浅谈石油化工自动化技术的应用与发展趋势

　　一、引言

　　在信息技术高度发达的今天，作为传统工业的石油化工工业仍然是一个国家经济发展的重要支柱性基础产业。随着计算机控制系统应用的迅速发展，根据现代化控制理论开发的先进控制软件，现已取得较好的效益。在炼油化工企业计算机的先进控制方法主要有自适应控制（包括 PID 自适应控制）、多参数 预估控制、组分推断控制、神经网络、 模糊控制、控制及故障诊断系统等。采用先进控制可提高 系统的控制适应能力，克服由于系统本身的时变性、非线性、不稳定性、外部扰动的随机性及不可检 测等带来的问题。

　　随着石化工业的发展，对仪表控制系统提出了更高的要求，电动仪表逐步向数字化、智能化方向 发展，DCS 向现场总线方向发展，计算机系统向网络化、 开放化发展。为了进一步发展我国仪表与控 制系统。现提出以下几点建议。

　　二、现场总线的应用将逐步推广

　　现场总线（fieldbus）是应用于生产现场，在现场仪表（包括变送器、执行器、记录仪，单回路调节器、可编程序控制器等）之间、现场仪表和控制设备之间实现全数字化、串行、双向、多变量数字通信的网络互连技术。它的出现，给工业控制技术领域产生了非常大的影响。

　　虽然现场总线国际标准IEC61158包含了FF、Profibus、ControlNet、WorldFIP、P-NET等在内的八种类型（现已增加到十种类型）的现场总线，没有实现它初的“制定单一现场总线”的目标，同时也宣告了多种现场总线并存的局面已经形成。但与现有的DCS、PLC等相比，现场总线控制系统FCS由于具有的全数字多点通信、现场设备状态可控、开放性、互可操作并能实现分散控制等特点，仍然是石油化工行业基础自动化系统的发展趋势。

　　但今后一段时间内，FCS的推广应用将呈现以下几个特点：

　　（1）FCS将与DCS共存

　　DCS自上个世纪七十年代问世以来，经历了发展、成熟到大规模应用几个阶段，并采用了大量先进成熟技术。DCS技术成熟，性能可靠，软件丰富，功能完善，得到了用户的信任，已经成为工业生产过程控制的主要手段。而FCS还处于发展阶段，技术本身还不太成熟，（如网络冗余性问题至今还没有得到很好的解决）可靠性尚未得到充分验证，功能还不如DCS完善。所以用户虽然关注FCS的发展，但还存在疑虑，多持谨慎观望的态度。

　　DCS 可靠性并形成一定的生产规模我国石化生产装置规模大，生产过程复杂，对计算机控制系统要求高，现在国产DCS还不能满足要求，特别是可靠性方面差距较大。因此，石化装置采用的400套DCS大都是引进的，只有8套是国 产的，其他分别从国外18家公司引进的，有20种型号。一个石化企业有时用 3~5 种不同型号的机型。 各种机型的通讯网络标准不同，联网困难，也给维护带来不便。我国工业部门使用DCS数量较大，占仪表工程投资比例也高，经济效益明显，因此，建议我国仪表和计算机行业投入强有力的技术人员，提高国产 DCS 可靠性。DCS软件应解决死机问题，也可以配置国外成熟的组态软件，提高 DCS 系统的可靠性。近期内， 国产中小规模DCS系统可达到取代国外 DCS 的水平，占领国内一定的市场，如国内 HS-2000、JX-300、友力-2000 等，这是DCS国产化的曙光。

　　总之，DCS至今已经发展得相当成熟和实用，仍是当前工业自动化系统应用及选型的主流，并不会随着FCS的出现和发展马上退出历史舞台，相反，在今后相当长一段时间内，DCS将会与FCS共存下去。

　　（2）现场总线与DCS相结合

　　现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。

　　将现场总线技术集成到现有控制系统中，将现场总线智能仪表连接到DCS上，利用DCS丰富而成熟的控制功能和软、硬件产品带动现场总线的推广应用。一般来讲，现场总线与传统控制系统之间的集成主要有三种途径：一是现场总线在DCS、PLC的I/O层次上的集成，现场总线设备作为I/O卡件集成在DCS、PLC中；第二是现场总线集成在DCS、PLC网络上，现场总线设备通过网关集成到DCS、PLC上，统一组态、监控与管理；第三则是独立FCS与DCS、PLC之间的信息集成，即FCS与DCS、PLC都独立工作，两者之间通过网关实现信息的映射与互访。

　　同时，在现场总线推广应用的基础上，逐步完善管控一体化功能。利用现场总线的全数字通信功能，收集现场智能设备所提供的大量非控制信息，建立现场智能设备数据库，建立和完善现场智能设备的远程状态监控、故障诊断、预防维护、在线调校等远程管理功能，实现对现场设备的一体化管理与控制。

　　（3）多总线集成与“自动化孤岛”

　　现场总线国际标准IEC61158没有能够统一所有的现场总线，除了市场利益方面的因素外，由于不同的现场总线针对某一特定的应用领域而开发出来的，在技术上各有特色，所以至今还没有一种总线能够代替所有其他的现场总线。如FF、HART在连续信号的处理中具有一定的特色，而PROFIBUS、INTERBUS等在开关量信号的处理中又有一定的优势。

　　因此，今后一段时间内，无论何种形式的基础自动化控制系统，都将具备多种现场总线互联与信息集成能力。

　　无论采用何种形式的控制系统，都必须解决不同现场总线、不同类型的控制系统之间的“自动化孤岛”问题，将各个厂家DCS、PLC以及其它智能设备连接到一个统一的数据库平台上，以统一调度和共享。

　　（4）以太网现场总线

　　随着互联网技术的发展与普及，以太网具有应用广泛、成本低廉、通信速率高、软硬件资源丰富、可持续发展潜力大等特点，正从商用通信领域逐步渗透到控制领域，并广泛应用于工业企业的控制层、管理层设备间的通信。

　　为此，国际跨国公司纷纷推出了基于以太网的现场总线技术，如浙大中控的EPA、西门子的ProfiNet I/O、欧洲开放网络联合会IAONA的EtherCAT和PowerLink等。这些实时以太网协议已列入IEC正在起草的实时以太网应用行规国际标准IEC61784-2。

　　由于实时以太网现场总线不仅融合了现有的现场总线的特点，而且与信息领域的成熟技术相结合，在石油化工自动化控制领域将会得到广泛的应用。

　　三、信息技术与自动化技术相结合——工业IT

　　随着互联网的不断成熟，互联网把计算机与通信这两块原先相互独立的领域粘合在一起，不但使单机运行的计算机全面进入互联网时代，而且迅速推动计算机产业与通信产业的发展。

　　在此基础上，通过采用一些实时数据库技术、软测量技术、数据融合与数据处理技术、先进控制与过程优化技术、ERP技术等，并采用信息网络的IT技术，如网络技术、通信技术、信息处理技术等，实现工业生产过程的远程监控、故障诊断与维护，实现工业企业全厂的管控一体化。

　　当前，随着IT技术的蓬勃发展，如何更好、更快、更多地把IT技术应用到自动化产品中，是各个自动化产品供应商面临的共同话题。把IT技术尽可能多地应用到自动化技术中的能力，逐渐成为决定企业竞争力的重要因素。

　　首先是如何更好的应用IT技术，其次是如何通过优化来产生效益，和具体的工艺、设备相结合，挖掘设备和工艺潜力，促进提高产量、降低消耗、并使生产过程更加安全。简言之就是：“向控制、优化要效益”。

　　另外，如何将企业中的“自动化孤岛”变成一个统一的平台，实现“过程可视化”的同时，扩大信息共享，提高信息利用率，提高企业决策水平和实效性，实现管控一体化，“向管理、信息系统要效益”，也是一个重大的课题。

　　一般说来，工业“IT”有以下几个特征：现场仪表数字智能化、生产过程数字化、设计数字化、管理数字化与信息化。具体表现为：

　　（1）以流程工业和制造业为服务对象，基于现代计算机、网络、通信和现代控制技术而形成的一种新型工业自动化网络系统技术，在进一步完善信息采集功能的基础上，强化了信息的加工处理，尤其是工业生产过程测量和控制信息的网络传输技术更加开放并得到飞速发展。

　　（2）传统的自动化仪表走向数字化、智能化，具有开放的网络通信接口，而成为网络化控制系统的一个节点。分布式工业控制网络将成为未来控制系统的主导技术。

　　（3）以现场总线、工业以太网等工业控制网络为平台，利用现场设备的软、硬件资源（如功能模块），实现全分散控制，同时对现场仪表还可实现远程访问、监视、调校、诊断、维护等管理功能。

　　（4）控制系统与信息系统实现平滑联接和多网合一，工业以太网技术在控制领域将得到更为广泛的推广，实时控制信息可以通过Intranet/Internet实现共享和在线检测、控制和管理。

　　（5）工业控制系统软件及各种应用软件开发、系统集成技术成为技术，取代系统硬件而成为高附加值的载体。通过先进控制和优化软件，可以实现预测控制、模糊控制、神经元网络控制、系统控制等智能控制，以及数据校正、过程模拟、质量监控、计划排产与调度以及故障诊断、安全管理等生产过程的优化管理。

　　（6）企业的经营管理以企业资源计划管理系统软件和企业供应链管理系统软件为平台，实现物料清单、工艺路线、运输管理、配方管理、人力资源管理、战略管理、客户服务管理、开发与研究管理等的一体化管理。

　　（7）专用IC芯片、各种工业控制网络的通信模块、网桥、中继器、网关、远程I／O节点、功能模块成为新一代分布式网络控制系统中的重点产品，并与网络信息技术同步发展。

　　四、企业综合自动化将成为企业提高竞争力的有效手段

　　我国石油和化工自动化经过50年的发展，通过技术引进，消化吸收和不断创新，自动化水平取得了长足进步。随着我国经济建设的快速发展，我国的石油化工工业遇到了前所未有的发展机遇，同时也面临着越来越严峻的挑战。

　　国外大型流程企业、特别是石油化工企业均重视信息集成技术的应用，纷纷以极大的热情和精力，构架工厂级、公司级甚至超公司级的信息集成系统。

　　一般而言，流程工业企业对综合自动化技术的需求主要关注4方面的问题。（1）安全：即需要用高可靠性的控制系统、检测和执行机构对设备与装置的运行提供保证，进而对关键装置进行故障诊断与健康维护。（2）低成本：通过先进的工艺及工艺参数以降低能耗和原料消耗，以及通过先进的建模技术、控制技术和实时优化技术来提高产品的合格率和转化率。（3）高效率：通过先进的计划调度与排产技术和流程模拟技术来提高设备利用率和劳动生产率。

　　根据国内外综合自动化技术的发展趋势和网络技术的发展现状，流程工业综合自动化技术的总体结构可以分成3层结构，如图1所示。

　　图1 流程工业综合自动化技术的总体结构

　　（1）以PCS（过程控制系统）为代表的基础自动化层。主要内容包括先进控制软件、软测量技术、实时数据库技术、可靠性技术、数据融合与数据处理技术、集散控制系统（DCS）、现场控制系统（FCS）、多总线网络化控制系统、基于高速以太网和无线技术的现场控制设备、传感器技术、特种执行机构等等。

　　（2）以MES（生产过程制造执行系统）为代表的生产过程运行优化层。主要内容包括先进建模与流程模拟技术、先进计划与调度技术、实时优化技术、故障诊断与健康维护技术、数据挖掘与数据校正技术、动态质量控制与管理技术、动态成本控制与管理技术等等。

　　（3）以ERP（企业资源管理）为代表的企业生产经营优化层。主要内容包括企业资源管理（ERP）、供应链管理（SCM）、客户关系管理（CRM）、产品质量数据管理（PqDM）、数据仓库技术、设备资源管理、企业电子商务平台等等。

　　企业综合自动化需要解决的关键技术有：

　　（1）信息的集成、挖掘和增值

　　信息集成是综合自动化的，而数据库管理系统则是信息集成的基础。由于流程工业的特点，有大量的反映生产过程状态的实时海量数据需要处理、管理和有效地应用，因此实时数据库管理系统是采用实时数据对生产过程进行监督与控制，对生产状态进行分析与评价的基础。因而流程工业信息集成环境中需要同时设置关系数据库和实时数据库系统，作为整个系统信息的集散地。这两个数据库既可独立地操作，又可协同动作，及时并行或交叉地处理来自全厂的各种信息，真正做到信息集成与共享。

　　信息挖掘和增值的目的是充分、有效地利用信息。

　　（2）科学的决策支持

　　生产经营决策是企业生产经营活动中的重要内容。但是，传统的生产管理模式还处于经验决策、具有较大的随意性、而科学的决策支持则是企业经营成败的关键。

　　成本效益分析是指对企业生产经营活动应用财务分析方法进行分析评价、以得到全企业综合经济指标的过程。在炼油企业综合自动化中，成本效益分析是炼油企业生产管理中的重要环节，也是炼油企业生产经营决策中的必需步骤。

　　盈亏平衡分析是指利用财务分析方法和数学工具，对生产经营方案或计划进行分析，得出实现利润目标的原油采购价格（保利点）和保证不亏损经营（利润为0）的原油采购价格（保本点）。盈亏平衡分析对于原油采购、控制成本、提高经济效益具有重要的参考价值、是制定合理生产计划时的重要环节，对于控制生产成本、扩大利润，从而保证利润目标的实现，指导全企业的生产经营，具有十分重要的意义。

　　（3）进行流程模拟，建立过程模型

　　实现过程优化操作进行流程模拟，建立过程模型、实现过程优化操作是流程工业综合自动化的又一关键技术。

　　过程操作优化是炼油工业适应市场原料和产品需求变化，使生产具有柔性的另一关键。技术难点首先是建立过程稳态数学模型。由于工艺技术复杂，不同的装置机理不同，有些复杂的反应过程机理尚不清楚，而且建模涉及到工艺机理和信息处理技术、是跨学科的，因此建立工业应用的模型是极为困难的。

　　此外，还有软测量技术、设备过程故障诊断新技术、生产过程的安全保护技术以及对实时测量的数据进行处理的数据调整技术等，都是自动化领域急待解决的难题和研究的热点。

　　五、结束语

　　将现场总线技术、信息技术应用于石油化工，发展综合自动化整体解决方案及集成技术，可以提高产品质量，增加产品产量，降低生产成本，取得显着的经济效益和社会效益，增强企业的竞争能力，是今后石油化工工业自动化技术发展与应用的趋势。