大型石油（煤）化工工程自动化和信息化集成系统与企业精益管理

范宗海

（中国石化工程建设有限公司，北京100101）

近年来，世界范围内石油化工、新能源、替代能源技术不断进步，大型石油化工工程和新型煤化工工程都得到了蓬勃发展。中国石油（煤）化工得益于后发优势，实施生命周期管理、生命周期安全、生命周期服务，建设健康、安全、环保、节能的现代化企业，提升企业精益管理水平等先进理念越来越受到高度重视。大型石油化工工程和新型煤化工工程的建设朝着基地化、大型化、集约化、智能化的方向发展。功能先进、集成化的自动化和信息化集成系统是生产装置和辅助设施实现监视、控制和操作管理统一协调的重要保证，是大型石油化工和新型煤化工工程实现高水平的过程控制和精益管理的重要手段之一。

自动化和信息化集成系统能有效降低仪表与控制系统方面的生命周期成本。全厂性统一优化仪表与过程控制系统的配置方案，避免重复配置，降低备品、备件的需求量，降低制造厂项目管理、制造管理、包装运输等费用。自动化和信息化集成系统及其一体化工程实施汲取了世界跨国公司在大型工程建设方面的经验，代表了当今世界先进的项目实施理念，对提高企业经济效益，增强企业竞争力等具有深远意义。

新建大型石油化工或新型煤化工工程全厂信息集成系统通常分为三层：过程控制层PCS（process control system）、运行管理层MES（manufacturing execution system）和经营管理层ERP（enterprise resource planning）。根据国内建设模式的特点，MES和ERP的研究与实施不属于工程建设范畴。文中提到的自动化和信息化集成系统专指过程控制层的自动化和信息化集成系统。

1 自动化和信息化集成系统

1.1 总体架构

通过研究世界范围内大型石油化工和新型煤化工工程智能化生产技术现状与发展趋势，借鉴国内外著名企业的自动化和信息化集成系统总体解决方案和实际应用情况，并结合国内自主建设的实际情况和特点，自动化和信息化集成系统包括生产过程控制层、工厂信息集成层。典型的自动化和信息化集成系统总体架构如图1所示。

图1 典型自动化和信息化集成系统总体架构示意

1.2 生产过程控制层

生产过程控制层主要包括：分散控制系统（DCS）、安全仪表系统（SIS）、有毒/可燃气体监测系统（GDS）、压缩机控制系统（CCS）、转动设备监视系统（MMS）、设备包控制系统（EPCS）、在线分析仪系统（PAS）等，核心是DCS。生产过程控制层实时监控生产操作、原料及产品储运、公用工程和产品质量等全过程，并保证生产操作安全、可靠、稳定、长周期及满负荷运行。

1.2.1 分散控制系统

DCS完成生产装置的基本过程控制、操作、监视、管理、顺序控制、工艺联锁控制等，部分先进过程控制也在DCS中完成。DCS由操作站、辅助操作台、打印机、工业PC机、控制站、I/O机柜、端子柜、配电柜及网络设备等组成。中心控制室（CCR）设置工程师站用于组态维护、故障诊断等工作。CCR设公共的硬件平台及以太网接口用于连接全厂信息管理系统。各控制站配置冗余的串行通信接口连接SIS，CCS，MMS，PAS，EPCS等系统。

大型石油化工和新型煤化工工程全厂DCS采用局域网构架。根据生产需求、系统规模和总图布置划分为若干独立的局域网，确保每套生产装置独立开停车和正常运行。

1.2.2 安全仪表系统

SIS设置在现场机柜室（FAR），与DCS独立设置，以确保人员及生产装置、重要机组和关键设备的安全。SIS按照IEC61508中规定的SIL3级设计；采用经TÜV安全认证的三重化或四重化的可编程序控制器PLC（programmable logic controller）；按照故障安全型设计；与DCS进行实时数据通信，在DCS操作站上显示。SIS设工程师站，顺序事件记录站SER（sequence event recorder），显示报警及操作通过辅助操作台上的开关、按钮和DCS/SIS的操作站来完成。

新型煤化工工程全厂SIS采用局域网构架，根据生产需求、系统规模和总图布置划分为若干独立的局域网，确保采用SIS的生产装置独立开停车和安全运行。

1.2.3 可燃/有毒气体检测系统

生产装置、公用工程及辅助设施内可能泄漏或聚集可燃、有毒气体的地方，分别设有可燃、有毒气体检测器，并将信号接至GDS。GDS宜独立设置，报警信号通信至DCS，在中心控制室实现独立声光报警。

1.2.4 压缩机控制系统

CCS完成压缩机组的调速控制、防喘振控制、负荷控制及安全联锁保护等功能，并与装置的DCS进行通信，操作人员能够在DCS/CCS操作站上对机组进行监视和操作。CCS采用双重化或三重化的冗余、容错系统。

1.2.5 转动设备监视系统

MMS用于蒸汽透平、压缩机和泵等主要转动设备参数的在线监视，同时对转动设备的性能进行分析和诊断，对转动设备的故障预测维护进行有力的支持。重要转动设备的主要运行参数，包括轴振动、轴位移、转速等，直接传送至MMS。

MMS包含检测器机架和上位诊断分析系统两部分。MMS将大型机组和大功率高速泵的主要转动参数上传至上位诊断分析系统的服务器，服务器接收、存储、备份现场监测站上传的数据；管理状态监测数据库；上位服务器系统安装先进的诊断分析软件，通过图谱分析、报表、诊断及数据传输等功能实现转动设备的在线监视分析。

1.2.6 设备包控制系统

操作控制相对比较独立或特殊的设备包的控制监视和安全保护原则上采用独立的EPCS，并与DCS进行数据通信，操作人员能够在DCS操作站上对设备包的运行进行监视与操作。

1.2.7 在线分析仪系统

PAS包括采样单元、采样处理单元、分析器单元、回收或放空单元、微处理器单元、通信接口（网络与串行）、显示器（LCD）单元和打印机等。复杂的在线分析仪带有网络通信接口，能够接入工业以太网（TCP/IP协议）构成在线分析仪系统；同时通过串行通信接口（Modbus-RTU）与DCS进行数据通信。

1.3 工厂信息集成系统

1.3.1 工厂信息集成目标

工厂信息集成层是将生产过程控制层的数据进行自动采集并建立大型实时数据库和关系数据库，并针对大型石油化工和新型煤化工工程的实际情况和特点，客户化研究与开发应用软件。工厂信息集成层主要包括公共管理系统、操作数据管理系统（ODS）、智能设备管理系统（AMS）、报警管理系统（AAS）、操作员仿真培训系统（OTS）、先进过程控制（APC）、远程网路访问（WEB）等，核心是生产操作管理与优化。

工厂信息化集成系统的目的：通过自动化和信息化集成系统，统一生产和管理过程的数据源，实现调度管理、生产管理、绩效考核、事故分析、优化操作等，实现远程网络访问，提供安全可靠的信息化支撑平台。

1.3.2 公共管理系统

大型石油化工和新型煤化工工程的生产装置、公用工程及辅助设施的自动化系统设置为各自独立的局域网（LAN），以保证整体网络的安全。公共管理系统通过在中心控制室内的三层骨干交换机将各个独立局域网连接起来，自动采集每个局域网内的操作数据。该局域网配置公共的仪表工程师站、工艺工程师站、全厂调度站，作为系统维护、操作管理、生产调度等工厂级管理平台。

1.3.3 操作数据管理系统

ODS自动地从DCS收集实时数据，储存至实时数据库。ODS提供工厂物料质量平衡和能量平衡计算，产品质量数据（在线和离线分析数据）；显示工艺流程画面；显示实时数据及历史数据；显示用于分析的工艺数据趋势画面；标准化报表和用户化定制报表等。

ODS可实时获得各个生产装置及公用工程的数据，利用这些数据更好地实现优化操作、稳定生产、调整计划、改进经营、节省能源、降低成本和保护环境的目的。典型的ODS结构如图2所示。

图2 典型ODS结构示意

ODS中心服务器将DCS采集的海量数据和其他系统的数据进行多种客户化应用。主要的客户化功能包括：

1）报表功能。报表功能采用Excel格式呈现给生产管理相关岗位，报表的格式和内容应根据大型石油化工和新型煤化工工程的自身特点，适应工厂的管理模式。主要的报表内容包括关键技术指标（KPI）、平稳率、质量合格率、能量消耗、物料平衡、投入产出、成本核算报表等。

2）流程图功能。ODS的流程图能够实现实时展示、历史重现、KPI报警、自定义趋势图等功能。

3）趋势图功能。

4）数据库高级应用功能。

1.3.4 智能设备管理系统

AMS是对现场智能仪表（如智能变送器和智能阀门定位器等）进行维护、校验和故障诊断的管理系统，是全厂智能设备管理系统的一个组成部分。AMS具有智能仪表设备组态、状态监测及诊断、校验管理和自动文档记录管理等功能，自动地为检测和控制仪表建立应用及维护档案，进行预测维护管理，以保证智能仪表的可靠运行，减少维护工作量，提高设备的管理效率。典型的AMS网络结构如图3所示。

图3 典型的AMS结构示意

AMS应具有以下功能：现场智能仪表设备组态及管理；储存现场仪表设备的组态和校准数据；现场仪表设备诊断；具备第三方诊断软件（如控制阀和变送器）嵌入功能；向工艺操作人员报警；向维修车间报告故障；生成维修工作顺序。

1.3.5 报警管理系统

报警管理是近年关注的热点，世界范围内发生的多种工业事故与报警管理不当有关。大型现代化石油化工和新型煤化工生产装置及公用工程报警设施繁多，报警信息过多过频，不仅给操作人员造成压力，而且可能疏漏严重的报警，导致不必要的生产损失，降低生产的安全性。

AAS是对工厂的工艺过程和控制系统报警信息进行采集、分析、管理及优化的系统，协助工艺操作人员发现工艺过程及控制系统出现的需引起注意并作出响应的问题，采集报警信息以支持事件记录、事故分析、报警管理、优化改进等工作。AAS通过报警分组，报警优先级，基于工况的报警、报警过滤、报警抑制，上位报警信息诊断分析功能等，实现生命周期的报警管理，提高生产操作安全性。典型的报警管理生命周期活动如图4所示。

图4 典型的报警管理生命周期活动示意

1.3.6 操作员仿真培训系统

OTS培训操作人员使用DCS操作生产装置。包括开车、正常生产、正常停车、紧急停车、工艺切换和负荷调整等，并对操作人员的操作技能给与评估。OTS使用独立的内部局域网，网络节点包括仿真计算机、教学工作站、培训操作站和外围设备等。

OTS提供培训操作软件，开发和维护仿真模型，进行DCS组态。教学工作站软件可以建立表格、画面和趋势显示，并能跟随模型的仿真变量进行变化。培训操作站具有与DCS操作站相同的操作功能。OTS仿真模型的流程图和趋势画面与DCS相一致，并提供诊断DCS故障的软件。

1.3.7 先进过程控制

APC技术已在国内外石化企业广泛应用，通过APC在改进控制品质，优化生产操作，提高生产能力、产品质量和产品收率，减少能耗，实现装置经济效益最大化等方面，取得令人满意的结果。

1.3.8 远程网络访问

通过WEB服务器及设置相关安全防护措施，用户可通过Internet网络在任何地方安全地访问WEB服务器。该网络和过程控制系统网络（如DCS，SIS等）之间严禁直接连接，使用独立的硬件网卡及网段地址，确保控制网络的独立和信息安全。与工厂信息网络连接时，所有的接口必须通过硬件防火墙隔离，保证控制系统网络的安全。

1.3.9 客户化定制

工厂信息集成系统不是各个系统的简单堆砌，也不是越多越好。在系统的配置与实施过程中，根据企业自身的情况和特点进行优化组合，坚持不间断地进行客户化定制开发，更好地服务于企业的生产操作和运行管理，真正提高使用效率，并为企业带来经济效益和社会效益。

1.3.10 网络安全

大型石油化工和新型煤化工工程自动化和信息化集成系统规模庞大，应高度重视其网络安全策略的研究及实施。为避免网络遭受外界的恶意攻击及网络病毒感染，同时为避免控制系统内及系统间因非必要信息的大量传输而导致的网络崩溃，过程控制网络与工厂信息网络之间的通信应采用防火墙等隔离手段。自动化和信息化集成系统应采用分层控制网络，各层之间应有严格的访问控制权限，应采用冗余网络交换机及冗余容错技术，使通信节点具有多路径选择能力。系统应具有网络状态的实时诊断功能。全厂应设置防病毒服务器和时钟同步设施。

2 一体化工程实施策略

大型化、一体化和智能化的大型石油化工和新型煤化工工程的自动化和信息化集成系统的工程实施宜采取主自动化系统供货商MAV（main automation vendor）的模式。在工程总体设计和基础设计阶段，各工艺装置、公用工程和辅助设施的各工作包将分别采用统一询价、公开招标的方式，确定各主采购合同供货商及单位硬件、软件和工程服务的框架协议；在项目详细设计阶段，以各主合同和框架协议为依据，根据装置各自的项目进度，与各MAV确定装置的采购合同。自动化和信息化集成系统MAV策略的实施分为定义阶段、先期介入阶段和执行阶段。

2.1 定义阶段

定义阶段的主要工作内容是确定全厂自动化和信息化集成系统的实施策略，编制各工作包询价规格书，组织技术交流，完成各工作包招标、投标、评标和授标工作。定义阶段要确定MAV策略实施的范围，并编制各类MAV询价技术规格书。定义阶段需要最终用户和设计单位的积极参加，全局考虑，统筹安排。

2.2 先期介入阶段

先期介入阶段的主要工作是编制执行计划和作业程序文件，编制功能设计规格书，文件审查，完成各自动化系统硬件和系统软件的设计等。先期介入阶段是对大型石油化工和新型煤化工工程的标准化定制阶段，是区别于传统项目执行模式的关键阶段。

在前期介入阶段，首先组织一体化工程实施的工作团队，进行管理、监督与审查，并协调MAV与各方的界面关系。工作团队可采用PMC模式，也可由最终用户、设计单位和MAV组成联合执行工作团队。

该阶段的关键工作内容是编制功能设计规格书。功能设计规格书通常分为管理文档和工程文档。管理文档主要包括：人力资源计划、项目进度计划、项目执行计划、文档管理计划、成本控制计划、变更控制程序、文件传递和审批管理等。工程文档主要包括：系统硬件功能规格书、系统软件功能规格书、系统网络安全规格书、系统常用功能块规格书、人机界面功能规格书、典型机柜布置等。

先期介入阶段的关键控制点包括：总体网络架构设计及审查；项目管理文档编制及审查；硬件功能规格书编制及审查；软件功能规格书编制及审查；网络安全功能规格书编制及审查；中心控制室方案设计与审查。

2.3 执行阶段

执行阶段主要确定各生产装置（单元）采购合同，完成工厂制造、应用软件组态、工厂检验等工作，配合现场检验、安装和系统调试工作。

执行阶段的关键控制点包括：各装置及公用工程设计院对技术附件确认；业主（或EPC承包商）与MAV签订各装置及公用工程商务合同；各装置及公用工程开工会；各装置及公用工程设计院提交设计条件；各装置及公用工程设计院确认MAV软硬件设计资料；各装置及公用工程FAT/IFAT；各装置及公用工程SAT；各装置及公用工程现场调试、配合开车、系统维护。

3 大型中心控制室

为协调统一自动化和信息化集成系统，大型石油化工或新型煤化工工程通常采用中心控制室现场机柜室分离设置的方式。操作站设置在中心控制室，控制站设置在相应的现场机柜室，现场机柜室到中心控制室的信号传输采用冗余光缆“一天一地”敷设。操作管理人员在中心控制室完成生产装置的控制、监测、报警及报表等操作。现场机柜室设置少量带工程师站属性操作站，用于开车前的系统调试和系统维护工作。

大型中心控制室是自动化和信息化集成系统的集中体现，也是大型石油化工或新型煤化工工程的新的“标志性”建筑。大型中心控制室包含了建筑、结构、暖通空调、自控、电气、电信、IT、给排水、职业卫生与安全等多个专业的设计技术，除了应满足相关的的国家及行业标准之外，还应遵循人机工程学的原理，进行人性化控制中心的设计，以满足大型石油化工或新型煤化工工厂对集中操作、统一调度、信息共享、资源共享、优化管理的要求。

4 自动化和信息化集成系统与企业精益管理

企业的发展归根到底要受市场制约，如何能适应瞬息万变的市场，在保证产品质量的前提下，有效降低生产成本，避免资源浪费是每个企业追求的目标，也是企业精益管理的目标。精益管理是世界范围内大型制造企业共同遵守的先进管理理念，是一种多品种、成批量、市场导向型生产条件下，高质量、低消耗的生产方式，通过准时化生产、零库存、标准化/自动化流程、柔性生产等手段，实现企业的全“量化”精益管理。在全球化日益紧密的当今时代，度过了“大干快上”的初级工程实施阶段后，中国的大型石油化工工厂和新型煤化工工厂，实施高水平的精益管理是大势所趋，是提高企业发展后劲，实现现代化工厂管理，全面提升经济效益和社会效益的必由之路。

在企业精益管理过程中，自动化和信息化集成系统的应用是促进企业提高管理水平的重要手段，好的管理在很大程度上依赖于实时、无缝的“数据”。新一代自动化和信息化集成系统可综合管理工厂的“大数据”，为企业提供信息化平台和软件工具。海量的工厂“大数据”本身并不能提供现代化企业精益管理所需的有价值信息，需要利用自动化和信息化集成系统提供的数据整合、提炼、总结等手段，通过持续进行客户化开发，寻找并形成针对现代化企业精益管理所需的有价值的信息，使自动化和信息化集成系统真正发挥信息化的作用，提升企业的现代化精益管理水平。

5 结束语

实践经验证明，高度集成的自动化和信息化系统可以保证大型石油化工或新型煤化工工厂的安、稳、长、满、优运行，还可以提升现代化企业生产操作、运行管理、调度控制、绩效考核、工艺优化等精益管理水平，提高企业的综合竞争力。通过建立可靠的信息化平台，可为企业未来获得更大的经济效益和社会效益打下良好的基础。在大型石油化工或新型煤化工工程自动化和信息化集成系统的工程实施中，应坚持统一规划、集中管理、客户化定制、服务生产的原则，使企业获得更大的效益。

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