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石油化工自动化技术的应用与发展趋势
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石油化工自动化技术的应用与发展趋势
信息来源: | [2014-06-10 ]

作者简介:

冯冬芹,男,1968年生,工业自动化博士,浙江大学先进控制研究所副教授,浙江中控技术股份有限公司副总工程师、技术中心副主任,IEC/SC65C/WG11JWG10现场总线、实时以太网国际标准起草工作组成员,主要研究方面:现场总线、工业以太网、网络化控制系统。

 

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。

几十年来,石油化工工业自动化技术随着工艺和装备技术的不断发展而发展,从初期简单的手工操作到连续工艺及负荷不断加大,对生产稳定性要求越来越高,对控制的要求及自动化水平也越来越高,仪表使用越来越普遍,从简单回路的闭环控制到单元装置的全面自动化,使用的控制工具也从气动单元组合仪表、电动单元组合仪表到DCS的广泛应用;控制水平也从单参数简单控制回路到多变量复杂控制回路,先进控制系统、优化控制系统在各种场合都有成功应用的典范。

随着工业规模的进一步推广,快速反应、临界稳定工艺、能量综合平衡等工艺的开发成功,对自动化提出了更高的要求。另外,激烈的市场竞争也对自动化提出了新的目标与要求。同时,信息技术对石油化工自动化技术的发展也注入了新的活力。

 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FFProfibusControlNetWorldFIPP-NET等在内的八种类型(现已增加到十种类型)的现场总线,没有实现它最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DCSPLC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:

 

1FCS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。

另外,对于系统规模较小、控制对象分布比较集中的场合,以及没有扩展设备智能诊断和管理要求的场合,现场总线的优越性并不能得到充分体现,大规模更换已有的DCS设备势必造成巨大的浪费。、

基于现场总线的现场智能设备管理,也曾经被作为现场总线的一个热卖点进行炒作,但对目前世界各大公司提供的设备管理产品进行认真分析之后来看,并没有什么新意。比如,设备的故障诊断就是一门复杂的科学,它需要结合机械、电子、计算机等多学科知识,建立设备的故障模型,并采集大量设备运行状态信息以后,进行详细分析,才能作出准确和有意义的判断,对设备的维护才具有真正的指导意义。但遗憾的是,目前的设备管理软件产品基本上都没有做到这一点。

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

    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DCSPLCI/O层次上的集成,现场总线设备作为I/O卡件集成在DCSPLC中;第二是现场总线集成在DCSPLC网络上,现场总线设备通过网关集成到DCSPLC上,统一组态、监控与管理;第三则是独立FCSDCSPLC之间的信息集成,即FCSDCSPLC都独立工作,两者之间通过网关实现信息的映射与互访。在目前传统控制系统仍在大量使用的情况下,以上几种方法不仅可以利用DCSPLC成熟的技术与经验,也可以发挥现场总线的优势。

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FFHART在连续信号的处理中具有一定的特色,而PROFIBUSINTERBUS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DCSPLC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IAONAEtherCATPowerLink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。

另一方面,随着信息技术、微电子技术在自动化仪器仪表和控制系统中的广泛应用,以及工业控制网络与信息管理网络的一体化发展,企业生产过程数字化的数据采集、调节控制、监控与组态设计以及设备维护、生产管理、经营决策等环节,将通过一体化的网络通信平台统一到一个完整的综合自动化信息系统,以实现现场设备的数字化、生产过程控制的智能化、企业管理的信息化以及咨询服务的网络化。据专家预测,在这种自动化控制综合信息系统中、传统的控制信息将由原来的85%下降到40%。而经营管理信息将上升到60%。因此,工业控制领域已具有了当代IT技术和产业特征,即所谓的工业“IT”Industrial IT),其中,智能化的工业自动化仪表和工业控制网络,构成了工业“IT”的技术基础和硬件平台。

    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。

    事实上,自从计算机发明以来,自动化技术就和信息技术紧密结合到了一起。信息技术的发展,给自动化技术提供了越来越多的手段和越来越便捷的工具,使得过去很多自动化技术中高超的技巧(例如各种复杂的PID算法和诸如均匀控制、解耦控制、模糊控制等高级算法)变成了一段段比较容易实现的软件代码。也正是因为有了IT技术,自动化技术中许多停留在理论上的设想变成了现实

    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、系统集成技术成为核心技术,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、专家系统控制等高级智能控制,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(ERP-Enterprise Resource Planning)和企业供应链管理系统软件(Supply Chain Management)为平台,实现物料清单、工艺路线、库存管理、生产计划、物料需求计划、能力需求计划、成本管理、财务管理、销售管理、产品数据管理、质量管理、设备维修管理、实验室管理、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IO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核心竞争力的有效手


    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。与先进国家相比,我国的石油化工工业还普遍存在着能耗大、产品质量差、生产过程工艺落后、自动化水平低、管理水平低、信息集成度低、综合竞争力弱等问题。而企业综合自动化系统是将先进的工艺装备技术、现代管理技术和以先进控制与优化技术为代表的信息技术相结合,将企业的生产过程控制、优化、运行、计划与管理作为一个整体进行控制与管理,提供整体解决方案,以实现企业的优化运行、优化控制与优化管理,从而成为提高企业竞争力的核心高技术。

         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。1995年美国、日本、西欧等国已有100多家炼油、化工企业在实施CIMS计划,推动了流程工业综合自动化技术在实际生产中的应用,如日本三井石油化学工业公司、美国德曹达公司、高尔公司等化工企业都相继建立了综合自动化系统。

    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。(4)提高竞争力:通过数据和信息的综合集成,如先进的管理技术(包括ERPCRMSCM等)、电子商务、价值链分析技术等,以促进企业价值的增值,最终提高企业的综合竞争力。

    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。

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.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(AMTAdvanced Modeling Technologies)、先进计划与调度技术(APSAdvanced Planning and Scheduling)、实时优化技术(RTOReal-time Optimization)、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。

         通过研究生产过程制造执行系统(MES)及相关技术,可以实现在线成本的预测、控制和反馈校正,以形成生产成本控制中心,保证生产过程的优化运行;可以实施生产全过程的优化调度、统一指挥,以形成生产指挥中心,保证生产过程的优化控制;可以实现生产过程的质量跟踪、安全监控,以形成质量管理体系和设备健康保障体系,保证生产过程的优化管理。

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核心,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。

    成本效益分析以企业获得最大利润为目标。对企业生产经营进行成本效益分析、并在此基础上进行生产方案的盈亏分析,为企业领导提供实际生产经营过程和生产计划的经济指标,以提高企业决策水平,加强企业在市场中的竞争能力。

    为了达到公司预先制定的利润目标,就必须协调好企业各部门的工作,即原油采购、生产计划的制定、生产调度和产品的销售等。由于原油是炼油厂生产的主要原料,原油成本占了产品总成本的80—90%,因此,为了实现利润目标,必须首先控制原油成本,即控制原油的采购价格。

    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最高采购价格(保利点)和保证不亏损经营(利润为0)的原油最高采购价格(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。

    生产计划/调度的科学化是炼油生产过程实现一定限度的生产柔性的关键、是被学术界和工业界广泛重视的研究课题。由于炼油生产具有高度复杂性的特点,必须将生产工艺机理建模与系统工程理论紧密结合起来,去寻找解决这一问题的办法。实践结果表明,基于全流程模拟,结合应用线性规划、非线性规划或动态规划的办法建立计算机辅助生产计划/调度系统、是实现优化排产/优化调度的有效途径。

    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,取得显著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。

 

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