场疲软、效益下滑、投资萎缩、生产安全、环境保护、节能减排等。因此，石化行业需要适应市场变化，积极创新，走出行业低迷，加入国际先进石化工厂的发展行列。

石化行业的自动化历经几十年的不断发展，其现状可以概括如下：

（1）采用数字化仪表，建立数字信号传输与控制；

（2）采用中央控制，建立工厂生产管理与控制中心；

（3）采用生产运营系统（MES）、工厂信息管理系统（PIMS）、分散型控制系统（DCS）、安全仪表系统（SIS）等，建立生产自动化和管控一体化；

（4）采用工厂信息管理系统（PIMS）、生产运营系统（MES），建立数字化和信息化生产运营。

3　石化行业卓越运营对自动化技术提出新要求

面对市场竞争压力，企业要提高效益，节省成本，达成目标，实现跨越式发展，石化行业开始采用卓越运营模式。自动化技术在现代石化行业卓越运营中发挥关键作用；同时，石化行业卓越运营对自动化技术提出许多新的要求，主要表现在信息管理要求更多、控制优化要求更高、可靠性要求更强和功能安全要求更深等。

3.1　信息管理要求更多

石化行业卓越运营需要一流的信息管理，功能强大的工厂信息管理系统（PIMS）是石化行业信息化经营管理的基础。

工厂信息管理系统（PIMS）是工业控制系统与信息技术系统相结合的系统，是新型的工业信息系统工程提供的完整解决方案。它能有效集成全厂生产信息，形成安全可靠的实时数据库，填补企业经营管理系统和工业控制系统之间的信息鸿沟，并实现了企业网络环境下的实时数据采集、实时流程查看、实时趋势浏览、报警记录与查看、开关量变位记录与查看、报表数据存贮、历史趋势存贮与查看、生产过程报表生成、生产统计报表生成等功能，从而实现企业过程控制系统与信息系统的网络集成、综合管理，使管理层能够及时、准确地了解生产情况，发现生产中的问题，并为先进控制软件提供应用平台。它使得办公室和生产现场的信息沟通变得方便快捷，是企业信息化建设中不可缺少的组成部分。

经过多年的开发应用，工厂信息管理系统已广泛应用于石油化工行业中。为了实现节能高效生产，同时加强公司内部管理，许多企业从建厂初期就十分注重信息化建设，准备组织实施多套计算机应用软件系统，包括生产信息管理、办公自动化（OA）、企业资源计划（ERP）等。在生产信息管理应用上要求实现生产实时数据采集与发布、能源计量管理、设备管理、库存管理等功能，从而达到生产信息的综合处理，构成公司的综合生产信息管理系统。

目前市面上出现的工厂信息管理系统产品较多，有国外产品，也有国内产品。国外的主要产品有：OSI公司的PI，Aspen公司的InfoPlus，Honeywell公司的PHD, Instep公司的eDNA等；国内主要的产品有：力控科技的pSpace，中科院软件所的安捷Agilor，浙大中控的ESP-iSYS，紫金桥的RealDB等。

工厂信息管理系统（PIMS）针对各生产装置和主要职能部门的不同应用需求及业务流程，分为实时生产信息集成系统和生产管理应用系统两大部分。

（1）实时生产信息集成系统

工厂信息管理系统的实时生产信息集成系统基于工厂信息管理系统实时数据库。PIMS系统主要实现的功能包括：数据采集功能；实时数据、流程图画面浏览；实时趋势、历史趋势的查询分析；WEB功能；生产报表功能；历史数据存储；二次计算功能。

（2）生产管理应用系统

生产管理应用功能是生产信息管理系统的重要组成部分。为实现系统的集成统一，先将PIMS中WEB发布的实时信息流程引入到生产管理报表系统中；然后根据厂内各个主要生产职能部门的工作业务情况对每个生产职能部门开发相应的管理模块。同时，为了便于整个报表系统的管理，还针对整个系统和各模块的一些重要信息开发后台管理模块，主要实现的功能包括：生产管理；能源管理；设备管理；库存管理和质量分析（基于LIMS数据信息）。

通过上述分析可知，石化行业运营管理对工厂信息管理系统数据信息的需求会不断增多。只有通过这些数据信息的创新应用，建立企业决策、生产管理的信息化，才能提高运作效率，实现行业的卓越运营。

3.2　控制优化要求更高

石化行业卓越运营，需要保证生产控制稳定运行、产品质量合格。因此，石化行业卓越运营对生产装置自动控制提出了更高的要求。

目前，生产装置自动控制优化主要采用控制回路性能优化、回路调节优化和先进控制技术（Advanced Process Control，APC）。

（1）控制回路性能优化

根据相关工业数据显示，对大多数工厂而言，仅有1/3的控制回路功能正常，而其它2/3的控制回路产生过多的报警、工艺扰乱、降低产品质量、增加操作人员工作负荷等。

因此，加强控制回路性能管理，可以通过减少操作人员干预而有效拓展保护，可以通过减少生产变化而增加工厂运作效率，可以提高可靠性而减少维修成本，以及快速找出表现欠佳的工厂区域和单元。控制回路性能的优化，每个工厂可以根据各自特点进行，也可以在市场上找到一些成熟的软件。

（2）回路调节优化

对大多数工厂而言，2/3的控制回路功能不太正常，亦或是未按设计运行。并且有相当部分回路处于手动运行模式，需依靠操作人员进行手动调整。如此，很容易导致不正常的工况和系统的不稳定，从而对工艺安全、效率和利润产生不利影响。

因此，加强控制回路调节管理，可以找出回路调节性能不好的根源，可以减少采用试误法所耗费的时间，可以调节长期性能、设定点响应和拒绝干扰，可以测试新调节回路的设定值，还可以存档供将来参考。同样地，回路调节优化，每个工厂可以根据各自特点进行，也可以在市场上找到一些成熟的软件。

（3）先进控制技术（APC）

先进过程控制技术是具有比常规单回路PID控制有更好控制效果的控制策略统称，专门用来处理那些采用常规控制效果不好，甚至无法控制的复杂工业过程控制问题。

先进过程控制技术采用科学、先进的控制理论和控制方法，以工艺控制方案分析和数学模型计算为核心，以计算机和控制网络为信息载体，充分发挥DCS和常规控制系统的潜力，保证生产装置始终运转在最佳状态，以获取最大的经济效益。

先进过程控制技术可分为三大类：

经典的先进控制技术：变增益控制、时滞补偿控制、解耦控制、选择性控制等。

现今流行的先进控制技术：模型预测控制（MPC）、统计质量控制（SQC）、内模控制（IMC）、自适应控制、专家控制、神经控制器、模糊控制、最优控制等。

发展中的先进控制：非线性控制以及鲁棒控制等。

石化行业，作为流程工业，是最早采用先进过程控制技术的行业。目前市场中主流的先进过程控制技术产品有很多种，但是在整个行业内呈现运用不广、投用率低的情况。可以预见，先进过程控制技术在石化行业运用会越来越多。

3.3　可靠性要求更强

石化行业卓越运营，同时需要生产控制系统稳定且可靠运行，保证产量和产品质量。因此，对生产装置自动化设备及系统可靠性提出更高的要求。

石化行业生产装置自动化设备及系统比较复杂，现场仪表设备种类繁多，分布式控制系统（DCS）、安全仪表系统（SIS）、可编程控制器（PLC）等控制设备也较多样，如何确保所有自动化设备及系统可靠运行，具有一定的挑战。

做好自动化设备及系统可靠性，建议注意以下几点：

（1）选择高可靠性的自动化设备及系统；

（2）建立合理的备品备件库存；

（3）理解各种自动化设备及系统的生命周期；

（4）开展预防性维修工作；

（5）做好各种自动化设备及系统的可靠性分析工作。

自动化设备及系统的可靠性受到业内越来越多的重视，针对工业自动化设备及系统的可靠性问题，虽然在行业内还没有统一、完整、成体系的可靠性算法和标准可循，但是国内外机构已开始合作研究制定相关标准。

3.4　功能安全要求更深

石化行业卓越运营，同时需要生产控制安全可靠运行，保证人身和设备安全。因此，对功能安全提出更深的要求。

随着国家对安全重视程度的加深以及人们对安全的认识，“功能安全”越来越多地受到广大企业的关注，特别是石化行业，对控制系统的要求非常严格，因为一旦安全控制回路失效，就会引起不可估量的危险和财产损失。

目前，石化行业“功能安全”中的工艺安全已为业界广泛认知并运用，而“功能安全”中的机械安全才开始进入人们的视野。

（1）功能安全-工艺安全

石化行业“功能安全”中的工艺安全，是为了防止和降低石化装置过程风险，保证人身和财产安全，保护环境，采用安全仪表系统（SIS）控制。石化行业“功能安全”中的工艺安全设计，根据IEC61508和IEC61511这两个标准，经过危险和风险分析环节，将其作为后续设计的依据，采用SIS的设计，满足实际的需要。

石化行业功能安全系统，通常具有一个完整的安全生命周期。这个安全生命周期分为工程设计阶段、集成调试及验收测试阶段和操作维护阶段。工作大致包括工程方案设计，过程危险分析与评估，保护层的安全功能分配，安全完整性等级评估与审查，安全仪表系统技术要求，安全仪表系统工程设计，安全仪表系统集成、调试及验收，安全仪表系统运行、维护与变更，安全仪表系统周期性测试，安全仪表系统停用等。石化行业功能安全的不断推广运用，必然会向更深层次发展，为工艺安全保驾护航。

（2）功能安全-机械安全

机械安全早已存在，在锯床、压缩机、抛丸机、行车、汽车生产线等行业中都有广泛运用，有效提升了这些行业相关生产设备的安全水平。用于提供安全功能的机器控制系统部件称为控制系统有关安全部件（SRP/CS），它们由硬件和软件组成，既可独立于机器控制系统，也可成为机器控制系统的一部分。除了提供安全功能以外，SRP/CS也能提供操作功能（例如：双手操纵装置作为过程启动的一种手段）。

“功能安全”中的机械安全采用性能等级（PL）概念，由ISO13849提出，适用于机械安全。针对机械设备安全要求中的5种典型结构（B、1、2、3、4），又根据每种结构采用的危险失效时间（MTTF）和诊断覆盖率（DC）的值不同，分别对应了PL等级a、b、c、d、e，其分析方法沿用了EN954的方法。机器的SIL的级别由IEC62061提出，它只有三级，SIL1、SIL2、SIL3，其计算方法和思路来自IEC61508。

根据国家标准规定，机械安全控制系统设计方法主要包括三个步骤：确定安全控制系统所需的性能等级（PLr）；设计安全控制回路；将设计的控制回路达到的PL与安全功能所需的PLr进行比较，如果PL≥PLr，即满足设计要求。

机械安全控制系统，通常也具有一个完整的安全生命周期。这个安全生命周期分为工程设计阶段、集成调试及验收测试阶段和操作维护阶段。工作大致可以参照前面提到的工艺安全控制系统的做法，但有不同的评估方法和控制系统实施。

“功能安全”中的机械安全在石化行业的推广运用，必然会向新层次发展，为生产机械安全保驾护航。

4　结束语

工厂信息管理系统，提高石化行业的信息管理；工业控制系统控制优化，提高石化行业的生产效率和产品质量；工业控制系统可靠性，有助于石化行业的生产稳定和产品质量；功能安全控制系统，加强石化行业的生产安全。这些自动化技术的运用，必将提升石化行业的经营管理，从而实现现代石化行业的卓越运营。

同时，我们也应该认识到，石化行业正朝着数字化、网络化和全球化方向发展，石化行业的卓越运营管理水平将提升至新层次，相应地，石化行业的卓越运营管理对自动化技术的要求将不断提高。因此，自动化技术需要创新发展，实现石化行业的卓越运营，促进现代石化行业可持续性发展。

参考文献：

[1] 李勤. 全方位强化机械安全标准化——助力《中国制造2025》[J]. 自动化博览, 2015, (z1).

[2] GB/T 50770-2013石油化工安全仪表系统设计规范[S]. 北京: 中国计划出版社, 2013.

作者简介

肖建荣（1969-），男，高级工程师，现就职于巴斯夫（中国）有限公司，主要从事工业自动化仪表的工程设计、调试、运行维护工作，先后完成多个国内、国际项目的工程设计、调试工作。

摘自《自动化博览》2016年2月刊