推动石化行业自动化仪表国产化分析

鲁卫华

（中海石油炼化有限责任公司采办共享中心，广东惠州 516086）

1 概述

石油化工行业仪表是石油化工行业生产过程中的重要基础设备，在确保设备安全稳定运行、保障生产产品质量等方面发挥重要作用。特别是随着工业自动化的快速发展，自动化、智能化仪表在石油化工行业广泛应用，在安全生产、自动计量统计等方面，发挥了重要作用。随着形势的发展，石油化工行业自动化仪表国产化被提上了重要议事日程，不仅有利于节约成本，更有利于确保国家能源安全。本文综述了当前石油化工行业应用的主要仪表及形式，对相关性能进行了分析，对石油化工行业自动化仪表国产化进行了一些有益探索。

2 石化行业及石化仪表发展现状

2.1 石化仪表的发展

我国的石油化工工业随着化学工业不断发展而发展，其通常以石化能源为原材料，经过加工处理生产出相关的石油化工产品，比如各类燃油、天然气、化工材料等石化产品。不但成立了大型石化企业集团，而且生产业务遍布陆地、海洋，有力支撑了我国经济社会发展。

就石化产品而言，石油的主要产品，除了各类燃油、天然气之外，还生产出较多的合成材料，较为常见的有纤维、塑料、树脂、橡胶等，其中乙烯类树脂作为最常用的化工材料，可以通过特殊装置，生产各类烯烃类化工产品，这些都是化工工业的重要标志性产品。近年来，随着我国综合国力的显著增强，工业门类更加齐全、工业技术水平不断提升，逐步形成了配套完备的石化工业体系，并不断发展创新，推动构建了高效乙烯生产技术、低碳减排环境友好技术。

石化行业的快速发展，激发了与之相关的产业快速发展，特别是像轻纺、建筑制造、汽车等产业的快速发展，这些产业的快速发展在一定程度上也进一步激发了石化行业的创新发展，特别是激发了自动化仪表在石化行业的普遍应用，自动化仪表更加广泛地应用于石化产品测量、性能测定、过程控制、自动执行等各个方面，特别是随着数字化、智能化技术的广泛应用。

2.2 石化仪表的功能

（1）可编程功能。在控制电路中使用自动化控制技术，硬件软件主要使用接口芯片代替硬件从而实现控制。

（2）计算功能。石油化工仪表控制功能能够在计算机技术中使用，结合自动化仪表，使自动化仪表运行速度与精度得到提高，并且提高计算功能。自动化仪表设备计算功能能够使生产环节简化，降低工作人员劳动量，实现精细化管理，从而提高企业利益。

（3）另外，监督功能和记忆功能比较强，能够精准、及时地对故障位置进行确定，降低故障排查的时间，使故障处理效率得到提高。

2.3 注重检修工作的开展

维修人员应严格按照相应的检查制度开展工作，定时检测仪表自动化系统，明确其运行是否存在异常，及时发现系统运行风险，提升检修工作水平。首先，应注重对分布式控制系统的应用，提高系统运行效率，提升检修精准性，并对相应的检修数据进行备份处理，为检修策略的调整与改进提供助力[6]。其次，应对专业的检修加以引进，建立独立的检修部门，定期开展检修工作，检查系统零部件等的磨损度与使用年限等，并对其进行修理与替换，保障自动化仪表的平稳运转。最后，应建立动态化监测机制，对系统运行数据进行收集，借助大数据等技术，对系统运行风险进行评估，并以此为依据，制定相对完善维护与修理机制，提升检修成效。

2.4 深入分析故障部位

一般来说，自动化仪表系统故障的产生与其工作原理具有密切关系。若系统产生故障，维修人员可凭借自身的丰富工作经验与知识，对故障进行诊断，提升故障部位定位精准性。因此，维修人员可从仪表工作原理方面着手，对故障成因进行分析，对故障部位进行确认，加快故障处理速度。首先，应注重对维修人员的培养，积极开展培训工作，提升其专业性，提高维修人员对仪表自动化系统性能与工作原理等的掌握程度，提升故障分析水平，让维修人员充分发挥自身价值。其次，应强化维修人员的职业素养，增强其责任意识，让其主动参与到专业知识学习中，提升故障分析成效。最后，应对先进的技术加以利用，如检测技术等，提升系统检查水平，及时排查出故障位置，为相应解决措施的制定奠定基础。

2.5 构建常态化维护机制

在自动化仪表运行过程中，维护保养工作的常态化建设，有助于维修管理水平的提升，保障安全隐患的及时察觉，加快问题解决效率，提高企业生产水平。首先，应提升对自动化仪表系统的了解程度，对自动化仪表特征与运行环境等具有清晰认知，并在此基础上，适当改动维护保养方案，保障日常维护工作的有序进行。其次，应注重维护工作的精细化建设，以逐一排查的手段，对系统运行过程中的安全隐患加以检查，明确仪表零件磨损程度，及时更换老旧部件，保证零部件整洁性，提升系统运行稳定性，降低系统故障产生概率。最后，维修人员应充分认识到季节变化对仪表运行的影响，结合季节转换时点，对系统运行环境进行控制，以免温度等对系统运行造成不良影响，使得自动化仪表处于相对平稳的运行状态中，推动自动化仪表效用的充分发挥。另外，应建立独立的巡检部门，将人工与电子监控技术进行融合，建立全面监控体系，提升系统故障维修水平与速率，最大限度降低对石化生产的影响。

2.6 探寻仪表故障成因

在石化企业生产环节中，包含的自动化仪表类型相对较多，如执行仪表、控制仪表与通信工具等。其中，检测仪表的运行，可对现场材料进行监测，促进材料构成成分的明确，深化对材料流量等数据的了解，掌握材料温度等数据，为生产方案的改进提供数据支持。随着生产流程推进，生产环境发生一定变化，会对材料流量等造成一定影响，可能使得自动化仪表系统产生故障，降低生产水平。因此，企业应充分认识到自动化仪表系统的重要性，并在故障维修方面投入更多精力，探寻故障产生原因，为相应防控措施的制定奠定基础。

（1）应对仪表系统操作行为进行监督与管理，明确操作层面是否满足相应要求，是否存在异常操作现象，为故障诊断做好铺垫。

（2）应对自动化仪表进行检测，明确其自身运行是否出现故障，零部件等是否出现损坏问题，检查分析仪表运行相关参数，对故障成因进行判断。

（3）应对先进的检测技术加以利用，综合大数据等技术，及时察觉系统运行的异常数据，提升故障诊断精确性，使得故障维修工作呈现高效性特征。

3 石油化工行业应用的主要仪表

3.1 物态仪表

将石油化工行业经常使用的用于测量石油产品的温度、密度、压力、流速、流量等仪表归纳为物态仪表，其主要实现对石油石化产业状态的监测，这种仪表可分为测量流量、流速、温度、液位、压力等的仪表，例如：测量温度，通常采用热电阻或热电偶组成的仪表，对温度范围要求比较广，通常在-200～1 800℃。石化行业流量计主要有涡轮、容积式、差压式、科里奥利和超声波流量计等，根据不同的使用环境可以选择不同类型的流量计。压力测量仪表主要有传统的差压测量仪表，以及雷达、磁致伸缩、磁翻板等测压仪表。通常情况之下，石化产品较难采用直接测量的方式进行测量，比如测温，使用非接触式测温方式，利用热辐射原理即可实现对石化产品的温度测定。这种测温方式具有响应快、测温范围广等特点，但由于受外界环境影响较为明显，如果防范措施不精准，往往会导致有较大测量误差。

3.2 过程仪表

过程分析仪表可以以单个或组合的形式，实现对石化产品成分的快速测定与分析。液、气相色谱分析仪表主要运用于石化行业的烯烃加工过程，类似这些过程仪表主要应用于烯烃加工关键环节，价格较为昂贵，多数以国外进口产品为主，易受国际环境制约，十分有必要推进这一类仪表的国产化，既可以降低成本，又可以有效避免“卡脖子”问题发生。

3.3 执行仪表

石油行业执行仪表是石化业行业工业生产过程的执行单元，对过程进行有效控制，其主要由执行机构和相关调节机构联动构成。气动执行仪表多使用气动调节阀与电气阀门相互配合，以提高气动控制效果，主要由阀体、芯子、底座、阀盖等组成；执行仪表是石化行业重要的执行单元，通过其他单元的测量、比较，最终通过执行仪表进行相关控制，实现联动调节，实现自动控制的目的。

3.4 温度仪表

在生产过程中使用的温控仪表为接触式测温仪表，比如热电阻、热电偶等感温元器件。目前，温度测控仪表的应用比较广泛，在实际使用的过程中要以现场环境和工况介质实现测温仪表的选型，使工艺需求得到满足。

3.5 物位仪表

差压式还包括双法兰差压仪表，对工艺介质的适应性比较强。辐射式物位仪表包括外置式和内置式，使用放射源强度存在一定的差别，能够在高压灰仓、煤粉仓的连续料位测量中使用，并且以接收端选型控制开关量的增加。

4 石化行业自动化仪表应用现状分析

石油工业化生产环境较为恶劣，生产流程复杂，控制过程如果过度依赖于人工，不仅会增加人工成本，也会降低生产效率，增加安全生产风险。这一背景下，越来越多地要求更广泛地应用自动化仪表，实现石化产品生产控制自动化、过程自动化。

4.1 常规控制

石化行业同其他行业一样，需要对生产过程进行有效控制，通常采用顺序控制、批量控制和连续控制等较为稳定的控制方式，可以完成可靠控制。该控制不受系统更新迭代的影响，传统的石化行业控制系统大多采用常规控制。

4.2 先进控制

近年来，随着自动化、信息技术的快速发展，石化行业自动控制得到快速发展，出现了许多基于现代控制理论的智能算法，这些算法及控制技术被广泛认可，得到了推广应用。

4.3 人机界面

与传统PID 控制相比，智能PID 控制器更为常见，具有广阔的应用前景。由于它具有串级控制功能，可以进一步提高控制效率，并且比传统的单轨控制系统更稳定。某石化自动化系统示意图，如图1所示。

图1 某石化自动化系统示意图

4.4 智能控制技术

（1）模拟控制。在模拟控制石油化工时根据人工操作思维执行工作，控制流程为：和化工采样得出的输出值结合，计算系统输出化工数据的变量。之后，使输出变量精准值转变成为模糊量。在模糊变量和控制规则下，与模拟推理合成规则结合计算模糊控制量，计算之后得出精准石油化工控制量。

（2）专家系统。专家系统离不开专家人员的工作经验和知识累积，构成专家遥控器部件包括推理器、控制器和知识库等。专家知识为专家控制器核心环节，自然专家知识和专家控制器好坏具有直接的影响。知识库中的专家知识比较多，比如控制理论知识、自学习知识、工程经验知识、使用规则知识等。

（3）模糊预测控制。模糊预测控制属于特殊控制方式，基于闭环优化控制策略创建的。模型预测控制的功能为：①能够预测未来动态模型，在预测模型时显示石油化工动态模型。②其所展现出来的控制作用能够通过不断优化反复实施。根据此模型所预测的控制系统实现石油化工企业生产过程采样周期的预测，对最佳控制序列进行明确，使最佳控制序列融入石油化工生产程序中，对生产环节进行优化。③此控制系统能够对校正进行反馈。反馈校正指的是检测模型预测精确程度，避免出现较大的误差。模型预测控制是创建在阶跃响应非参数模型和系统脉冲基础上的。通过大量生产实践表示，模型预测控制能够解决采样时刻模型偏差和失真等问题，还能够使干扰导致的不确定性动态问题得到解决。

4.5 做好改造设计准备工作

在石化生产环节，自动化仪表的应用，可为石化工艺的落实提供助力，满足相应的工艺应用需求，提升企业生产水平。而在石化工艺持续更新的背景下，随着生产要求的增加，企业对自动化仪表系统运用提出更高要求，使得技术改造迫在眉睫。因此，企业应结合生产需求与工艺应用要求，对自动化仪表技术改造目标加以确认，深化对仪表控制原理的了解，对改造工程所涉及的仪表设备及改造要点进行梳理，推动改造设备与电源等的明晰，为改造设计工作的开展做好铺垫。另外，相关人员应对改造项目待用仪表进行分析，充分掌握相关基础信息，促进改造设计的优化，提升改造工程质量。

4.6 对改造需求进行评估

在设计准备环节，应深入分析技术改造所涉及的待用仪表，掌握相应的基础信息，促进项目资源名称的明确，对资源类型与数量等进行确认，并将此类参数与改造设计方案进行对比分析，做好查漏补缺工作，提升改造方案完善水平[3]。与此同时，应注重对DCS系统自带手册的利用，对授权系统可用性软件进行梳理，不仅应对资源名称进行确认，而且应充分了解软件资源类别与数量，并以列表的形式将其呈现出来，对比分析需求量与可用量，为购买决策的制定打下坚实基础，保障资源采购工作的有序进行。另外，应注重对现场硬件资源的整理，以项目改造方案为依据，结合工艺流程与现场实际情况，对设备布局加以考量，适当清理现场中的可使用资源，保障各项资源的合理分布，提升各项资源统筹管理水平，使资源获得更高的利用率，降低改造成本，对现场臃肿问题加以规避，推动设计水平的提升。

4.7 积极开展设计审核工作

在自动化仪表技术改造过程中，设计审核工作的开展，可优化方案内容，提升改造方案的可行性与可靠性，为改造作业的开展做好铺垫。

（1）应对初版设计文件进行审核，对设备配置、型号与规格等参数进行确认，了解改造作业开展过程中所涉及的辅助材料，确定附件类型等，结合现场实际情况，对设计方案加以调整，促进纠偏补缺校误工作质量的提升。

（2）应对设计文件进行熟读与分析，明确材料设备采购计划，考量不同类型产品的供货周期，对申购计划进行改动，保障申购工作的有序进行。除此之外，应注重弹性时间的预留，提升突发状况应对水平，以免对施工进度造成不良影响，促进改造成本的降低。

4.8 做好技术改造准备工作

（1）在自动化仪表技术改造方案通过后，应对设备材料数量与规格等数据进行确认，并开展设备材料申报工作，为采购等工作的开展提供助力。在此过程中应对采购成本加以控制，将改造成本控制在适宜范围内，以免超出投资额度，进而增加企业经济损失量。

（2）应对参建单位与技术人员的从业资格等进行审核，了解参建单位的信誉状况与改造能力，明确相关人员是否对作业指导书进行解读，并积极开展安全教育培训工作，强化相关人员的安全意识，提升技术改造质量。与此同时，应对技术交底文件进行审查与阅读，考虑施工要求等因素，编制相对合理的施工进度计划，保障改造作业的有序推进。

（3）应对施工现场进行勘查，提升对现场环境特征与作业条件的掌握程度，并在此基础上，对改造方案进行适当的调整，提升自动化仪表技术改造水平，推动改造目标的实现。

5 石油化工行业自动化仪表国产化探索

石油化工行业作为国民经济的重要组成部分，发挥着至关重要的作用，关乎国家能源安全、经济安全。在国际竞争日趋紧张的背景之下，推动石油化工行业自动化仪表国产化替代，具有十分重要的现实意义。

5.1 提高国产化认识

国产化是确保石化工业安全的重要保障，关键核心场景的国产化面临诸多挑战，包括国产化硬件性能、国产化操作系统稳定性、系统兼容性、工控场景适应性等。国产化是一个系统性工程，需要相关生态企业和用户的共同参与、场景化实践、协同创新。在石化产品生产过程中，要从设计阶段开始，高度重视国产化的重大意义，国产化事关国民经济发展、事关能源安全、事关国家科技水平。发展石油化工产业离不开配套设备，谁拥有石化生产系统设备的关键技术、关键设备，谁就能在世界石油化工市场占据一席之地。要把提高国产化率作为一项重要任务指标，针对每一个环节、每一种产品，都要尽可能实现国产化，力争建成一个项目，国产化率就提高一大步。

5.2 推进硬件国产化

硬件是自动化系统的基础，推进石化行业自动化仪表国产化，可以大幅降低石化产品开发成本，提高经济效益。石化行业自动化系统的关键在于控制芯片、传输模块等，要加大涉及AI、芯片等关键技术的研究，着力解决“卡脖子”问题，特别是要实现核心的可编程逻辑控制器的国产化。目前，可编程逻辑芯片，包含有CPLD/FPGA，同时还有Inlel/Altera 的MAX10（带内置存储器的FPGA），要加大产品研发力度，尽可能减少对国外品牌的依赖度，提高关键部件的国产化率。

5.3 实现软件国产化

随着数智化进程的不断加快，软件在石化行业自动化方面的作用更加突出，也至关重要。工业生产过程的基础硬件的下游主要是应用软件和系统集成厂商，应用软件厂商需要根据上游基础硬件及基础软件两层架构完成进一步的软件开发，系统集成厂商负责对软硬件做最后的集成并销售给下游客户，可以说每一环都需要产品之间的高度适配。如图2所示，工业软件要把握好横向扩张，应着力提升产业链辐射能力、行业整合能力；要推进纵向扩张，实现上下游渗透，提高软件的适配性。要大力推进石化行业自动化系统国产化，充分运用新技术、新模式、新平台，推进数智化与国产化深度融合。

图2 石化行业工业软件纵横发展拓展图

6 结束语

石油化工行业地位特殊、作用重大，是我国重要的能源生产部门。随着工业自动化的快速发展，自动化、智能化仪表在石油化工行业广泛应用，在安全生产、自动计量统计等方面，发挥了重要作用。随着国内外形势的发展，石油化工行业自动化仪表国产化迫在眉睫，不仅有利于节约成本，更有利于确保国家能源安全。而现阶段石油化工自动化仪表国产化依然有着更大的进步空间，随着我国产业链的不断升级，自动化仪表国产化必然将为石油化工行业带来巨大贡献。