隨著世界范圍內石油化工生產技術的不斷進步，石油化工裝置正朝著大型化、一體化、智能化和清潔化等方向發展。傳統的企業生產過程控制系統和信息管理系統設計理念也隨之發生了改變。從工廠操作、管理、維護的角度出發，要求過程控制系統和信息管理系統應具有開放性、可靠性、經濟性、互操作性和易維護性。從功能和風險控制的角度出發，要求系統的設計具有安全性、可靠性、分散性和可用性。通過生產操作自動化、經營管理信息化，實現企業從原油選擇、采購、生產加工過程到石油、化工產品出廠全過程的智能化管理，使企業的利潤最大化。
筆者從全廠自動化工程建設角度出發，通過分析國內外石油化工智能化生產技術現狀與發展趨勢，并結合正在實施的某大型煉油乙烯一體化項目，對智能化生產技術在世界級煉油化工項目上的應用特點和實施策略進行了探討。
1 石油化工智能化生產技術的概念及總體特征
1.1 “智能石化工廠”的概念
20世紀90年代末期，美國AspenTech公司率先提出“智能化工廠”(planteligence)概念及解決方案，并已在BP,Sh el等公司實施。隨后Honeywel公司也提出了一體化業務解決方案(Business Flex)已在Exxon-Mobil，LG-CALTEX等公司實施。Emerson、Invensys等公司也相繼推出數字工廠(digital Plant)、智能工廠(Smart Plant)、智能企業(Inteligent Enterprise)等方案。
“智能石化工廠”將自動化技術和IT技術相結合，是集石化業務規劃決策優化、計劃方案優化、調度優化和在線閉環控制優化于一身的綜合技術。同時，也是信息化集成應用平臺。其體系結構是靈魂，模型是核心，應用構架是關鍵，優化技術是企業資源合理配置的手段，而控制技術是提高產品質量降低企業成本的重要途徑。
“智能石化工廠”到目前為止并未有一個統一的定義，其特征是依托數字化、網絡化實現石化企業生產過程和經營過程中各環節的集中計劃、監控、管理和協調，依托模型化、信息化對生產過程和經營過程以及戰略決策進行模擬和調整。也可以說數字化、網絡化、模型化、信息化的集成構成了智能化。
1.2 智能化生產技術的總體特征
智能化生產技術是中國石化工業實現大型化、一體化、清潔化、高效化、國際化、現代化的需要，是石油化工流程進步的重大技術基礎，其總體特征為：
(1)符合石油化工企業大型化、一體化、清潔化、高效化、國際化、現代化的需要，充分體現安全、健康、環保和循環經濟的理念；
(2)生產過程控制裝備的數字化、智能化、網絡化；
(3)實現設計、生產、經營管理諸環節的柔性化、敏捷化、虛擬化；
(4)科研、設計、工程、生產、經營和決策的數字化、自動化、智能化、網絡化；
(5)生產過程自動化與企業生產、經營管理信息化的一體化、集成化；
(6)公司與供應商、客戶、合作伙伴協同業務的網絡化、全球化。
2 智能化生產技術應用現狀與發展趨勢
2.1 應用現狀
表1為國外部分發達國家石化企業智能化生產技術應用現狀表；表2為國外部分發展中國家石化企業智能化生產技術應用現狀表；表3為國內外部分石化企業的智能化生產技術應用現狀比較表；圖1為1998年中國與世界部分國家能源消耗對比圖。
表1 國外部分發達國家石化企業智能化生產技術應用現狀
表2 國外部分發展中國家石化企業智能化生產技術應用現狀
表3 國內外部分國家石化企業的智能化生產技術應用現狀比較
圖1 1998年中國與世界部分國家能源消耗對比
從表1～3及圖1可看出，我國的石化企業在智能化生產技術應用水平以及能源消耗方面與國外發達國家的石化企業存在相當大的差距。即使與國外部分發展中國家(如巴西、印度等)的石化企業相比，也存在一定差距。因此，大力推廣智能化生產技術的應用，是提高我國石化行業的核心競爭力的重要策略之一，也是迫在眉睫的重要任務。
2.2 發展趨勢
20世紀90年代至21世紀初，是信息技術、智能化技術高速發展的時代。由于信息技術、智能化技術特有的先導性、滲透性，使其在石油化工領域的發展呈現以下特點：
(1)開發開放式系統(Open System)。即將專業信息系統集成為大系統，從傳感器到業務系統，從供應商到客戶；
(2)開發專家系統、人工智能決策咨詢工具，各個層次都廣泛使用輔助決策；
(3)開發過程科學與工程技術(PS&ET)，推廣應用工藝過程軟件；
(4)推進工廠智能化，開發虛擬工廠，模擬裝置開工、停工和故障異常處理，驗證生產過程中的物料、能量平衡。培訓操作人員，改進生產方案和設計方案；
(5)發展智能儀表與現場總線。在高新技術推動下，自動化儀表與裝置正跨入真正的數字化、智能化和網絡化時代，其技術發展主流是測量信息數字化，檢測儀表智能化和控制管理一體化；
(6)信息集成系統已經成熟為統一的模式-智能工廠；
(7)生產制造執行系統(MES)成為近10年來的熱點；
(8)重視建立生產經營管理的模型；
(9)從ERP推廣應用擴展到供應鏈管理(Suply Chain Management)；
(10)電子商務(E-commerce)發展迅猛；
(11)重視知識管理系統(Knowledge Management System)。
3 全廠智能化總體解決方案
下面以某中外合資大型煉油乙烯一體化項目為例，對全廠智能化總體解決方案加以闡述。該煉 油 乙烯一體化項目主要由以下五大部分及其配套公用工程和輔助設施組成：
(1)新建8000kt/a年煉油廠，包括：常減壓、車敷回收、燃料氣/液化氣脫硫/脫硫醇、加氫處理、柴油加氫精制、航煤加氫精制、加氫裂化、溶劑脫瀝青、MTBE/1-丁烯、含硫污水汽提、硫磺回收等裝置。
(2)新建800kt/a乙烯廠，包括：乙烯裝置、汽油加氫裝置、聚乙烯裝置、聚丙烯裝置。
(3)新建700k t/a芳烴聯合裝置(PX)。
(4)新建部分氧化及汽電聯產(IGCC)裝置。
(5)現有4000kt/a煉油廠改造(共改造5套裝置)。
該煉油乙烯一體化項目全廠智能化總體解決方案采用自動化控制系統和信息管理系統集成的“管控一體化”方案。(見圖2)
圖2 管控一體化方案
3.1 自動化控制系統
以過程控制系統(PCS)為代表的自動化控制系統，又稱為基礎自動化層。主要包括：分散控制系統/現場總線控制系統(DCS/FCS)、安全儀表系統(SLS)、火災及氣體監測系統(FGS)、儲運自動化系統(MAS)、壓縮機組控制系統(CCS)、機組監控系統(MMS)、設備包控制系統(PLC)、在線分析儀系統(PAS)、儀表設備管理系統(AMS)、操作員培訓仿真系統(OTS)、過程控制計算機系統(PCCS)(實施先進控制APC和實時優化RTO等)等系統，其核心是DCS/FCS系統。
自動化控制系統能實時監控生產操作、原料及產品儲運、公用工程和產品質量等全過程，并且使生產操作安全、可靠、穩定、長周期及滿負荷運行。
3.1.1 過程控制系統
PCS實現管控一體化，具有運行可靠、性能穩定、界面友好、操作方便、技術先進、結構靈活、維護簡單和系統開放等特點。高標準、一體化的PCS是工廠實現安全、平穩、高效、低耗的生產保證，也為企業實現經營管理信息化、增強市場應變能力打下良好的基礎。
PCS的總體目標：
(1)在健康、安全及環境保護方面有可靠保證；
(2)高質量的過程測量、調節控制、先進控制和實時優化集成，友好的人機接口；
(3)使由儀表保護系統及控制系統故障引起的裝置非計劃停工減至最少；
(4)控制系統和儀表設備供應商應盡量單一化，具有最好的操作培訓支持，達到最少的人員配置水平，和最少的備品備件；
(5)全部設備維護信息系統集成。包括歷史分析、維護計劃、庫存控制及采購等等；
(6)為企業的每個生產裝置、公用工程及輔助設施提供產品產量及質量、原料和公用工程消耗等報告；
(7)為信息管理系統提供實時數據庫平臺，實現物流、資金流和信息流三流合一，做到信息透明、資源共享。為生產和營銷決策提供可靠的依據，使產品能適應市場需求變化并獲得最大利潤。
3.1.2 分散控制系統與現場總線控制系統
現場總線技術是20世紀80年代在國際自動化控制領域興起的一項突破性技術。它集網絡技術、通訊技術、計算機技術、智能化儀表技術和自動控制技術之大成，組成雙向、多節點、全數字的開放式通訊系統。FCS位于PCS網絡結構的底層，并直接與過程控制對象相連接。
FCS是繼DCS之后的新一代控制系統，是過程控制系統發展的趨勢，但其暫時還不會完全取代DCS。FCS具有下列特點：
(1)具有開放性、互操作性和互用性；
(2)具有現場設備智能化和功能自治化；
(3)具有功能高度分散化；
(4)有高準確性和高可靠性；
(5)可節省安裝材料和減少調試工作量；
(6)可節省維護費用，使系統生命周期成本降低。
根據目前現場總線技術的發展趨勢和應用情況，該大型煉油乙烯一體化項目采用DCS和FCS混合方案。
3.2 信息管理系統
信息管理系統分為兩個層次，即生產運行管理層及生產經營管理層。
3.2.1 信息化目標
充分利用CIMS應用的已有成果和在CIMS建設中積累的技術、經驗，引進國際上成套的成熟軟件，實施信息管理系統。統一生產和管理過程的數據源，實現從原料選擇、采購、進廠、計量、加工、調和到出廠的全過程管理。使生產裝置的穩定運轉與優化操作在有效的監控下，為生產經營管理和生產優化操作提供安全可靠的信息化支撐平臺，提高企業的綜合競爭能力。
3.2.2 實施原則
實施原則是：“總體規劃、高度集成、整體優化、分步實施”。在實施過程中堅持統一規劃、集中管理、統一投資，實現代碼一致、數據一致、應用模型一致。
3.2.3 生產運行管理層
生產運行管理層在企業的整個信息系統中起著承上啟下的作用，是企業生產運行操作信息和生產經營管理信息傳送的紐帶。生產運行管理層的核心是生產制造執行系統(MES)。MES包括：生產成本控制、生產計劃與調度、操作管理、油品儲運、油品調和與發運、物料平衡、能耗管理、計量管理、收率管理及實驗室數據管理系統(LIMS)等等。其核心是生產成本控制。目前可以提供石化行業MES整體解決方案的公司有AspenTech、Honeywell、RIS等。MES將生產自動化與經營活動結合起來，將經營目標轉化為生產操作目標，實現經營和生產自動化間的協調統一，真正使經營計劃周期形成“閉合回路”。
MES強調整個生產過程的優化和自適應能力，提高生產的靈活性。為此需要采集并統一生產過程中大量的實時數據和產品在生產過程中的信息，同時又與計劃層和控制層雙向通訊，接收必要的數據和指令，反饋處理的結果。
MES主要實現生產數據和管理數據的高度集成。MES以生產綜合指標為指導，利用信息化手段，分解生產計劃，執行優化的調度方案，對生產過程進行優化操作控制。將生產過程控制層送上來的數據進行必要的處理，形成企業統一的生產數據平臺，為準確決策提供依據。同時，還承擔各區域的協調管理、企業的總調度管理和異常情況下對內對外的協調工作等。
3.2.4 生產經營管理層
生產經營管理層主要是解決經營管理與業務流程問題，集成了企業的關鍵信息和核心數據，其核心是企業資源計劃(ERP)。ERP主要包括：財務管理、供應鏈管理(SCM)、采購管理、銷售管理(含客戶關系管理(CRM))、 經營計劃管理、人力資源管理、績效考核管理、工廠維修管理、文檔管理、辦公自動化(以)及互聯電子商務(EC)平臺等，其核心是企業財務管理。
ERP系統以成本控制為中心，實現物流、資金流和信息流三流合一，做到信息透明、資源共享。同時加強財務與營銷、人力資源、物資供應和資產管理的信息集成，充分合理利用各子系統信息，分析企業生產和管理上各個環節的成本因素。
表4為國際排位前10位石化企業、中國石化及沙特阿美ERP實施情況。
表4 國際排名前10位石化企業、中國石化及沙特阿美ERP實施情況
4 全廠智能化實施策略
2005年1月至4月，某大型煉油乙一體化烯項目業主與PMC分別與Honeywel(霍尼威爾)、Emerson(艾默生)、Yokogawa(橫河)等幾家儀表自動化供應商就該項目的儀表自動化實施策略的相關問題進行了專題技術交流。在借鑒國內外石油化工企業在大型石化項目所采用的全廠智能化實施策略經驗的基礎上，經過深入細致的評估與論證，擬推薦主儀表控制承包商(MICC)為該項目的自動化實施策略。
4.1 主儀表控制承包商
MICC策略是由業主/PMC在項目定義階段(EEL)通過招標選定一家主儀表控制承包商(MICC)并與其簽訂一個針對全廠控制系統的公共部分(如CCR部分)的總承包合同(主合同)。在此總承包合同中規定了DCS、SIS、FGS、PLC及MAS等控制系統、安全保護系統在CCR內的硬件、軟件及安裝材料的詳細規格和總價及單價、系統工程、組態、培訓及服務的人工時費總價及單價(現場服務費除外)。另外，在此合同內還規定了針對各個裝置及單元內DCS、SIS、FGS、PLC及MAS等控制系統、安全保護系統(在各個現場機柜室內)及標準現場儀表、閥門定位器(特別是FF儀表)的硬件、軟件及安裝材料的詳細規格和總價及單價、系統工程、組態、培訓及服務的人工時費總價(包括介入FEED設計的費用，但現場服務費除外)。
在項目實施階段(EPC)，各EPC與MICC在上述MICC主合同的價格基礎上再簽訂針對各個裝置和單元的分包合同。
MICC策略的主要優點為：
(1)工程項目的標準化與一致性好；
(2)在項目定義階段，MICC可提前介入項目設計(FEE功；
(3)業主/PMC與MICC簽主承包合同，項目總投資易于受控；
(4)因MICC與各EPC有分包合同關系，工程進度易于受控；
(5)MICC容易理解業主需求，易于實現APC/RTO等高級應用；
(6)因MICC與各EPC之間有分包合同關系，故業主/PMC的協調工作量相對較小。
MICC策略的主要缺點為：
(1)因在項目定義階段必須簽主合同，所以合同變更可能較多；
(2)主合同與分合同之間可能有重復部分，可能造成投資抬高。
4.2 MICC實施策略的供貨及工作范圍
4.2.1 過程控制系統(PCS)
主要包括：DCS、SIS、FGS及PLC等系統，也包括部分現場儀表(如FF現場總線變送器、FF現場總線UP定位器等)。還包括與第三方系統連接的接口軟/硬件及系統接線(包括各種電纜/光纜)、安裝材料。
4.2.2 過程控制應用軟件
主要包括：AMS、OTS和APC、RTO(作為選項報價)，實時數據庫RTDB及PCS與MES接口軟件等。
4.2.3 工程設計、采購、施工及服務
主要包括：項目管理(包括工程投資、進度、質量、HSE管理)、參與FEED及詳細設計、采購、同第三方設備/系統的界面管理、系統集成、培訓、組態與調試、工廠檢驗(FAT)、現場檢驗(SAT)、現場施工支持、操作及維護支持、預開車及開車服務等。
4.3 MICC實施策略的步驟及各階段的職責
整個項目執行過程可分為MICC招標、FEED和EPC三個階段。EPC階段又可分為詳細設計和軟件組態、現場設備安裝及調試兩個分階段。
4.3.1 MICC招標階段
可分為以下三個分階段：MICC標書編制；標書發布、問題澄清及投標商報價;開標、評標、定標、合同簽定及授標。
4.3.2 FEED階段
MICC在PMC的管理下，承擔項目策劃工作和項目執行計劃，列出其供貨范圍的詳細規格和單價、系統工程、組態、培訓及服務的人工時費率，負責FDS(功能設計規格書)的編寫。編寫MICC和EPC在項目中的角色和職責，及協助業主審查EPC標書中的相關報價等。
4.3.3 EPC階段
(1)詳細設計階段
由業主和PMC根據項目技術規定及業主與EPC的合同條款進行對EPC的設計監督和審查工作。MICC在儀表控制專業方面根據其制訂的由業主認可的項目執行計劃，及FDS協助EPC的詳細設計工作。當EPC與MICC簽訂供貨合同后，MICC按合同提供供貨和相關的服務。
(2)軟件組態、現場設備安裝及調試階段
EPC作為負責裝置(單元)的總承包商負責完成設備安裝、調試等工作。MICC僅依據與業主和EPC的合同負責供貨、軟件組態和協助EPC的工作，并提供技術培訓及售后服務等。
5 結 論
綜上所述 ，對于智能化生產技術在煉油化工一體化項目上的應用策略歸納如下：
(1)智能化生產技術在煉化一體化項目中的普遍應用符合我國在“十一五”經濟發展規劃中堅持“科學發展觀”的戰略部署，是我國石化工業實現跨越式發展并逐步趕超世界石化先進水平的主要策略之一。
(2)智能化生產技術在煉化一體化項目中的實際應用是一項非常復雜和艱巨的任務，必須從項目規劃階段就開始整體籌劃，并在項目實施過程中分步實施。
(3)智能化生產技術在煉化一體化項目中的實施是一項復雜的系統工程，必須由自控儀表、信息技術、工藝系統、電氣電訊、機械設備等多專業、多學科以及項目管理、設計、采購、施工、生產、維修等多單位、多部門協同作業，最終才能成功實施。
(4)智能化生產技術在煉化一體化項目中的成功實施必須做到四個落實，即“技術落實、投資落實、人力落實、進度落實”。