炼油化工仪表自动化特点及发展趋势

于世恒

(上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

炼油化工仪表自动化特点及发展趋势

于世恒

(上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

随着中国炼油化工产业不断发展壮大，炼油化工仪表自动化借助于计算机技术、网络技术等的应用，出现了许多新的技术特点及管理难点。从技术层面、应用层面、管理层面详细总结归纳了目前炼油化工仪表自动化的特点、难点、热点，概述了炼油化工仪表行业全流程优化、管控一体化、数字化工厂、工业4.0的发展趋势，为炼油化工仪表自动化更好地服务于生产做了全方位的总结和描述，对未来的智能化工厂前景做了展望。

智能化 仪表设备生命周期 预防性维护 管控一体化 大数据 云计算 物联网

炼油是石油化工加工产业链的第一环，在国民经济中占有重要的地位，截至到2016年底，中国炼油能力已达750 Mt/a, 占全球炼油能力的15%，居世界第二位[1]。炼油化工流程如图1所示。

炼油化工仪表自动化系统是为炼油化工工艺服务的,必须满足石油化工企业“安、稳、长、满、优”的总体要求。炼油化工仪表对安全性、可靠性、实时性有极高的要求，有一整套的标准体系及具有独特行业特点的完备的国际标准、国内标准。

近十几年来，在炼油化工仪表控制系统制造及应用领域，随着新技术、新工艺、新材料，尤其是计算机技术、显示技术、通信技术的飞速发展及应用，炼油化工仪表自动化呈现出一些新的特点和趋势。

1 炼油化工仪表特点

1.1 技术层面

1) 小型化、模块化、高可靠性。随着新技术、新工艺、新材料的应用，仪表制造工艺日趋完善，外观不再是体积硕大，设计粗糙，而是变得小巧精致。仪表结构标准化、模块化，可动部件越来越少，可靠性大幅增强[2]。现场仪表维护工作主要集中在仪表与检测介质接触的预处理部分，确保满足仪表检测要求即可，仪表本身故障率大幅减少。即使仪表本体出现问题，也只需简单地更换故障部件即可。

2) 智能化。仪表的智能化是指采用大规模集成电路技术、微处理器技术、接口通信技术，并利用嵌入式软件协调内部操作，使仪表具有智能化处理的功能，如仪表故障的自诊断功能等[3]。还可以对仪表性能指标数据进行统计分析，使得有针对性地制订仪表预防性维修计划成为可能，大幅提升了仪表性能。而且便于信息沟通，还可通过网络组成新型的、开放式的测控系统。

3) 总线化、数字化、无线化。过程控制系统中的现场设备通常称为现场仪表，主要有变送器、执行器、在线分析仪表及其他检测仪表。现场仪表的总线化，使得现场仪表可以通过广泛应用于计算机领域的现场总线技术进行互联。现场总线技术的广泛应用，使得组建集中和分布式控测系统变得更为容易。现场仪表总线化是数字化的基础，也是未来智能工厂及物联网的发展方向。

图1 炼油化工流程示意

随着无线通信技术的发展，现场仪表通过无线通信技术与控制系统互联也是一个发展趋势，目前无线智能变送器，在偏远无人值守的站场应用越来越普遍。

4) 网络化。仪表通过现场总线技术及计算机数字化通信技术，使自动控制系统与现场设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络的底层，可使智能仪表的作用得以充分发挥。随着工业信息网络技术的发展，以网络结构体系为主要特征的新型自动化仪表系统已经形成。

5) 开放性。自动化仪表及系统越来越多采用以Windows/CE, Linux, VxWorks等嵌入式操作系统为系统软件核心和高性能微处理器为系统硬件核心的嵌入式系统技术[4]，使得未来的自动化仪表工控系统和计算机网络信息系统的关联变得日趋紧密，两者将不断融合，界限越来越模糊。数字化、开放性的自动化仪表系统具备计算机系统所需要的所有接入方式,完善的通信接口以及标准化的通信协议可连接多种现场测控仪表或执行器设备，在过程控制系统主机的支持下，通过网络形成具有特定功能的测控系统，实现了多种智能化现场测控设备的开放式互联系统,真正做到数据资源共享。当然，工控系统开放的同时计算机网络信息系统的信息安全问题也将日益突出。

1.2 应用层面

1) 依靠在线分析仪表指导生产操作越来越普遍。通过在线分析仪表，实时分析产品及中间组分的理化指标变化情况，指导生产操作，并对操作变化做出快速反应，使得生产操作对在线分析仪表的依赖作用越来越大。而在线分析仪表的预处理部分仍然是确保在线分析仪表正常使用的关键。

2) 视频监控应用越来越深入。视屏监控不再仅用于安防，而是越来越多用于生产监控，例如加热炉炉膛视频监控等，随着图像识别技术的发展，视频监控设备会越来越多地延伸到设备内部及人力所不及的监控死角，发挥越来越大的作用。

3) 先进控制、优化控制越来越成为提高效益的重要手段。利用计算机的技术优势及计算能力，先进控制、优化控制等先进控制方法的应用越来越普及，不仅可以解决传统PID 单回路控制的局限性，使过程控制更为平稳，还可以实现卡边控制、优化控制、全流程优化控制等，大幅提高控制效果，达到节能增效的目的。

4) 环保要求越来越高，生产要求零排放、零泄漏。 2016年中国开始执行史上最严环保法，对炼化企业要求零排放、零泄漏、无污染。所有排放口实行在线监测，每个排放烟筒要求配置烟气排放在线监测系统(CEMS)。

先进的监测技术，严格的监督管理，倒逼炼油化工企业必须适应新的发展形势，通过技术进步、优化操作，做到节能减排，清洁化生产，做到发展与环境保护相平衡，达到可持续发展，这是当今每个炼化企业面临的严峻课题。

原油劣质化及企业追求低成本战略，也越来越要求仪表设备及控制系统本身的防腐蚀能力要大幅提高，以适应加工高硫原油的能力[5]。

5) 功能安全的理念深入人心。安全仪表系统已从传统的过程控制概念脱颖而出，成为自控领域重要的分支，为生产装置的安全运行保驾护航。安全仪表的应用和发展紧紧围绕安全功能和功能安全两大主题，已经发展建立起完备的技术体系和功能安全管理体系。

6) 工控系统网络安全上升到国家安全层面。随着工业控制网络与计算机信息管理网络的相互连接渗透交融，工控网络信息安全问题越来越突出，工控系统网络安全防护体系的建立健全迫在眉睫，工控网络信息安全问题已经上升到国家安全层面。工控系统实行等级保护、工控系统安全防护能力测评等工作将制度化、常态化。

1.3 管理层面

1) 维修的空间越来越小，维护的工作变得越来越重要。原来传统仪表的维护维修方式正在发生改变，维修的空间越来越小，维护的工作变得越来越重要。现在的仪表均采用模块化，可动部件极少，几乎不需要维修，发现故障即使是厂家也是更换部件或整体更换。现场维修大量的工作是做好仪表的保养维护，确保仪表引压管线畅通等维护性工作。

2) 科学化的设备管理手段不断增强，仪表设备生命周期管理、预防性维护检修渐成趋势。传统的故障后维修，正被建立在科学检测评估前提下的预防性维护所取代，智能仪表设备的故障预报警，状态监测技术越来越成熟；利用热成像仪、声呐检测仪等先进检测设备发现仪表设备故障隐患的应用越来越普及，仪表设备生命周期管理越来越被重视。

3) 管控一体化、计算机辅助管理，方兴未艾。计算机技术的飞速发展，工厂管理计算机网络与底层实时工控计算机网络深度联网融合，实现管控一体化，ERP系统、MES系统、EM系统、OA系统等管理工具各行其道，成为生产管理的有力助手。

4) 传统的仪表维保方式转变为专业化、市场化。原来仪表车间大包大揽的管理模式，正在被专业的维保公司所替代，根据仪表的特性细分为不同的仪表专业，由专业化的仪表检维修队伍，按市场化进行商业承包。依靠专业化维保带来的问题是企业核心技术的掌握和安全问题。

5) 两级管理变为一级管理。各石化企业的仪表管理模式也多由原来的两级管理模式变为一级管理模式，将原来的公司级和各二级单位分散管理变为集中管理，仪表管理更加直接，责任更加明确，更加全面细致。

6) 仪表专业技术需求向多学科复合型发展。随着仪表技术的发展，仪表专业与工艺、设备、计算机等相关专业的交叉相融变得越来越深入紧密。优化控制、先进控制要求仪表技术人员要懂工艺；机电一体化项目，要求仪表技术人员要懂机械、电气；智能化工厂更要求仪表技术人员懂通信技术及计算机技术。仪表专业不再是单一的DCS和现场仪表，而要求是复合型的全才，加速仪表复合型人才的培养迫在眉睫。

2 炼油化工仪表应用难点

1) 种类繁多，技术更新发展快，人才缺失。从气动仪表，到电动Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、单元组合仪表；再到智能变送器、调节器；从第一代DCS到如今第4代DCS， 在短短半个世纪内，仪表技术飞跃发展。尤其是控制系统采用开放型发展策略后，IT行业每隔18个月升级换代一次的摩尔定律也开始困扰工控领域。

以控制系统操作站的操作系统软件为例，从最初的各DCS厂家专用操作系统到逐步开放的通用操作系统，从DOS升级到WIN-NT，WIN2000差不多用了10a时间，从WIN2000升级到WIN-XP 用5a时间，从WIN-XP 升级到WIN-7 用3a时间。每一次操作系统软件的升级，必然带来系统硬件的升级[6]。

仪表自动化是石化行业内技术更新发展最快的一个专业，技术的发展进步，对仪表从业人员的要求越来越高，不仅要懂仪表计算机，还要懂工艺、设备。仪表自动化技术的发展,也催生了人才市场的繁荣和竞争,仪表技术人员的流失,成为困扰企业的最大问题，各企业普遍存在仪表技术人员缺失、断层现象。

2) 关键技术难以突破，高端仪表依赖进口,国产仪表难以为继。炼油化工工艺条件苛刻，一些适用于严苛工况下的高端仪表技术始终没有大的突破。如高压聚乙烯高频耐磨阀门、S_ZORB 耐磨球阀[7]、加氢反应器高温高压多点耐磨热电偶、火炬气流量计等关键部位仪表，仍依赖进口。即使是进口的仪表，也难于适应长周期生产，国产仪表差距更大。

高端仪表的技术突破，需要产、学、研，协同攻关，同时需要国家政策扶持。而改革开放30a来，在以市场换技术的政策导向下，仪表行业的几家大型国企，在外企的冲击下，高端产品推出乏力，而一些民营企业一直在坚持，并且在高端仪表的研发上取得一些成效。

近年来实施的低价中标采购策略，对仪表质量也造成了潜在的隐患。

3) 机电一体化项目管理难度大。一些随工艺包带来的机电一体化项目，其控制系统独立设置，随设备带入的PLC系统，因资料匮乏、技术保密，如黑匣子一般，一但出了问题很难处理，管理难度加大。

该问题的解决，需要在项目前期进行规避，要求厂家提供控制方案，尽量在主装置控制系统中实现，不单独配PLC，如非要单独设置控制系统，要选通用机型并关注后续工程服务等。

4) 仪表预防性维护缺乏有效的技术支持，仪表失效数据库收集建立难。由于目前仪表的智能化水平还不高，来自仪表及控制系统内部的故障自诊断信息有限，不足以支撑预防性维护，目前仪表控制系统的预防性维护，大多还停留在人工判断的水平上。仪表运行故障、隐患的发现主要依靠员工的责任心。

日常仪表控制系统维护过程中，仪表失效数据的收集、整理、归档，大多靠人工，由于近年企业改制，人员流失，基础资料的积累缺乏连续性，更没有有效的工具对基础资料进行维护，基础资料数据的收集效率低下，可用性差，难以建立起失效数据库，更谈不上利用失效数据进行有效的、定量的失效分析。

目前大多企业实行仪表维修服务外包，一些仪表的解体维修数据更是难以全面收集。要靠管理制度，推进和执行基础数据的分析和积累，用管理制度来规范细化仪表预防性维护作业，确保预防性维护制度化、规范化、常态化，维护到位，不走过场。

5) 安全仪表管理难度大。石化行业介质具有易燃易爆特性，安全生产尤为重要。根据2014年国家安监总局颁布《国家安全监管总局关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》(安监总管三(2014) 116号)，对化工企业安全仪表的设置及管理提出了具体的要求及整改时间表，安全仪表的设置及管理要以SIL评估为准则。目前各企业都根据要求开始开展此项工作，企业内部掌握SIL评估方法、具有评估资质的人极度缺乏，大多委托具有资质的第三方机构来评估。评估过程及评估结果的整改，对企业都有不小的压力和难度。老企业需要评估的装置较多，尤其是一些储运装置，原设计没有考虑安全仪表设置，需要按照新的管理要求重新设计整改。仪表制造商的安全仪表SIL等级认证更是乱象一片，鱼龙混杂，缺乏有效的监管。

安全仪表的运行管理，尤其是在线维护难度非常大，早期设计的一些安全仪表测量仪表及执行机构根本无法在线切除做维护。随着技术进步，炼油石化企业的生产检修周期已长达4～5a，尤其是安全仪表平时处于休眠状态，事故状态下才动作，安全仪表如果长期得不到检测保养维护，一旦该动作时出现拒动，后果将不堪设想。

安全仪表的在线测试如何开展，是每个企业需要认真思考的。

6) 工控网络安全存在隐患。新系统可以按工控网络安全要求去设计配置，但是大量存在的老系统，要达到工控网络安全要求非常之难。

工控网络安全最本质的问题是没有自己的核心技术，目前在用的多是国外的控制系统、智能仪表，网络安全设备，即便是国产智能仪表和DCS也是国外的芯片，用国外的操作系统，难以做到本质安全。工控网络安全问题，技术和管理是相辅相成的，要靠管理弥补技术上的欠缺。

2017年6月1日网络安全法开始实施后，按照网络安全法对工控网络开始实施等级保护，有关等级的评定划分及保护的设定，对于长周期运行的炼油化工行业如何做到定期评测，对每个企业都是一个新的课题。

7) 大量存在可燃、有毒气体报警系统设置不符合新规定存在隐患现象。近年来加工高硫油的炼油厂越来越多，可燃气、有毒气体泄漏引发的事故时有发生，对可燃气、有毒气体防护要求越来越高。而企业大量存在的老装置老系统的可燃、有毒气体报警系统(GDS)设置混同于DCS,GDS在DCS中实现，与过程仪表共用DCS控制器，没有独立设置，在报警的识别中没有足够的辨识度，在装置停车检修，DCS 点检期间，无法做到继续监测报警。

国家安监总局116号文明确规定把可燃、有毒气体报警仪纳入安全仪表系统管理，要求独立设置GDS，这对于老装置居多的老企业存在一定的改造难度。

8) 环保仪表管理难度大。自从实施环保法以来，炼油化工企业压力剧增，环保监测数据直接上传环保局，不能有一点闪失。环保监测仪表的管理及维保标准提高，难度加大，在线分析仪表受环境及工况制约，其精确度及准确度，经常受制于采样预处理部分，需要努力去探索维保方法，总结经验，才能满足工艺实时监测的需要。

VOC检测，许多阀门阀杆的动态密封达不到要求，这与现行的阀门制造标准有关，环保标准提高了，而阀门等仪表的制造标准并没有提高。阀门的密封标准要相应的提高，阀门的预紧力，膜头的推力都要增加，只有仪表设备达标了，使用过程才能达标。

9) ERP，EM等信息化管理项目还不能完全发挥作用。炼油化工企业是国内较早推广ERP，EM的企业，但是效果一直不尽如人意，目前大部分企业还是线上、线下2条线在走，还做不到所有的专业管理完全线上实施。尤其是EM系统，对仪表专业来讲，仪表种类繁多，规格技术参数庞杂，各企业的管理模式各有不同，仪表基础资料缺乏积累和完善，仪表管理完全纳入EM有相当大的难度。

各企业不同时期、不同专业、不同应用、不同的开发单位开发的信息管理系统，在功能上相互独立，缺乏互通互联，做不到信息共享。企业同仪表及控制系统制造商、设计院、施工单位等部门跨区域的合作沟通、资料交付等还做不到完全数字交付。

目前企业最急需做的是已有信息化项目的完善及互联互通，扎实做好基础工作，用好EM，ERP，提高仪表自控率，加速信息化建设，使得工控自动化与信息化深度融合。

3 热点问题

3.1 大数据

来自底层控制系统的生产过程实时数据，经过数据分析、整理、加工后用于生产调度计划管理，已经非常成熟。如今，利用大数据分析技术用于生产过程报警管理，实现报警分类、优化、存储、分析等功能，大幅增强管理效率[8]。通过报警管理实现黑屏操作，已经在部分企业中实现。

大数据分析也是设备管理的主要技术手段，设备的失效数据分析，就是建立在大数据分析的基础之上，设备的状态监测也是依托大数据分析。

用于指导生产操作的工艺过程生产模型，更是建立在大数据分析基础上，精准的数学模型的建立，全靠庞大的数据分析支撑。全流程优化、分子炼油等技术已经在部分企业实施。

3.2 云计算

计算机技术的发展，使得其计算能力足够强大，原来就地设置，用于服务某局部功能的数据处理运算，可以移植到专用的服务器上在异处、异地实现，这就是云平台的概念。

现在控制系统操作站的功能，可以通过云平台来实现，在工厂设置云平台服务器，把各装置分散的控制系统操作站，统一集中到云平台上进行数据处理和监控，操作工在各控制室通过操作终端的虚拟操作站进行操作。

通过云计算技术，建立云平台服务器，实现虚拟操作站，不再受制于DCS操作系统软件版本不断升级之苦。

云计算、云平台技术在商业领域已成功应用，百度云、阿里云等都有广大的商业用户，国外控制系统公司如霍尼韦尔、西门子推出了工业云平台，国内中石化与华为公司合作也在加速创建中国的工业云平台。

3.3 物联网

计算机技术的发展，使得每台设备都可能内置芯片，成为智能设备，把每台智能设备通过计算机网络互通互联，都纳入工控计算机网络控制管理，这就是工业物联网的概念。

工业物联网打破了原来的仪表控制的概念，使连接物联网的每台设备都变成了仪表，都可以实现在线监控。

工控巨头艾默生公司已推出工控物联网方案，通过Wireless Hart 协议的智能变送器，嫁接改造老旧仪表系统和设备，把安全阀、疏水器等设备连接成工控物联网，实现对以往需要靠人工监控的设备进行在线实时监控管理。

目前已有企业和控制系统厂家合作在进行试点。

3.4 智能工厂

智能工厂是近两年最热的话题，各行各业都趋之若鹜，目前虽然还没有统一的标准及技术规范，技术上还存在瓶颈，但是丝毫不降低各企业追逐的热情。

目前智能工厂建设正处在抢占技术制高点的阶段，国外各大公司都在发力攻关，纷纷推出智能工厂模型及解决方案。国内企业也不甘落后积极行动，中石化联手浙大中控等企业，已经开展智能工厂试点，组织力量在制订标准，九江石化等一批石化企业，在智能化工厂建设方面已经收到成效。

4 发展趋势

4.1 全流程优化

借助先进控制技术及算法，突破传统的单回路PID算法，以往传统控制方案难于解决的回路相互关联、相互耦合等难题，有了解决方案。局部优化、单元优化，如加热炉热效率控制优化、压缩机组控制优化等方案的应用越来越多。

优化控制、先进控制正向企业全流程优化发展，实现精准控制，实现分子炼油，真正实现上下协同，效益最大化。

4.2 管控一体化

管控一体化必须实现数据资源共享，实现跨部门、跨专业、跨区域的互联互通，真正做到人机协同，管控自如。

目前在技术层面实现企业内部纵向各功能模块的互联互通已经不困难，难的是改变观念，打破原有的企业管理格局和思维定式，由定性到定量，做到靠数据说话。

目前在横向跨部门跨区域的互联互通还有难度，未来借助云平台技术可以提供很好的解决方案。

4.3 数字化工厂

数字化是智能化的基础和前提，实现数字化后，实时信息可以由两维变三维；实时信息由孤岛变为集中共享；实时工作描述由写意到写实；实时培训由抽象到虚拟仿真，实施预案由文字到虚拟现实模拟；实时生产运维由静态到时空结合转变[9]。

4.4 工业4.0

工业4.0是一种工业生态，不是某个行业局部的智能化，是整个工业的一个业态，炼油化工企业也不例外。

那时的仪表自动化系统是具有自学习功能的仪表控制系统，生产控制过程无需人工干预，实现对生产数据的多维度实时分析，数据的采集、监控、分析、处理实现PDCA循环，可以实现分子级别的炼油加工，实现产品的定制化、差异化生产。

5 结束语

改革开放近40 a来，中国经济飞速发展，近几十年来全球新建炼厂大都集中在中国大陆地区[10]，仪表自动化专业人员对炼油化工仪表自动化的发展有更深刻的体会。对当下炼油化工仪表行业难点、热点的解读，对未来发展趋势的展望，有助于对当下炼油化工仪表的发展有更全面的理解和认识，更好地把握机遇，迎难而上，迎接飞速发展的工业4.0时代的到来。

[1] 2017年中国炼油行业现状分析及发展趋势预测 [DB/OL].[2017-05-26].http//:www.chyxx.com/industry/201705/526674.html.

[2] 陈优先.化工测量及仪表[M].北京:化学工业出版社，2010.

[3] 于世恒.智能仪表的前世今生[J].流程工业， 2011(22):28-30.

[4] 林玉池.测量控制与仪器仪表前沿技术及发展趋势[M].天津:天津大学出版社，2008.

[5] 于世恒.不容忽视的控制系统腐蚀[J].流程工业， 2012(13):

26-27.

[6] 于世恒.控制系统升级改造[J].石油化工自动化,2010,46(02)：29-31.

[7] 于世恒.S-ZORB装置程控阀故障分析与对策[J].石油化工自动化,2015,51(03):74-75.

[8] 叶向东.数字化石油炼制和石油化工工厂建设初探[J].石油化工自动化, 2013,49(04):1-4.

[9] 路守彦.石油化工智能工厂建设[J].炼油技术与工程，2016 (03):27.

[10] 叶向东.现代石油化工企业工程建设[J].石油化工自动化, 2012，48 (05):1-5.

CharacteristicsandDevelopmentTrendofInstrumentAutomationinRefiningandChemicalIndustry

Yu Shiheng

(Sinopec Shanghai Petrochemical Co.Ltd., Shanghai, 200540, China)

s：With continuous development and growing, and with the aid of computer technology, network technology and other new technology, many new features and management difficulties come into being for refining and chemical industry of China.The features, hotspots and difficulties of current petrochemical instrument automation are summarized in detail from the point of technical level, application level and management level for oil refining.The overview on whole process optimization, integration of management and control, digital factory and development trend of industrial 4.0 is presented.A comprehensive summary and description on how to serve the production better for oil refining and chemical engineering are proposed.The prospect for future intelligent factory is expected.

intelligent; life cycle of instrument and device; preventive maintenance; integration of management and control; big data; cloud calculation; internet of things

稿件收到日期：2017-09-06，修改稿收到日期2017-10-20。

于世恒(1962—)，男，辽宁大连人，1984年毕业于抚顺石油学院生产过程自动化专业，现就职于上海石化公用事业部，负责仪表运行管理工作，任高级工程师。

TP273

B

1007-7324(2017)06-0001-06