智能化工厂——石化行业两化深度融合的产物

中石化咨询公司 解怀仁

智能化工厂
——石化行业两化深度融合的产物

中石化咨询公司 解怀仁

近年来，我国石油和石化行业新建或扩建不少大型一体化、现代化装置，企业仪表自动化、信息化发展速度很快，涌现出一批先进技术和创新成果如APC、MES、DCS-FCS、NIR与节能环保应用等，在确保企业安全生产、降耗提质、提高整体经济效益中发挥了很大作用。石化推广应用先进过程控制技术（APC）已取得明显的效益。FCS 的问世，为石化企业实现数字化工厂创造了条件，未来10年发展的目标是建设智能化的炼化一体化工厂。

1 石化智能化工厂的特征

石化智能化工厂作为石化企业多年信息化建设的延续，将先进制造模式与现代传感技术、网络技术、自动化技术、智能化技术和管理技术等融合，是科技进步和行业可持续发展背景下，未来10年石化行业发展的必然趋势，也是石化行业两化深度融合发展的产物。

石化智能化工厂作为石化行业两化深度融合发展的高级阶段，其为石化企业的工艺、设备、流程、人员，特别是创新方面起到了极大的推动作用。归纳起来，石化智能工厂具有如下特点：自动化是前提，数字化是基础，可视化是方法，模型化是支撑，集成化是核心。

（1）自动化是减轻人的劳动，强化、延伸、取代人的有关劳动的技术或手段，石化智能化工厂中生产的基础手段逐渐从手工操作发展到自动控制，从低级的单回路控制发展到高级复杂系统控制，从单元先进控制到区域集成优化。

（2）数字化表现为可计算性和可度量性，是计算机、多媒体技术、软件技术、智能技术的基础，也是信息化的技术基础。

（3）可视化的含义是将生产状态、工业视频等各类信息高度集中和融合，加强对空间信息的管理，为操作和决策人员提供对现场环境的感知，确保迅速准确地掌握所有信息和快速的决策。

（4）模型化是指通过利用生产运行数据和专家知识，将石化工厂的行为和特征的知识理解固化成各类工艺、业务模型和规则，实现人与制造系统的融合及人在其中智能的充分发挥。

（5）集成化是指石化智能化工厂中的系统与现有石化生产过程的工艺过程和管理业务流程高度集成，实现石化生产各个管理环节和各工序间紧密衔接与集成，从全局角度实现整体优化。

2 石化智能化工厂规划

为做好中国石化智能化工厂试点工作，石化试点厂各部门深入开展了“数字化智慧炼厂”研究，编制完成了《石化试点厂数字化智慧炼厂总体规划》，提出了总体规划思路：2012年，改善信息基础设施、计量仪表两个基础，深化ERP、MES等系统应用，打好智能工厂建设的基础，整体上台阶。2013年~2014年，建设企业经营分析与运营监控、HSE应急指挥、能源优化、三维数字工厂、全厂优化等智能化工厂重点系统，加强集成应用，支持集中的运营管理模式，达到中国石化先进水平。2015年，重点建设知识管理系统和优化控制系统，实现全面集成和构建智能工厂的基本框架，达成自动化、数字化、模型化、可视化、智能化的目标，建成千万吨级智能化炼化厂。

3 石化智能化工厂所需的技术

现以大型炼油（1000万吨级）乙烯（100万吨级）一体化项目为例，全厂智能化总体解决方案所需自动化技术创新的主要方面如下：

3.1 DCS/FCS控制系统

过程控制系统（PCS）主要包括：分散控制系统/现场总线控制系统（DCS/FCS）、安全仪表系统（SLS）、火灾及气体监测系统（FGS）、储运自动化系统（MAS）、压缩机组控制系统（CCS）、机组监控系统（MMS）、设备包控制系统（PLC）、在线分析仪系统（PAS）、仪表设备管理系统（AMS）、操作员培训仿真系统（OTS）、过程控制计算机系统（PCCS）（实施先进控制APC和实时优化RTO等）等系统，其核心是DCS/FCS系统。

现场总线是自动化领域中发展很快的互连通信网络，它具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点。FCS是继DCS之后的新一代控制系统，是过程控制系统发展的趋势，并与DCS共存。根据目前现场总线技术的发展趋势和应用情况，石化大型炼油乙烯一体化项目采用DCS和FCS混合方案。

3.2 ERP/MES信息管理系统

（1） 企业资源管理系统（ERP）

企业资源计划（ERP）是一种现代企业先进管理方法，采用ERP系统，将使企业获得最大的经济效益。ERP系统通常包含财务会计、管理会计、销售分销、物流管理、生产计划、设备维护等核心模块。一个典型的ERP除了上述功能外，在不同的应用中，可能还包括项目管理、投资管理、资金管理、人事管理等辅助功能。

（2） 制造执行层（MES）

MES是企业数字化系统的中心环节，在ERP/MES/PCS整个系统中起到承上启下的作用。MES主要完成生产计划的调度与统计、生产过程成本控制、产品质量控制与管理、物流控制与管理、设备安全控制与管理、生产数据采集与处理等功能。

MES主要功能是：（1）实时数据库与信息管理；（2）生产计划与调度优化；（3）流程模拟与工程；（4）数据校正与物料平衡；（5）实时动态模拟系统；（6）先进控制与优化。

3.3 APC技术

国内有关方面通过多年不懈的努力，在优化控制领域里从理论到应用都有所创新和突破，现已开发出相关积分优化理论和应用技术，并获得多项发明专利。该项创新技术在反应过程优化的初步试用中显示了其独到的效果，已在青岛石化催化裂化反应器优化操作中连续多年使用，提高液收1%以上；在洛阳的芳烃装置的歧化反应器、异构化反应器长期应用，提高了三苯收率1%以上，正在石化推广应用。

先进控制技术应用发展趋势：先进控制也是石化智能化建设的重要组成部分，目前其技术及软件产品已非常成熟，应用领域不断扩大。我们认为近几年其应用发展方向应该是“以节能减排”为主题，适用环保要求的APC应用。

（1）在石油化工行业，随着对环境保护措施的不断落实，对油品的要求也越来越高。为解决这个越来越突出的矛盾，实施油品在线调合势在必行。

（2）在流程行业的蒸汽动力系统等公用工程方面，以节能降耗、减少操作成本为目标的先进控制的应用必将越来越广泛。蒸汽动力系统结构庞大，设备多样化，人工操作强度大。先进控制实施后不但可大幅度降低操作人员劳动强度，减少系统操作成本，而且可达到节能降耗，挖潜增效之目的。

（3）由石化行业拓展到其它领域，如热电生产、造纸等行业，生产过程多变量特征明显，适于推广先进控制的应用。在国外已有成功案例。

3.4 在线近红外线分析仪技术

由于计算机技术的迅速发展以及化学计量学和光纤技术的应用，使近红外线光谱快速分析技术得到了迅速发展。NIR技术是一种无损分析技术，采用透射或漫反射方式直接对样品分析，在测量过程中不产生污染，通过光纤可对样品遥测。因此，NIR分析技术也是一种快速分析创新应用技术，日益受到人们重视。近红外光谱分析技术的主要技术特点如下：

（1）测试速度快，可缩短测试周期；（2）分析效率高；（3）分析成本低；（4）测试重现性好；（5）样品测量一般勿需预处理，光谱测量方便；（6）便于实现在线分析；（7）典型的无损分析技术。

炼化企业采用传统的分析方法测定汽油的辛烷值、苯含量、烯烃含量、餾程、蒸气压等参数，以及测定柴油的十六烷值、密度、芳烃含量、餾程、凝点、苯胺点、折光指数和色度等，需要十几种分析仪及分析方法，有的分析仪很贵（如一台辛烷值仪价格为200万元），分析方法复杂，分析时间长（几小时或几天），有的还使用有毒溶剂，危害人体健康。传统的分析方法分析效率低，不能满足生产和科研快速分析的要求。采用近红外线光谱快速分析技术，一台近红外线光谱分析仪可在几秒钟内测定十几种质量参数，分析精度符合国家标准的要求并节省了投资。近红外线光谱快速分析技术易实现在线质量控制，提高产品质量，增加了经济效益。

在我国大型炼厂和石油化工厂的主要生产装置采用近红外线光谱快速分析仪监控质量指标，进行APC和优化控制是非常必要的。这种先进的技术对加快石化智能化工厂建设有着积极的影响，也将会取得较大的经济效益和社会效益。

3.5 网络安全技术

石化智能化工厂需要大型的网络系统，石化企业已试用安全工业隔离网关。在工业控制网络同企业管理网络之间可采用照相数据传送技术，DCS要上传的数据由专门的数据采集计算机采集，并且将这些数据显示在计算机的屏幕上。另外有一个摄像头将屏幕上显示的实时数据自动拍摄下来，拍下来的数据画面经过智能机器阅读系统的自动解读后得到要上传的数据，通过局域网送到实时数据库和办公网上。这样，局域网和DCS之间完全没有网络的物理连接，病毒和黑客不可能通过网络串到DCS中。无论病毒如何变化，都可以从本质上保证了DCS的安全。

另一种是力控华康安全工业隔离网关Psafetylink主要起到在工业控制网络同企业管理网络之间隔离，安全隔离网关采用物理隔离和安全通道隔离，将以太网进行物理级安全隔离，安全通道隔离即通过专用通信硬件和私有不可路由协议等安全机制来实现内外部网络的隔离和数据交换，有效地把内外部网络隔离开来，而且高效地实现了内外网数据的安全交换。

3.6 石化节能、降耗、环保技术

（1）降低能源成本

在波动的能源价格与日益严格的法规情况下，能源效率将成为石油石化等行业在未来几十年所面对的最大问题。举例来说，能源成本通常占据了非原料炼油厂运营成本的50%~60%，制浆和造纸企业成本的25%~40%；使用控制能源管理解决方案， 能够帮助企业建立一个全面的能源管理战略，将能源成本降低最高达25%，提升企业的竞争优势。

（2） 生产装置健康监控技术

石化企业加强对生产设备的监测，尤其是对强腐蚀设备、高速旋转设备等高危设备，实现在线精确测量，这是故障预测和诊断的关键。开发故障预测和诊断模型及方法，提高故障检测的及时性和鲁棒性，以及故障定位的准确性，防止误报和漏报，及时消除隐患，以提高系统的可靠性和安全性。采用设备管理系统和多元统计过程监控（MSPM）对高压、强腐蚀、高速旋转等设备进行在线监测和分析，有利于设备的安全运行。

（3） SIS智能安全仪表

为保证安全生产，在危险场所设置了可燃气体或有毒气体检测与报警系统，全厂还设置了火灾报警控制系统，并与可燃气体报警系统集成综合安全检测与报警系统。对于重要的工艺装置也开展了控制与检测的安全等级评估工作。

现代石化企业中的安全控制系统将向着仪表控制、安全仪表及信息管理系统一体化的方向发展。智能化安全仪表控制系统将会得到广泛应用。

（4） 自动化控制系统和信息化的集成对促进工艺优化、能耗降低、产量质量提升、节能减排起到了重要作用。

我国石油石化行业目前已经加快了信息化系统推广的速度，通过信息化与自动化集成手段提高管理水平、提高资源利用率、节约能源、降低生产成本，从而形成石油石化行业节能减排系统化工程，另一方面，通过生产控制信息化，促进工艺优化、能耗降低、产量质量提升，从而助力节能减排。这方面主要靠MES（制造执行管理）系统以及各石油石化细分领域的自动控制系统实现。

为了进一步提高石化信息化和自动化应用水平，中国石化对“智能工厂试点”方案进行规划并通过审定，未来10年的目标：“智能化炼化厂”试点以工厂经营管理与生产过程的“实时化、自动化、模型化、可视化、智能化”为发展目标，将实现计划调度、能源管理、安全环保、装置操作、IT管控的智能化，建设成为国际先进水平的智能化的千万吨级炼化企业。

解怀仁（1940-）北京人，1965年毕业于天津大学，曾担任石化规划院计算机室主任，中国仪器仪表学会自控设计委员会常委；中国仪器仪表行业协会现场总线（FF）专委会技术顾问；中国石油和石化工程研究会仪器部主任等。主要从事石化仪表自控设计并负责石化仪器自控设计审查和规划工作，主编石化仪表控制系统手册，发表近20篇论文，组织和研发国产DCS获国家科技进步三等奖。