智能化生产技术的在炼化一体化项目上的应用策略探讨MES管理信息化

智能化生产技术在炼化一体化项目上的应用策略探讨_MES_管理信息化随着世界范围内石油化工生产技术的不断进步，石油化工装置正朝着大 型化、一体化、 智能化和清洁化等方向发展。 传统的企业生产过程控制系统和信 息管理系统设计理念也随之发生了改变。从工厂操作、管理、维护的角度出发， 要求过程控制系统和信息管理系统应具有开放性、 可靠性、 经济性、互操作性和 易维护性。从功能和风险控制的角度出发， 要求系统的设计具有安全性、 可靠性、 分散性和可用性。 通过生产操作自动化、 经营管理信息化， 实现企业从原油选择、 采购、生产加工过程到石油、 化工产品出厂全过程的智能化管理， 使企业的利润 最大化。笔者从全厂自动化工程建设角度出发，通过分析国内外石油化工智能化 生产技术现状与发展趋势， 并结合正在实施的某大型炼油乙烯一体化项目， 对智 能化生产技术在世界级炼油化工项目上的应用特点和实施策略进行了探讨。1 石油化工智能化生产技术的概念和总体特征1.1 “智能石化工厂”的概念20世纪90年代末期，美国AspenTech公司率先提出“智能化工厂” (planteligence) 概念和解决方案， 并已在 BP,Sh el 等公司实施。随后 Honeywel 公司也提出了一体化业务解决方案 (Business Flex) 已在 Exxon-Mobil ， LG-CALTEXI公司实施。Emerson Invensys等公司也相继推出数字工厂(digital Plant) 、智能工厂 (Smart Plant) 、智能企业 (Inteligent Enterprise) 等方案。“智能石化工厂” 将自动化技术和 IT 技术相结合， 是集石化业务规划决 策优化、计划方案优化、 调度优化和在线闭环控制优化于一身的综合技术。 同时， 也是信息化集成应用平台。其体系结构是灵魂，模型是核心，应用构架是关键， 优化技术是企业资源合理配置的手段， 而控制技术是提高产品质量降低企业成本 的重要途径。“智能石化工厂”到目前为止并未有一个统一的定义，其特征是依托数 字化、网络化实现石化企业生产过程和经营过程中各环节的集中计划、 监控、管 理和协调， 依托模型化、 信息化对生产过程和经营过程以和战略决策进行模拟和 调整。也可以说数字化、网络化、模型化、信息化的集成构成了智能化。1.2 智能化生产技术的总体特征智能化生产技术是中国石化工业实现大型化、 一体化、清洁化、高效化、 国际化、现代化的需要，是石油化工流程进步的重大技术基础，其总体特征为：(1) 符合石油化工企业大型化、一体化、清洁化、高效化、国际化、现代 化的需要，充分体现安全、健康、环保和循环经济的理念；(2) 生产过程控制装备的数字化、智能化、网络化；(3) 实现设计、生产、经营管理诸环节的柔性化、敏捷化、虚拟化； 科研、设计、工程、生产、经营和决策的数字化、自动化、智能化、 网络化；(5) 生产过程自动化与企业生产、经营管理信息化的一体化、集成化；(6) 公司与供应商、客户、合作伙伴协同业务的网络化、全球化。2智能化生产技术应用现状与发展趋势2.1应用现状表1为国外部分发达国家石化企业智能化生产技术应用现状表；表 2为 国外部分发展中国家石化企业智能化生产技术应用现状表；表3为国内外部分石化企业的智能化生产技术应用现状比较表；图1为1998年中国与世界部分国家能源消耗对比图。表1国外部分发达国家石化企业智能化生产技术应用现状.11表2国外部分发展中国家石化企业智能化生产技术应用现状 表3国内外部分国家石化企业的智能化生产技术应用现状比较ZI图1 1998年中国与世界部分国家能源消耗对比从表13和图1可看出，我国的石化企业在智能化生产技术应用水平以和能源消耗方面与国外发达国家的石化企业存在相当大的差距。 即使与国外部分 发展中国家 (如巴西、印度等 )的石化企业相比，也存在一定差距。因此，大力推 广智能化生产技术的应用，是提高我国石化行业的核心竞争力的重要策略之一， 也是迫在眉睫的重要任务。2.2 发展趋势20 世纪 90年代至 21 世纪初，是信息技术、智能化技术高速发展的时代。 由于信息技术、 智能化技术特有的先导性、 渗透性， 使其在石油化工领域的发展 呈现以下特点：(1) 开发开放式系统 (Open System) 。即将专业信息系统集成为大系统， 从传感器到业务系统，从供应商到客户；(2) 开发专家系统、 人工智能决策咨询工具， 各个层次都广泛使用辅助决 卒策；(3) 开发过程科学与工程技术(PS&ET)，推广应用工艺过程软件；(4) 推进工厂智能化， 开发虚拟工厂， 模拟装置开工、 停工和故障异常处 理，验证生产过程中的物料、能量平衡。培训操作人员，改进生产方案和设计方 案；(5) 发展智能仪表与现场总线。 在高新技术推动下， 自动化仪表与装置正 跨入真正的数字化、智能化和网络化时代，其技术发展主流是测量信息数字化， 检测仪表智能化和控制管理一体化；(6) 信息集成系统已经成熟为统一的模式 - 智能工厂；(7) 生产制造执行系统(MES)成为近10年来的热点；(8) 重视建立生产经营管理的模型；(9) 从ERP推广应用扩展到供应链管理(Suply Cha in Man ageme nt)；(10) 电子商务(E-commerce)发展迅猛；(11) 重视知识管理系统 (Knowledge Management System) 。3 全厂智能化总体解决方案 下面以某中外合资大型炼油乙烯一体化项目为例，对全厂智能化总体解 决方案加以阐述。 该炼 油 乙烯一体化项目主要由以下五大部分和其配套公用工 程和辅助设施组成：(1) 新建 8000kt/a 年炼油厂，包括：常减压、车敷回收、燃料气 / 液化气 脱硫/ 脱硫醇、加氢处理、柴油加氢精制、航煤加氢精制、加氢裂化、溶剂脱沥 青、 MTBE/1 -丁烯、含硫污水汽提、硫磺回收等装置。(2) 新建 800kt/a 乙烯厂，包括：乙烯装置、汽油加氢装置、 聚乙烯装置、 聚丙烯装置。(3) 新建 700k t/a 芳烃联合装置 (PX)。(4) 新建部分氧化和汽电联产(IGCC)装置。(5) 现有 4000kt/a 炼油厂改造 (共改造 5 套装置)。该炼油乙烯一体化项目全厂智能化总体解决方案采用自动化控制系统和 信息管理系统集成的“管控一体化”方案。（见图2）图2管控一体化方案3.1自动化控制系统以过程控制系统（PCS）为代表的自动化控制系统，又称为基础自动化层。 主要包括：分散控制系统/现场总线控制系统（DCS/FCS）安全仪表系统（SLS）、 火灾和气体监测系统（FGS）、储运自动化系统（MAS）、压缩机组控制系统（CCS）、 机组监控系统（MMS）设备包控制系统（PLC）、在线分析仪系统（PAS）、仪表设备 管理系统（AMS）、操作员培训仿真系统（OTS）、过程控制计算机系统（PCCS）（实施 先进控制APC和实时优化RTO等）等系统，其核心是DCS/FCS系统。自动化控制系统能实时监控生产操作、原料和产品储运、公用工程和产 品质量等全过程，并且使生产操作安全、可靠、稳定、长周期和满负荷运行。3.1.1 过程控制系统PCS 实现管控一体化，具有运行可靠、性能稳定、界面友好、操作方便、 技术先进、结构灵活、维护简单和系统开放等特点。高标准、一体化的PCS是工厂实现安全、平稳、高效、低耗的生产保证，也为企业实现经营管理信息化、增 强市场应变能力打下良好的基础。PCS的总体目标:(1) 在健康、安全和环境保护方面有可靠保证；(2) 高质量的过程测量、 调节控制、 先进控制和实时优化集成， 友好的人 机接口；(3) 使由仪表保护系统和控制系统故障引起的装置非计划停工减至最少；(4) 控制系统和仪表设备供应商应尽量单一化，具有最好的操作培训支 持，达到最少的人员配置水平，和最少的备品备件；(5) 全部设备维护信息系统集成。 包括历史分析、 维护计划、 库存控制和 采购等等；(6) 为企业的每个生产装置、公用工程和辅助设施提供产品产量和质量、 原料和公用工程消耗等报告；(7) 为信息管理系统提供实时数据库平台， 实现物流、 资金流和信息流三 流合一，做到信息透明、资源共享。为生产和营销决策提供可靠的依据，使产品 能适应市场需求变化并获得最大利润。3.1.2 分散控制系统与现场总线控制系统现场总线技术是 20世纪 80年代在国际自动化控制领域兴起的一项突破 性技术。它集网络技术、通讯技术、计算机技术、智能化仪表技术和自动控制技 术之大成，组成双向、多节点、全数字的开放式通讯系统。FCS位于PCS网络结构的底层，并直接与过程控制对象相连接。FCS是继DCS之后的新一代控制系统，是过程控制系统发展的趋势，但 其暂时还不会完全取代DCS FCS具有下列特点：(1) 具有开放性、互操作性和互用性；(2) 具有现场设备智能化和功能自治化；(3) 具有功能高度分散化；(4) 有高准确性和高可靠性；(5) 可节省安装材料和减少调试工作量；(6) 可节省维护费用，使系统生命周期成本降低根据目前现场总线技术的发展趋势和应用情况，该大型炼油乙烯一体化 项目采用DCS和FCS昆合方案。3.2 信息管理系统信息管理系统分为两个层次，即生产运行管理层和生产经营管理层3.2.1 信息化目标充分利用CIMS应用的已有成果和在CIMS建设中积累的技术、经验，引 进国际上成套的成熟软件，实施信息管理系统。统一生产和管理过程的数据源， 实现从原料选择、采购、进厂、计量、加工、调和到出厂的全过程管理。使生产 装置的稳定运转与优化操作在有效的监控下， 为生产经营管理和生产优化操作提 供安全可靠的信息化支撑平台，提高企业的综合竞争能力。3.2.2 实施原则实施原则是：“总体规划、高度集成、整体优化、分步实施”。在实施 过程中坚持统一规划、集中管理、统一投资，实现代码一致、数据一致、应用模 型一致。3.2.3 生产运行管理层生产运行管理层在企业的整个信息系统中起着承上启下的作用，是企业 生产运行操作信息和生产经营管理信息传送的纽带。 生产运行管理层的核心是生 产制造执行系统（MES）。MES包括：生产成本控制、生产计划与调度、操作管理、 油品储运、油品调和与发运、物料平衡、能耗管理、计量管理、收率管理和实验 室数据管理系统（LIMS）等等。其核心是生产成本控制。目前可以提供石化行业 MESS体解决方案的公司有 AspenTech Honeywell、RIS等。MES将生产自动化 与经营活动结合起来， 将经营目标转化为生产操作目标， 实现经营和生产自动化 间的协调统一，真正使经营计划周期形成“闭合回路”。MES强调整个生产过程的优化和自适应能力，提高生产的灵活性。为此 需要采集并统一生产过程中大量的实时数据和产品在生产过程中的信息， 同时又 与计划层和控制层双向通讯，接收必要的数据和指令，反馈处理的结果。MES主要实现生产数据和管理数据的高度集成。MES以生产综合指标为指 导，利用信息化手段，分解生产计划，执行优化的调度方案，对生产过程进行优 化操作控制。 将生产过程控制层送上来的数据进行必要的处理， 形成企业统一的 生产数据平台，为准确决策提供依据。同时，还承担各区域的协调管理、企业的 总调度管理和异常情况下对内对外的协调工作等。3.2.4 生产经营管理层生产经营管理层主要是解决经营管理与业务流程问题，集成了企业的关 键信息和核心数据，其核心是企业资源计划 （ERP）。ERP主要包括：财务管理、 供应链管理（SCM）采购管理、销售管理（含客户关系管理（CRM）、经营计划管 理、人力资源管理、绩效考核管理、工厂维修管理、文档管理、办公自动化 （以） 和互联电子商务（EC）平台等，其核心是企业财务管理。ERP系统以成本控制为中心，实现物流、资金流和信息流三流合一，做 到信息透明、资源共享。同时加强财务与营销、人力资源、物资供应和资产管理的信息集成，充分合理利用各子系统信息，分析企业生产和管理上各个环节的成 本因素。表4为国际排位前10位石化企业、中国石化和沙特阿美 ERP实施情况表4国际排名前10位石化企业、中国石化和沙特阿美 ERP实施情况4全厂智能化实施策略2005年1月至4月，某大型炼油乙一体化烯项目业主与PM（分别与Honeywel（霍尼威尔）、Emerson（艾默生）、Yokogawa横河）等几家仪表自动化供 应商就该项目的仪表自动化实施策略的相关问题进行了专题技术交流。在借鉴国内外石油化工企业在大型石化项目所采用的全厂智能化实施策略经验的基础上， 经过深入细致的评估与论证，拟推荐主仪表控制承包商（MICC）为该项目的自动化 实施策略。4.1主仪表控制承包商MICC策略是由业主/PMC在项目定义阶段（EEL）通过招标选定一家主仪表 控制承包商（MICC）并与其签订一个针对全厂控制系统的公共部分（如CCR部分） 的总承包合同（主合同）。在此总承包合同中规定了 DCS SIS、FGS PLC和MAS 等控制系统、安全保护系统在CCR内的硬件、软件和安装材料的详细规格和总价 和单价、系统工程、组态、培训和服务的人工时费总价和单价（现场服务费除外）另外，在此合同内还规定了针对各个装置和单元内DCS SIS、FGS PLC和MAS等控制系统、 安全保护系统 (在各个现场机柜室内 ) 和标准现场仪表、 阀门定位器 (特别是FF仪表)的硬件、软件和安装材料的详细规格和总价和单价、系统工程、组态、培训和服务的人工时费总价(包括介入FEED设计的费用，但现场服务费除 外)。在项目实施阶段(EPC)，各EPC与 MICC在上述MICC主合同的价格基础上 再签订针对各个装置和单元的分包合同。MICC 策略的主要优点为：(1) 工程项目的标准化与一致性好； 在项目定义阶段，MICC可提前介入项目设计(FEE功；(3) 业主/PMC与 MICC签主承包合同，项目总投资易于受控；(4) 因MICC与各EPC有分包合同关系，工程进度易于受控；(5) MICC容易理解业主需求，易于实现 APC/RTO?高级应用；(6) 因MICC与各EPC之间有分包合同关系，故业主/PMC的协调工作量相 对较小。MICC 策略的主要缺点为：(1) 因在项目定义阶段必须签主合同，所以合同变更可能较多；(2) 主合同与分合同之间可能有重复部分，可能造成投资抬高。4.2 MICC 实施策略的供货和工作范围4.2.1 过程控制系统 (PCS)主要包括：DCS SIS、FGS和 PLC等系统，也包括部分现场仪表(如FF 现场总线变送器、FF现场总线UP定位器等)。还包括与第三方系统连接的接口 软/硬件和系统接线 (包括各种电缆 /光缆)、安装材料。4.2.2 过程控制应用软件主要包括：AMS OTS和 APC RTO作为选项报价)，实时数据库RTDBffi PCS与 MESS口软件等。4.2.3 工程设计、采购、施工和服务主要包括：项目管理(包括工程投资、进度、质量、HSE1理)、参与FEED 和详细设计、采购、同第三方设备 /系统的界面管理、系统集成、培训、组态与 调试、工厂检验(FAT)、现场检验(SAT)、现场施工支持、操作和维护支持、预开 车和开车服务等。4.3 MICC 实施策略的步骤和各阶段的职责整个项目执行过程可分为 MICC招标、FEED和EPC三个阶段。EPC阶段又 可分为详细设计和软件组态、现场设备安装和调试两个分阶段。4.3.1 MICC 招标阶段可分为以下三个分阶段：MICC标书编制；标书发布、问题澄清和投标商 报价; 开标、评标、定标、合同签定和授标。4.3.2 FEED 阶段MICC在PMC勺管理下，承担项目策划工作和项目执行计划，列出其供货 范围的详细规格和单价、系统工程、组态、培训和服务的人工时费率，负责FDS功 能设计规格书)的编写。编写MICC和EPC在项目中的角色和职责，和协助业主审 查EPC标书中的相关报价等。4.3.3 EPC 阶段(1) 详细设计阶段由业主和PMC根据项目技术规定和业主与 EPC的合同条款进行对EPC的 设计监督和审查工作。MICC在仪表控制专业方面根据其制订的由业主认可的项 目执行计划，和FDS协助EPC的详细设计工作。当EPC与 MICC签订供货合同后， MICC按合同提供供货和相关的服务。(2) 软件组态、现场设备安装和调试阶段EPC作为负责装置(单元)的总承包商负责完成设备安装、调试等工作。 MICC仅依据与业主和EPC的合同负责供货、软件组态和协助 EPC的工作，并提 供技术培训和售后服务等。5 结论综上所述 ，对于智能化生产技术在炼油化工一体化项目上的应用策略归 纳如下：(1) 智能化生产技术在炼化一体化项目中的普遍应用符合我国在“十一 五”经济发展规划中坚持“科学发展观”的战略部署，是我国石化工业实现跨越 式发展并逐步赶超世界石化先进水平的主要策略之一。(2) 智能化生产技术在炼化一体化项目中的实际应用是一项非常复杂和 艰巨的任务， 必须从项目规划阶段就开始整体筹划， 并在项目实施过程中分步实 施。(3) 智能化生产技术在炼化一体化项目中的实施是一项复杂的系统工程， 必须由自控仪表、信息技术、工艺系统、电气电讯、机械设备等多专业、多学科 以和项目管理、设计、采购、施工、生产、维修等多单位、多部门协同作业，最 终才能成功实施。(4) 智能化生产技术在炼化一体化项目中的成功实施必须做到四个落实， 即“技术落实、投资落实、人力落实、进度落实”。随着世界范围内石油化工生产技术的不断进步，石油化工装置正朝着大 型化、一体化、 智能化和清洁化等方向发展。 传统的企业生产过程控制系统和信 息管理系统设计理念也随之发生了改变。从工厂操作、管理、维护的角度出发， 要求过程控制系统和信息管理系统应具有开放性、 可靠性、 经济性、互操作性和 易维护性。从功能和风险控制的角度出发， 要求系统的设计具有安全性、 可靠性、 分散性和可用性。 通过生产操作自动化、 经营管理信息化， 实现企业从原油选择、 采购、生产加工过程到石油、 化工产品出厂全过程的智能化管理， 使企业的利润 最大化。笔者从全厂自动化工程建设角度出发，通过分析国内外石油化工智能化 生产技术现状与发展趋势， 并结合正在实施的某大型炼油乙烯一体化项目， 对智 能化生产技术在世界级炼油化工项目上的应用特点和实施策略进行了探讨。1 石油化工智能化生产技术的概念和总体特征1.1 “智能石化工厂”的概念20世纪90年代末期，美国AspenTech公司率先提出“智能化工厂” (planteligence) 概念和解决方案， 并已在 BP,Sh el 等公司实施。随后 Honeywel 公司也提出了一体化业务解决方案 (Business Flex) 已在 Exxon-Mobil ， LG-CALTEXI公司实施。Emerson Invensys等公司也相继推出数字工厂(digital Plant) 、智能工厂 (Smart Plant) 、智能企业 (Inteligent Enterprise) 等方案。“智能石化工厂” 将自动化技术和 IT 技术相结合， 是集石化业务规划决 策优化、计划方案优化、 调度优化和在线闭环控制优化于一身的综合技术。 同时， 也是信息化集成应用平台。其体系结构是灵魂，模型是核心，应用构架是关键， 优化技术是企业资源合理配置的手段， 而控制技术是提高产品质量降低企业成本 的重要途径。“智能石化工厂”到目前为止并未有一个统一的定义，其特征是依托数 字化、网络化实现石化企业生产过程和经营过程中各环节的集中计划、 监控、管 理和协调， 依托模型化、 信息化对生产过程和经营过程以和战略决策进行模拟和 调整。也可以说数字化、网络化、模型化、信息化的集成构成了智能化。1.2 智能化生产技术的总体特征智能化生产技术是中国石化工业实现大型化、 一体化、清洁化、高效化、 国际化、现代化的需要，是石油化工流程进步的重大技术基础，其总体特征为：(1) 符合石油化工企业大型化、一体化、清洁化、高效化、国际化、现代 化的需要，充分体现安全、健康、环保和循环经济的理念；(2) 生产过程控制装备的数字化、智能化、网络化；(3) 实现设计、生产、经营管理诸环节的柔性化、敏捷化、虚拟化；(4) 科研、设计、工程、生产、经营和决策的数字化、自动化、智能化、 网络化；(5) 生产过程自动化与企业生产、经营管理信息化的一体化、集成化；(6) 公司与供应商、客户、合作伙伴协同业务的网络化、全球化。2智能化生产技术应用现状与发展趋势2.1应用现状表1为国外部分发达国家石化企业智能化生产技术应用现状表；表 2为 国外部分发展中国家石化企业智能化生产技术应用现状表；表3为国内外部分石化企业的智能化生产技术应用现状比较表；图 1为1998年中国与世界部分国家 能源消耗对比图。表1国外部分发达国家石化企业智能化生产技术应用现状IiF-* EH表2国外部分发展中国家石化企业智能化生产技术应用现状表3国内外部分国家石化企业的智能化生产技术应用现状比较ZI图1 1998年中国与世界部分国家能源消耗对比从表13和图1可看出，我国的石化企业在智能化生产技术应用水平以 和能源消耗方面与国外发达国家的石化企业存在相当大的差距。 即使与国外部分 发展中国家 (如巴西、印度等 )的石化企业相比，也存在一定差距。因此，大力推 广智能化生产技术的应用，是提高我国石化行业的核心竞争力的重要策略之一， 也是迫在眉睫的重要任务。2.2 发展趋势20 世纪 90年代至 21 世纪初，是信息技术、智能化技术高速发展的时代。 由于信息技术、 智能化技术特有的先导性、 渗透性， 使其在石油化工领域的发展 呈现以下特点：(1) 开发开放式系统 (Open System) 。即将专业信息系统集成为大系统， 从传感器到业务系统，从供应商到客户；(2) 开发专家系统、 人工智能决策咨询工具， 各个层次都广泛使用辅助决 卒策；(3) 开发过程科学与工程技术(PS&ET)，推广应用工艺过程软件；(4) 推进工厂智能化， 开发虚拟工厂， 模拟装置开工、 停工和故障异常处 理，验证生产过程中的物料、能量平衡。培训操作人员，改进生产方案和设计方 案；(5) 发展智能仪表与现场总线。 在高新技术推动下， 自动化仪表与装置正 跨入真正的数字化、智能化和网络化时代，其技术发展主流是测量信息数字化， 检测仪表智能化和控制管理一体化；(6) 信息集成系统已经成熟为统一的模式 - 智能工厂；(7) 生产制造执行系统(MES)成为近10年来的热点；(8) 重视建立生产经营管理的模型；(9) 从ERP推广应用扩展到供应链管理(Suply Cha in Man ageme nt)；(10) 电子商务(E-commerce)发展迅猛；(11) 重视知识管理系统 (Knowledge Management System) 。