摘要：結合目前國內外工業自動化發展現狀與趨勢，分析了現場總線、工業IT技術、綜合自動化在石油化工工業自動化技術中的應用與發展趨勢

　　關鍵詞：自動化 現場總線 工業IT 綜合自動化

　　ABSTRACT：Based on the analysis of worldwide industrial automation technologies, this paper presents the application and development analysis of fieldbus, industrial IT and integrated automation used in petroleum and chemical engineering automation.

　　Keywords: automation, fieldbus, industrial IT, integrated automation

　　一、引言

　　在信息技術高度發達的今天，作為傳統工業的石油化工工業仍然是一個國家經濟發展的重要支柱性基礎產業。

　　幾十年來，石油化工工業自動化技術隨著工藝和裝備技術的不斷發展而發展，從初期簡單的手工操作到連續工藝及負荷不斷加大，對生產穩定性要求越來越高，對控制的要求及自動化水平也越來越高，儀表使用越來越普遍，從簡單回路的閉環控制到單元裝置的全面自動化，使用的控制工具也從氣動單元組合儀表、電動單元組合儀表到DCS的廣泛應用；控制水平也從單參數簡單控制回路到多變量復雜控制回路，先進控制系統、優化控制系統在各種場合都有成功應用的典范。

　　隨著工業規模的進一步推廣，快速反應、臨界穩定工藝、能量綜合平衡等工藝的開發成功，對自動化提出了更高的要求。另外，激烈的市場競爭也對自動化提出了新的目標與要求。同時，信息技術對石油化工自動化技術的發展也注入了新的活力。

　　二、現場總線的應用將逐步推廣

　　現場總線（fieldbus）是應用于生產現場，在現場儀表（包括變送器、執行器、記錄儀，單回路調節器、可編程序控制器等）之間、現場儀表和控制設備之間實現全數字化、串行、雙向、多變量數字通信的網絡互連技術。它的出現，給工業控制技術領域產生了非常大的影響。

　　雖然現場總線國際標準IEC61158包含了FF、Profibus、ControlNet、WorldFIP、P-NET等在內的八種類型（現已增加到十種類型）的現場總線，沒有實現它最初的“制定單一現場總線”的目標，同時也宣告了多種現場總線并存的局面已經形成。但與現有的DCS、PLC等相比，現場總線控制系統FCS由于具有的全數字多點通信、現場設備狀態可控、開放性、互可操作并能實現分散控制等特點，仍然是石油化工行業基礎自動化系統的發展趨勢。

　　但今后一段時間內，FCS的推廣應用將呈現以下幾個特點：

　�。�1）FCS將與DCS共存

　　DCS自上個世紀七十年代問世以來，經歷了發展、成熟到大規模應用幾個階段，并采用了大量先進成熟技術。DCS技術成熟，性能可靠，軟件豐富，功能完善，得到了用戶的信任，已經成為工業生產過程控制的主要手段。而FCS還處于發展階段，技術本身還不太成熟，（如網絡冗余性問題至今還沒有得到很好的解決）可靠性尚未得到充分驗證，功能還不如DCS完善。所以用戶雖然關注FCS的發展，但還存在疑慮，多持謹慎觀望的態度。

　　另外，對于系統規模較小、控制對象分布比較集中的場合，以及沒有擴展設備智能診斷和管理要求的場合，現場總線的優越性并不能得到充分體現，大規模更換已有的DCS設備勢必造成巨大的浪費。

　　基于現場總線的現場智能設備管理，也曾經被作為現場總線的一個熱賣點進行炒作，但對目前世界各大公司提供的設備管理產品進行認真分析之后來看，并沒有什么新意。比如，設備的故障診斷就是一門復雜的科學，它需要結合機械、電子、計算機等多學科知識，建立設備的故障模型，并采集大量設備運行狀態信息以后，進行詳細分析，才能作出準確和有意義的判斷，對設備的維護才具有真正的指導意義。但遺憾的是，目前的設備管理軟件產品基本上都沒有做到這一點。

　　總之，DCS至今已經發展得相當成熟和實用，仍是當前工業自動化系統應用及選型的主流，并不會隨著FCS的出現和發展馬上退出歷史舞臺，相反，在今后相當長一段時間內，DCS將會與FCS共存下去。

　　（2）現場總線與DCS相結合

　　將現場總線技術集成到現有控制系統中，將現場總線智能儀表連接到DCS上，利用DCS豐富而成熟的控制功能和軟、硬件產品帶動現場總線的推廣應用。一般來講，現場總線與傳統控制系統之間的集成主要有三種途徑：一是現場總線在DCS、PLC的I/O層次上的集成，現場總線設備作為I/O卡件集成在DCS、PLC中；第二是現場總線集成在DCS、PLC網絡上，現場總線設備通過網關集成到DCS、PLC上，統一組態、監控與管理；第三則是獨立FCS與DCS、PLC之間的信息集成，即FCS與DCS、PLC都獨立工作，兩者之間通過網關實現信息的映射與互訪。在目前傳統控制系統仍在大量使用的情況下，以上幾種方法不僅可以利用DCS、PLC成熟的技術與經驗，也可以發揮現場總線的優勢。

　　同時，在現場總線推廣應用的基礎上，逐步完善管控一體化功能。利用現場總線的全數字通信功能，收集現場智能設備所提供的大量非控制信息，建立現場智能設備數據庫，建立和完善現場智能設備的遠程狀態監控、故障診斷、預防維護、在線調校等遠程管理功能，實現對現場設備的一體化管理與控制。

　�。�3）多總線集成與“自動化孤島”

　　現場總線國際標準IEC61158沒有能夠統一所有的現場總線，除了市場利益方面的因素外，由于不同的現場總線針對某一特定的應用領域而開發出來的，在技術上各有特色，所以至今還沒有一種總線能夠代替所有其他的現場總線。如FF、HART在連續信號的處理中具有一定的特色，而PROFIBUS、INTERBUS等在開關量信號的處理中又有一定的優勢。

　　因此，今后一段時間內，無論何種形式的基礎自動化控制系統，都將具備多種現場總線互聯與信息集成能力。

　　無論采用何種形式的控制系統，都必須解決不同現場總線、不同類型的控制系統之間的“自動化孤島”問題，將各個廠家DCS、PLC以及其它智能設備連接到一個統一的數據庫平臺上，以統一調度和共享。

　�。�4）以太網現場總線

　　隨著互聯網技術的發展與普及，以太網具有應用廣泛、成本低廉、通信速率高、軟硬件資源豐富、可持續發展潛力大等特點，正從商用通信領域逐步滲透到控制領域，并廣泛應用于工業企業的控制層、管理層設備間的通信。

　　為此，國際跨國公司紛紛推出了基于以太網的現場總線技術，如浙大中控的EPA、西門子的ProfiNet I/O、歐洲開放網絡聯合會IAONA的EtherCAT和PowerLink等。這些實時以太網協議已列入IEC正在起草的實時以太網應用行規國際標準IEC61784-2。

　　由于實時以太網現場總線不僅融合了現有的現場總線的特點，而且與信息領域的成熟技術相結合，在石油化工自動化控制領域將會得到廣泛的應用。

　　三、信息技術與自動化技術相結合——工業IT

　　隨著互聯網的不斷成熟，互聯網把計算機與通信這兩塊原先相互獨立的領域粘合在一起，不但使單機運行的計算機全面進入互聯網時代，而且迅速推動計算機產業與通信產業的發展。

　　另一方面，隨著信息技術、微電子技術在自動化儀器儀表和控制系統中的廣泛應用，以及工業控制網絡與信息管理網絡的一體化發展，企業生產過程數字化的數據采集、調節控制、監控與組態設計以及設備維護、生產管理、經營決策等環節，將通過一體化的網絡通信平臺統一到一個完整的綜合自動化信息系統，以實現現場設備的數字化、生產過程控制的智能化、企業管理的信息化以及咨詢服務的網絡化。據專家預測，在這種自動化控制綜合信息系統中、傳統的控制信息將由原來的85％下降到40％。而經營管理信息將上升到60％。因此，工業控制領域已具有了當代IT技術和產業特征，即所謂的工業“IT”（Industrial IT），其中，“智能化”的工業自動化儀表和工業控制網絡，構成了工業“IT”的技術基礎和硬件平臺。

　　在此基礎上，通過采用一些實時數據庫技術、軟測量技術、數據融合與數據處理技術、先進控制與過程優化技術、ERP技術等，并采用信息網絡的IT技術，如網絡技術、通信技術、信息處理技術等，實現工業生產過程的遠程監控、故障診斷與維護，實現工業企業全廠的管控一體化。

　　事實上，自從計算機發明以來，自動化技術就和信息技術緊密結合到了一起。信息技術的發展，給自動化技術提供了越來越多的手段和越來越便捷的工具，使得過去很多自動化技術中高超的技巧（例如各種復雜的PID算法和諸如均勻控制、解耦控制、模糊控制等高級算法）變成了一段段比較容易實現的軟件代碼。也正是因為有了IT技術，自動化技術中許多停留在理論上的設想變成了現實。

　　當前，隨著IT技術的蓬勃發展，如何更好、更快、更多地把IT技術應用到自動化產品中，是各個自動化產品供應商面臨的共同話題。把IT技術盡可能多地應用到自動化技術中的能力，逐漸成為決定企業競爭力的重要因素。

　　首先是如何更好的應用IT技術，其次是如何通過優化來產生效益，和具體的工藝、設備相結合，挖掘設備和工藝潛力，促進提高產量、降低消耗、并使生產過程更加安全。簡言之就是：“向控制、優化要效益”。

　　另外，如何將企業中的“自動化孤島”變成一個統一的平臺，實現“過程可視化”的同時，擴大信息共享，提高信息利用率，提高企業決策水平和實效性，實現管控一體化，“向管理、信息系統要效益”，也是一個重大的課題。

　　一般說來，工業“IT”有以下幾個特征：現場儀表數字智能化、生產過程數字化、設計數字化、管理數字化與信息化。具體表現為：

　�。�1）以流程工業和制造業為服務對象，基于現代計算機、網絡、通信和現代控制技術而形成的一種新型工業自動化網絡系統技術，在進一步完善信息采集功能的基礎上，強化了信息的加工處理，尤其是工業生產過程測量和控制信息的網絡傳輸技術更加開放并得到飛速發展。

　　（2）傳統的自動化儀表走向數字化、智能化，具有開放的網絡通信接口，而成為網絡化控制系統的一個節點。分布式工業控制網絡將成為未來控制系統的主導技術。

　�。�3）以現場總線、工業以太網等工業控制網絡為平臺，利用現場設備的軟、硬件資源（如功能模塊），實現全分散控制，同時對現場儀表還可實現遠程訪問、監視、調校、診斷、維護等管理功能。

　　（4）控制系統與信息系統實現平滑聯接和多網合一，工業以太網技術在控制領域將得到更為廣泛的推廣，實時控制信息可以通過Intranet/Internet實現共享和在線檢測、控制和管理。

　�。�5）工業控制系統軟件及各種應用軟件開發、系統集成技術成為核心技術，取代系統硬件而成為高附加值的載體。通過先進控制和優化軟件，可以實現預測控制、模糊控制、神經元網絡控制、專家系統控制等高級智能控制，以及數據校正、過程模擬、質量監控、計劃排產與調度以及故障診斷、安全管理等生產過程的優化管理。

　�。�6）企業的經營管理以企業資源計劃管理系統軟件（ERP-Enterprise Resource Planning）和企業供應鏈管理系統軟件（Supply Chain Management）為平臺，實現物料清單、工藝路線、庫存管理、生產計劃、物料需求計劃、能力需求計劃、成本管理、財務管理、銷售管理、產品數據管理、質量管理、設備維修管理、實驗室管理、運輸管理、配方管理、人力資源管理、戰略管理、客戶服務管理、開發與研究管理等的一體化管理。

　�。�7）專用IC芯片、各種工業控制網絡的通信模塊、網橋、中繼器、網關、遠程I／O節點、功能模塊成為新一代分布式網絡控制系統中的重點產品，并與網絡信息技術同步發展。

　　四、企業綜合自動化將成為企業提高核心競爭力的有效手段

　　我國石油和化工自動化經過50年的發展，通過技術引進，消化吸收和不斷創新，自動化水平取得了長足進步。隨著我國經濟建設的快速發展，我國的石油化工工業遇到了前所未有的發展機遇，同時也面臨著越來越嚴峻的挑戰。與先進國家相比，我國的石油化工工業還普遍存在著能耗大、產品質量差、生產過程工藝落后、自動化水平低、管理水平低、信息集成度低、綜合競爭力弱等問題。而企業綜合自動化系統是將先進的工藝裝備技術、現代管理技術和以先進控制與優化技術為代表的信息技術相結合，將企業的生產過程控制、優化、運行、計劃與管理作為一個整體進行控制與管理，提供整體解決方案，以實現企業的優化運行、優化控制與優化管理，從而成為提高企業競爭力的核心高技術。

　　國外大型流程企業、特別是石油化工企業均重視信息集成技術的應用，紛紛以極大的熱情和精力，構架工廠級、公司級甚至超公司級的信息集成系統。1995年美國、日本、西歐等國已有100多家煉油、化工企業在實施CIMS計劃，推動了流程工業綜合自動化技術在實際生產中的應用，如日本三井石油化學工業公司、美國德曹達公司、高爾公司等化工企業都相繼建立了綜合自動化系統。

　　一般而言，流程工業企業對綜合自動化技術的需求主要關注4方面的問題。(1)安全：即需要用高可靠性的控制系統、檢測和執行機構對設備與裝置的運行提供保證，進而對關鍵裝置進行故障診斷與健康維護。(2)低成本：通過先進的工藝及工藝參數以降低能耗和原料消耗，以及通過先進的建模技術、控制技術和實時優化技術來提高產品的合格率和轉化率。(3)高效率：通過先進的計劃調度與排產技術和流程模擬技術來提高設備利用率和勞動生產率。（4）提高競爭力：通過數據和信息的綜合集成，如先進的管理技術（包括ERP、CRM、SCM等）、電子商務、價值鏈分析技術等，以促進企業價值的增值，最終提高企業的綜合競爭力。

　　根據國內外綜合自動化技術的發展趨勢和網絡技術的發展現狀，流程工業綜合自動化技術的總體結構可以分成3層結構，如圖1所示。

　　圖1 流程工業綜合自動化技術的總體結構

　　（1）以PCS（過程控制系統）為代表的基礎自動化層。主要內容包括先進控制軟件、軟測量技術、實時數據庫技術、可靠性技術、數據融合與數據處理技術、集散控制系統(DCS)、現場控制系統（FCS）、多總線網絡化控制系統、基于高速以太網和無線技術的現場控制設備、傳感器技術、特種執行機構等等。

　　2）.以MES（生產過程制造執行系統）為代表的生產過程運行優化層。主要內容包括先進建模與流程模擬技術（AMT：Advanced Modeling Technologies）、先進計劃與調度技術（APS：Advanced Planning and Scheduling）、實時優化技術（RTO：Real-time Optimization）、故障診斷與健康維護技術、數據挖掘與數據校正技術、動態質量控制與管理技術、動態成本控制與管理技術等等。

　�。�3）以ERP（企業資源管理）為代表的企業生產經營優化層。主要內容包括企業資源管理（ERP）、供應鏈管理（SCM）、客戶關系管理（CRM)、產品質量數據管理（PqDM)、數據倉庫技術、設備資源管理、企業電子商務平臺等等。

　　通過研究生產過程制造執行系統（MES）及相關技術，可以實現在線成本的預測、控制和反饋校正，以形成生產成本控制中心，保證生產過程的優化運行；可以實施生產全過程的優化調度、統一指揮，以形成生產指揮中心，保證生產過程的優化控制；可以實現生產過程的質量跟蹤、安全監控，以形成質量管理體系和設備健康保障體系，保證生產過程的優化管理。

　　企業綜合自動化需要解決的關鍵技術有：

　�。�1）信息的集成、挖掘和增值

　　信息集成是綜合自動化的核心，而數據庫管理系統則是信息集成的基礎。由于流程工業的特點，有大量的反映生產過程狀態的實時海量數據需要處理、管理和有效地應用，因此實時數據庫管理系統是采用實時數據對生產過程進行監督與控制，對生產狀態進行分析與評價的基礎。因而流程工業信息集成環境中需要同時設置關系數據庫和實時數據庫系統，作為整個系統信息的集散地。這兩個數據庫既可獨立地操作，又可協同動作，及時并行或交叉地處理來自全廠的各種信息，真正做到信息集成與共享。

　　信息挖掘和增值的目的是充分、有效地利用信息。

　�。�2）科學的決策支持

　　生產經營決策是企業生產經營活動中的重要內容。但是，傳統的生產管理模式還處于經驗決策、具有較大的隨意性、而科學的決策支持則是企業經營成敗的關鍵。 

　　成本效益分析是指對企業生產經營活動應用財務分析方法進行分析評價、以得到全企業綜合經濟指標的過程。在煉油企業綜合自動化中，成本效益分析是煉油企業生產管理中的重要環節，也是煉油企業生產經營決策中的必需步驟。

　　成本效益分析以企業獲得最大利潤為目標。對企業生產經營進行成本效益分析、并在此基礎上進行生產方案的盈虧分析，為企業領導提供實際生產經營過程和生產計劃的經濟指標，以提高企業決策水平，加強企業在市場中的競爭能力。 

　　為了達到公司預先制定的利潤目標，就必須協調好企業各部門的工作，即原油采購、生產計劃的制定、生產調度和產品的銷售等。由于原油是煉油廠生產的主要原料，原油成本占了產品總成本的80—90％，因此，為了實現利潤目標，必須首先控制原油成本，即控制原油的采購價格。

　　盈虧平衡分析是指利用財務分析方法和數學工具，對生產經營方案或計劃進行分析，得出實現利潤目標的原油最高采購價格(保利點)和保證不虧損經營(利潤為0)的原油最高采購價格(保本點)。盈虧平衡分析對于原油采購、控制成本、提高經濟效益具有重要的參考價值、是制定合理生產計劃時的重要環節，對于控制生產成本、擴大利潤，從而保證利潤目標的實現，指導全企業的生產經營，具有十分重要的意義。 

　�。�3）進行流程模擬，建立過程模型

　　實現過程優化操作進行流程模擬，建立過程模型、實現過程優化操作是流程工業綜合自動化的又一關鍵技術。

　　生產計劃／調度的科學化是煉油生產過程實現一定限度的生產柔性的關鍵、是被學術界和工業界廣泛重視的研究課題。由于煉油生產具有高度復雜性的特點，必須將生產工藝機理建模與系統工程理論緊密結合起來，去尋找解決這一問題的辦法。實踐結果表明，基于全流程模擬，結合應用線性規劃、非線性規劃或動態規劃的辦法建立計算機輔助生產計劃／調度系統、是實現優化排產／優化調度的有效途徑。 

　　過程操作優化是煉油工業適應市場原料和產品需求變化，使生產具有柔性的另一關鍵。技術難點首先是建立過程穩態數學模型。由于工藝技術復雜，不同的裝置機理不同，有些復雜的反應過程機理尚不清楚，而且建模涉及到工藝機理和信息處理技術、是跨學科的，因此建立工業應用的模型是極為困難的。

　　此外，還有軟測量技術、設備過程故障診斷新技術、生產過程的安全保護技術以及對實時測量的數據進行處理的數據調整技術等，都是自動化領域急待解決的難題和研究的熱點。 

　　五、結束語

　　將現場總線技術、信息技術應用于石油化工，，發展綜合自動化整體解決方案及集成技術，可以提高產品質量，增加產品產量，降低生產成本，取得顯著的經濟效益和社會效益，增強企業的競爭能力，是今后石油化工工業自動化技術發展與應用的趨勢。

　　作者簡介：

　　馮冬芹，男，1968年生，工業自動化博士，浙江大學先進控制研究所副教授，浙江中控技術股份有限公司副總工程師、技術中心副主任，IEC/SC65C/WG11、JWG10現場總線、實時以太網國際標準起草工作組成員，主要研究方面：現場總線、工業以太網、網絡化控制系統。