自控专业智能工厂设计技术初探

谢腾腾，闵祥红，李德刚，李 华，戴陈海，贾玉明

（1.中海油石化工程有限公司，济南 250101；2.山东鲁新设计工程有限公司，济南 250100；3.西尼尔（南京）过程控制有限公司，南京 210000）

0 引言

《智能制造发展规划（2016-2020 年）》（工信部联规〔2016〕349 号）指出，智能制造是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式。随着国家实施《中国制造2025》以及工业“两化融合”战略，《中国制造2025》明确要推进制造过程智能化，在重点领域试点建设智能工厂，这必将加速智能工厂技术在石油化工行业中的应用推广。目前，智能化工厂技术已经在惠州石化、九江石化、镇海炼化、燕山石化等企业初步应用。研究表明，中国石化行业自动化程度较高，在自动化应用方面，超过90%企业应用了过程控制系统，生产过程实现了自动化，进一步提高了能源使用率，保证装置平稳运行，但是进一步智能改造较为复杂。国内智能工厂发展处在实验阶段或者起步阶段，初步具备了几种智能特征，但距离全面有效地管理信息和综合使用信息、大数据还有很大的差距。在开发、设计、施工、操作、维护等技术和管理人员方面存在不同程度的不匹配。本文从自控设计角度出发，探讨石油化工智能工厂自控设计技术，其中自控专业在智能工厂控制层起到主导和实现的作用[1-3]。

1 自控设计智能化技术概述

智能控制系统包括BPCS 系统、SIS 系统、GDS 系统等。BPCS 经历了从20 世纪40 年代PID 控制，20 世纪50年代串级、前馈、比值、选择，20 世纪60 年代现代控制理论的发展，20 世纪70 年代在频域领域进行高级控制，20 世纪80 年代预测模型控制，到20 世纪90 年代国内将首套预测模型的多变量控制取代了PID 控制方案并应用到催化裂化装置以来，先进控制在石油石化装置中得到大量应用[4-6]，但是在石油化工领域仍存在实际原料与设定的公用工程条件难以跟设计完全相符，给优化技术带来严峻挑战。同时，基理建模与原料、催化剂活性等问题，也给求最优解带来了困扰[4,7]。1870 年左右德国黑马公司的首套故障安全型SIS 系统投产，这套系统绝大部分采用电磁继电器搭建而成，主要是根据工艺要求将工艺参数信号触发继电器联锁执行原件，实现联锁以保护生产装置安全。1980年左右，学者Donald S. Sikora 提出了紧急关断系统的概念。但是用工业继电器搭建的控制系统检修、维护过程查线非常困难，并且安全型不能很好的保证。市场要求通过新的技术实现增加系统安全性，同时缩短检修、维护联锁控制系统的时间。同时，在继电器基础之上发展起来的 PLC（Programmable Logic Controller）刚刚开始工业应用，主要是用来生产装置的过程控制。PLC 逐渐取代继电器实现联锁保护，但作为基本过程控制系统的一部分，硬件和软件是不分开的。21 世纪以来，安全仪表系统虽从理论、工程设计技术上发展迅速，但工程实践过程仍然有SIL 评估不科学、不全面，SIS 系统逻辑设计不合理，SIF 的系统性能力、系统结构、PFDavg 存在过设计和欠设计的现象，导致SIS 系统不能100%投入。FGS 工程设计技术虽从21 世纪在国内开始发展起来，但关于火气系统安全评估分析在国内没有规范可依，目前存在火气探头布置不合理、无有效的安全评估、无全生命周期管理依据的问题[8-11]。

目前，新理论、新知识与新技术对过程控制的发展产生了深远的影响，学科间的深度交叉和计算机、通信、数据处理等技术的融合应用，使得自动化技术发生了质的变化，逐渐改变了传统过程控制的范围，把控制理论、系统论和信息论有机结合，在计算机技术、通信技术、网络技术、工业安全技术等的支持下，形成了更为广泛的综合控制系统。因此，对自控专业工程设计带来了巨大的挑战，并且由最初的BPCS 延伸到生产管理、经营管理和决策等过程。将来，因基于大数据的动态性、多率性、逻辑隐蔽性和知识的层次性要求，对数据处理和解析技术必将提出特殊的软件算法和硬件需求。

由于工业数据在时间、空间维度上的扩张和爆炸，自控专业工作范围和设计深度将不断增加。随着人员安全意识的不断增强，SIS 系统设计技术、SIL 评估技术、FGS 布点技术将在设计阶段更加完善。同时，应该避免进入概念误区，如：通过设计进行黑屏操作；通过机器人换人变成智能工厂；通过简单地把DCS 系统数据、PLC 系统数据、SIS 系统数据、GDS 系统数据上传，就将其称为“智能工厂大数据”。自控设计阶段务必对自身基础条件、核心问题以及自控专业设备在智能工厂中的投资产率等问题做出冷静思考，选择制定适合自身的特定环境的解决方案。其中，包括智能仪表所涉及的智能阀门、变送器、新材料、新仪表、新网络等相关技术，而自控专业设计数字化交付是指在交付平台数据标准、服务标准、管理标准约束下的基于智能集成平台的设计成果的提交。

智能工厂信息系统作为企业或工厂规划设计与工程设计的主要内容之一，并应与工艺、自控、电信等专业的设计相互协调。智能工厂信息化建设过程中借鉴了国外先进的工业控制系统和企业管理系统的开发软件技术，这些专业软件在应用过程中也逐渐形成了多学科、多专业集成的应用平台，即项目数据库平台。在平台选择时，应采用行业内有成功应用案例的、国内外的成熟产品和开放的、商品化的系统及集成平台。

目前，工业控制系统信息安全存在隐患如：操作系统隐患、通信协议隐患、杀毒软件隐患以及相关软件国产化率不高等。首先，由于大多数工业自控系统都是windows平台，考虑到操作系统与控制系统的兼容性，对windows平台往往不安装补丁，但系统的稳定性无法保证；其次，各个品牌厂家的组态监控软件依赖于windows 操作系统自带的各种服务，任何一个服务出现损坏，则会导致监控软件的部分功能甚至全部功能失效。然而信息化和工业化的高层次的深度结合，使得TCP/IP 等通用协议和技术越来越广泛地应用在工业自控网络中，这就减弱了控制系统与外界的隔离。病毒、木马向控制网扩散，工业自控系统的安全隐患问题日益严峻。杀毒软件的病毒库需要不断地更新，这一要求不适合工业控制环境，许多工控系统通常不会安装杀毒软件。即使安装了杀毒软件，由于软件对新病毒的处理总是滞后的，在使用过程中也有很大的局限性。针对这些安全隐患，应建立工业控制系统安全防范对策：基于终端的工业系统安全防御体系、办公网络终端的安全防御、工业控制网络终端的安全防御。

2 结束语

目前，中国石化行业信息工程人才培养存在很多不足，包括：信息工程培养机构少而不专；培养模式的市场向导性比较弱；培养手段过于单一、培养后给企业带来的经济效益衡量困难，这些势必影响石化企业信息化进程。针对这些问题应明确人才培养目标，科学规划培养内容，以市场为导向的培养模式要运用信息化的培养方法，结合具体项目针对性培养信息化工程设计人才，做好人才和知识积累。

石化工厂属于传统行业，其中建设过程中的设计、安装、调试、运行、维护等环节也属于传统行业。目前国内传统行业和信息行业人才薪酬水平差别较大，建设智能工厂需减少的操作与维护人员的总薪资可能赶不上所要增加的信息化操作、运行维护人员的薪资水平，导致传统行业信息化人才缺口较大。而复合型高端人才更是受到国内外信息化行业的青睐，巨大的人才缺口从根本上削弱了智能工厂持续发展。