第十七章基于现场总线的数字化工厂及先进控制.docx

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1、基于现场总线的石化数字化工厂解怀仁1概述随着国际现场总线标准的实施，现场总线技术的成熟以及现场总线控制系统的应用，将对我国仪表和自控领域产生巨大的影响，也必将对我国企业仪表和控制系统的应用产生很大的影响。现场总线技术及现场总线控制系统为实现石化数字化工厂提供了良好的基础。 2000年1月4日国际电工委员会IEC宣布工业现场总线标准IEC61158获得通过，这个标准包括FF-H1/FF-HSE，Profibus, Interbus, P-NET, Control-net, Worldfip, Swift-net等共八种子集。因为全球行业很多，每个行业对FCS的要求不一样，八种标准用于不同行业，这

2、些标准可以从技术和经济角度满足不同类型，不同层次应用的需要。近十年，在自动化领域中现场总线技术发展很快，具有全数字化、开放性、容错能力强、实时性高、安全性好、适于频繁交换等特点。目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。较著名的有基金会现场总线（FF）、HART现场总线、CAN现场总线、LONWORKS现场总线、PROFIBUS现场总线、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、ASINTERFACE总线等。 通过分析，其中FF（基金会现场总线）、PROFIBUS-PA最适合连续过程控制如石油和石化行业的需要。它具有全数字化、高度的安全可靠性和实时性，并能满

3、足本安防爆要求，继承两线制仪表传统，多数DCS和变送器、阀门厂商都支持。建设石化数字化工厂所必需的数字化控制系统。2数字化工厂的概念华东理工大学-艾默生过程管理公司联合建成数字化工厂实验中心是集自动化技术、计算机技术、网络通信技术、先进制造技术于一体，是多专业知识与技术的集成。（1）国外仪表专家的数字化工厂理念：(1)采用最新的感知技术和全数字式总线网络得到信息能很好地观察工厂的运行;用实现世界最早的数字变送器、先进传感器、及世界最大的现场总线计测控制的技术能力，实现工厂全部信息的数字化,使你能透彻地洞察你的工厂。 (2) 可以预知将要发生的事情,因此能进行 良好而无混乱的管理,从而获得了对将

4、 来的行动进行决策的时间。使用先进的机器管理软件PRM(Plant Resource Manager)和高级 监视软件等,使你能预测你工厂的将来。(3) 可以迅速地回答客户、市场的需求， 成为安静而又安全的工厂。运用世界的最高性能的过程控制系统、高度的控制软件, 及丰富的应用技术诀窍，保证使你的事业日益向上。 数字化工厂包含两个方面的内容：一是数字工程，即通过虚拟制造技术对生产过程仿真，来提前解决实际生产中可能出现的问题，利用计算机技术优化实际生产过程以及整个生产系统的性能；二是未来工厂，这依赖于集成系统、自动化以及强大的信息网络技术。 （2）建设数字化工厂数字化建设基于智能化、网络化、集成化

5、、可视化思想，通过吸收当今先进技术和自主研发，将使企业实现包括设计数字化、制造装备数字化、生产过程数字化、管理数字化和企业数字化，从而能做到:产品从设计到制造、销售，一直到服务整个生命周期的数据都用计算机进行管理，实现无纸设计和无纸制造; 保证产品数据的一致性、完整性、惟一性、最新性及共享性; 保证计划的一致性和可行性; 使管理具有动态应变性、系统性和模拟预见性; 保证物流信息和资金流信息的统一。（3）建设数字化工厂的意义通过数字化工厂项目的建设，将使企业在以下几个方面受益:缩短新产品的上市周期;减少新产品的开发成本;优化产品设计以利于加工;优化生产线配置和布局，减少生产线准备和停机时间;增加

6、生产线设备生产力，提高生产效率;改善工人的劳动强度，提高产品质量。3石化数字化工厂的架构企业数字化管控一体化是采取ERP/MES/PCS三层结构：过程控制层(PCS)、制造执行层(MES)、经营管理层(ERP)集成的现代化系统，可对生产经营进行科学地分析、评价和预测，对生产计划和经营策略及时进行调整，以适应多变的市场要求。企业资源计划系统（ERP）是市场经济和信息网络技术的发展的产物。ERP着眼于企业内部资源的优化整合，强化对市场动态的及时把握，为企业的高效经营管理提供强有力的支撑。实施ERP系统极大地有助于新体制的建立，推动从以计划为龙头、调度为中心的经营模式向以市场为导向、财务为核心的经营

7、模式转化，以提高企业的核心竞争力。MES将生产过程控制、生产过程管理和经营管理活动中产生的诸多信息进行转换、加工、传递，是生产过程控制与管理信息集成的重要桥梁。PCS是指DCS;FCS或DCS-FCS，FCS与ERP,MES组成企业综合自动化系统。（1）全厂自控方案石化厂的数字化管理与控制体制是三级系统, 全厂管理和控制系统方案如下： 第一级管理系统包括办公管理系统ERP/MES及办公自动化(OA)第二级生产管理系统 (a)各联合控制室的FCS-DCS控制系统通过网络设施与调度中心进行联网，生产调度人员可随时了解过程信息,以实现生产管理。(b)为了保证网络安全和数据实时传输的速度，在各卫星控制

8、室与生产管理和调度中心之间设置独立的网络实现通讯。 (c)生产管理和调度中心可随时调用全厂主要电视监视图象;可显示全厂所有的可燃气体和有毒气体报警信号。第三级数字化控制系统 全厂设一个控制室或按区域设联合控制室，控制室是装置的操作中心，对相关的生产装置、公用工程及储运系统进行集中操作和管理，全厂数字化控制系统结构见图1-13-14。图1-13-14 全厂数字化控制系统结构图4企业资源管理系统功能（ERP） ERP是一种科学的先进的管理思想和管理体系，其核心是以企业战略为导向对核心业务流程进行规范和优化；以市场为导向实现宏观规划和动态计划的密切结合；以物流、信息流和资金流动态集成为手段，实现企业

9、的人、财、物等资源的最佳利用，最终的目标是实现企业价值的最大化。主要功能如下:ERP系统主要作用是流程规范、业务集成、信息透明。ERP系统通过信息的动态集成实现了业务功能的无缝集成，不但能够最大限度的保证信息的完整性、及时性和共享性，而且能够对核心业务进行自动化驱动和有效控制。ERP系统通常包含财务会计、管理会计、销售分销、物流管理、生产计划、设备维护等核心模块。一个典型的ERP除了上述功能外，在不同的应用中，可能还包括项目管理、投资管理、资金管理、人事管理等辅助功能。(1）财务会计是ERP的核心，包括总帐、应收和应付帐款、资产管理、报表合并等基本功能，满足必要的财务管理需求。另外，财务会计通

10、过与管理会计、销售分销、物流管理等功能的集成，实现企业日常经营过程中财务会计的记录和管理。(2）管理会计通常包括成本中心会计、产品成本会计、赢利能力分析和利润中心会计等，它通过与销售分销、物流管理、采购、设备维护等功能的集成，获取实时的生产经营成本数据，跟踪企业的成本构成和各种影响因素，实现全面的成本预算、核算和控制。(3）销售与分销通常包括客户管理、订单处理、价格管理、装运交货、开具发票、收款、销售信息分析等。它通过与财务会计、管理会计、物流管理等功能的集成，准确及时地进行销售业务处理和为企业提供市场趋势、产品需求等信息反馈。(4）物流管理通常包括供应商管理、采购、库存管理、仓库管理、发票校

11、验、付款管理等。利用这一功能可实现对采购、库存及仓库的动态管理，并通过与销售、生产计划和设备维护等功能的集成，获取实时的物料需求信息，实时地提供有关物流和库存方面的财务和成本数据。(5）生产计划涵盖了从宏观计划、销售计划、主生产计划、滚动生产计划的全面管理。针对流程型和离散型行业生产的不同特点和需求，ERP系统提供不同的生产计划功能，包括面向订单、面向库存、面向最终装配等计划策略。生产计划模块通过与其它功能的全面集成，使工厂的计划、控制和执行部门紧密联系起来，同时为采购和销售提供准确信息。(6）ERP系统的设备维护功能支持与设备维护计划及加工维修任务有关的活动，它可以对设备维护和设备维修进行成

12、本计划、时间进度安排和能力计划的管理等，同时设备的可用度和维修计划又会生产计划的制定提供依据。在这些通用的基本功能之外，ERP软件还包含一些适用于不同的行业特殊解决方案，如金融、保险、能源等。在石油化工领域，软件商针对全球石油石化行业的业务和运营特点，开发了适用于石油石化行业的上游和下游生产经营的解决方案。上游解决方案包括油田生产和产品控制、油田结算、合同分配和合同定价等，下游解决方案包括碳氢化合物库存管理、储罐管理、运输分销和加油站管理等。5 MES系统功能 MES是企业综合自动化系统的中心环节，在ERP/MES/PCS整个系统中起到承上启下的作用。MES主要完成生产计划的调度与统计、生产过

13、程成本控制、产品质量控制与管理、物流控制与管理、设备安全控制与管理、生产数据采集与处理等功能。MES将生产过程控制、生产过程管理和经营管理活动中产生的诸多信息进行转换、加工、传递，是生产过程控制与管理信息集成的重要桥梁。国内外大型石化公司已采用MES，其MES主要由以下几部分组成：(1）实时数据库与信息管理 通过实时数据库，企业可集成生产计划与生产调度、先进控制与优化、设备维护与管理、动态成本管理、化验信息系统、流程模拟与优化、ERP等系统，并把这些信息有机连在一起，在业务管理和生产控制之间起到上下贯通、管控一体化的作用。(2）生产计划与调度优化生产调度系统实施企业生产计划，保证全厂稳定、高效

14、地生产。调度决策系统将生产计划、生产调度、工艺操作和油品储运等联系起来，提前预测生产和油品库存情况，并可进行调度优化。(3）流程模拟与工程 通过工程流程模拟与优化等先进技术，找到最佳的操作条件，在满足生产装置安全生产和产品质量合格的优化条件下进行生产，是石化企业挖潜增效的有效途径。(4）先进控制与优化 先进控制解决方案主要包括非线性控制器、在线监控、软仪表推理技术、优化控制器维护等，可应用于催化裂化、连续重整、大型延迟焦化及乙烯等各种生产装置。用线性规划(LP)为优化基础，控制器能使生产工况在最优卡边操作。当控制器投用后，还需要监控其性能，以便作周期性维护，使其保持精确度。闭环实时优化可强化装

15、置的可靠性，并提高效益。(5）数据校正与物料平衡 通过实时数据库等系统，许多炼化企业已实现了生产过程数据的自动采集、生产装置的远程监测等，其数据校正与分析应用有以下几点：全厂生产工艺过程的物料、能源平衡计算；为成本核算、收率核算、油品移动、罐区管理和生产统计等应用提供准确可靠的数据；诊断仪表故障，发现并及时处理跑冒滴漏现象；为生产计划和调度提供有力支持；为ERP等系统提供基础数据。(6）实时动态模拟系统实时动态模拟系统可提供整个炼厂高精确度、多功能动态模拟，可用于设计、工厂开车、工厂改造等方面的操作改进，并通过提高炼厂生产能力和培训操作员技能，实现效益的最大化。 在石化系统几家企业已应用MES

16、系统，通过对物流的综合跟踪管理，可有效降低油品的损耗，有了MES这套系统后对公用工程的数据可进行有效的管理，降低了能耗，提高了能源使用效率。 石化企业积极开展MES技术的应用，并推广实时数据库系统、物料平衡系统、炼油生产动态调度系统、实验室管理信息系统等，为企业ERP建设打下良好的数据基础；制造执行层MES的优化管理和控制，为企业增效节能、降低成本，取得良好经济效益。6 数字化的控制系统（PCS） PCS（过程控制系统）是对生产工艺过程自动控制-DC和FCS，主要完成工艺过程的控制，包括过程检测、仪表控制、电气控制和执行机构（包括各种信号转换、驱动控制设备）。现场总线数字化控制系统的特点： （

17、1）数字化自动控制系统的实施现场总线在全世界发展迅速，尤其是在工业过程控制领域，产品日趋完善，并得到了广泛的应用。目前，全世界已安装的基金会系统超过12，000套，已安装的现场设备超过1000，000台以上;其中，在中国已安装系统超过100套，已安装现场设备超过数万台。基金会现场总线已在美洲、欧洲、亚洲以及大洋洲得到应用，最终用户遍及各主要工业发达国家。基金会现场总线为石油化工企业提供了全数子化的控制系统。赛科建造新型石化数字化工厂，确立的三个目标：（a）将联合装置建成一个世界级装置，降低中国对进口石化产品的依赖性；（b）从进料到下游石化产品的生产效率进行全程自动控制；（c）工厂应采用最先进的

18、自动控制技术，确保公司在未来竞争中处于优势地位。 艾默生将PlantWeb数字工厂结构成功应用于整个一体化工厂中，是迄今为止世界上最大的基金会现场总线系统，在工厂的20000个控制设备中，有13000多个是通过基于现场总线技术的网络连接进行数据传递、工艺控制和设备诊断的。 该数字化自动控制系统包括48000多个控制回路，大约166000 I/O位号，约25000个节点通过硬接线方式连接到自动控制系统，系统中的电缆数量超过70000条。数字化结构集成了10套DeltaV系统，每套DeltaV系统均提供了全局历史数据库，并具备远程操作功能。这10套自动化控制系统均由一个远程控制室来实施控制。如果不

19、采用基金会现场总线系统，这将是无法实现的。PlantWeb数字工厂结构的采用使赛科成为当今世界上最先进的一体化联合工厂见图1-13-15。 图1-13-15 FCS控制系统图大型工程项目中FCS和DCS控制站集成。一种是FF-H1现场总线模块作为控制站的下属I/O模块，例如Emerson公司的Delta V系统。 (a)FCS和DCS-I/O总线的集成特点：除了安装现场总线接口板或现场总线接口单元外，不用对DCS再做其它变更；充分利用DCS控制站的运算和控制功能块，即安全又可对现场总线仪表的功能块的补充；利用已有DCS的技术和资源，投资少，见效快，便于现场总线推广和应用。(b)对主系统DCS功

20、能要求主系统DCS功能应能与FF现场总线的性能实现集成，通过认证和测试并可在线下装；FF现场总线性能主要有:自动节点寻址、互操作性、利用标准DDL对设备直接组态、FF设备运行，维护和诊断数据的直接集成、调整参数，模式，报警和数据质量、调整参数，模式，报警和数据质量、无需关断网络，在主系统运行时就能实现现场设备的组态、无需调试和启动延迟，主系统应具备向现有网络/网段中添加新的现场设备并可进性全部组态、主系统应提供设备能力文件等。基金会现场总线技术能够确保智能现场设备基本PID控制功能的实现，因此决定将PID运算法则下装到最终控制节点阀门控制器。现场控制技术（CIF）提高了真正集散控制系统的可靠性

21、，极大降低了自动控制系统和现场控制设备间的数据通讯负载，增强了系统的可靠性。 在阀门中执行单回路控制，而所有的复杂控制如串级控制和多变量策略均可在DeltaV数字自动控制系统中实现。控制功能模块可以在任何现场设备中实现，或在自动系统中实现，因为它是一个具备简便拖放菜单的软件。当我们对不断变更的工厂进行修改时，这种简单的组态方式会节省大量的时间。 世界级乙烯裂解一体化联合工厂的建成仅花费了27个月的时间，比计划提前了3个月，10套一体化工厂全部顺利建成。这主要归功于聘用主要仪表供应商进行项目管理、采用基金会现场总线的PlantWeb数字自动控制结构，从而加速了施工进程，保证了顺利运作，降低了维护

22、费用，并为将来的发展构建了一个先进、开放的平台。福建炼油乙烯的应用项目位于福建泉州,由中石化,ExxonMobil和Aramco共同投资兴建.福建炼油乙烯一体化项目. 全厂采用数字化自动化结构,全面采用基金会现场总线(Foundation Fieldbus)技术.共采用10套DCS系统,2个中央控制室,22个外站.总IO点数超过40,000. FF现场设备12,000台.项目将于2009年投入商业运行旅大油田开发项目的应用 旅大油田考虑到大型综合性平台应用现场总线技术效益更明显因此决定在旅大5-2和旅大10-1平台采用现场总线系统，旅大4-2平台仍采用传统系统。 LD5-2/LD10-1平台的

23、控制系统包括：过程控制系统（PCS）、紧急关断系统（ESD）和火/气探测系统（F&G）。其PCS采用现场总线控制系统（Fisher-Rosemount DELTA V），H1采用FF现场总线，H2采用HSE 100M以太网。ESD采用安全仪表（SIS）控制系统，F&G采用专用的火/气控制系统。旅大10-1油田CEP/WHPA平台的现场具有208个FF装置，23个模拟量输入，总线上布有28个FF网段和6个FISCO本安网段。旅大5-2油田DPP平台的现场具有178个FF装置，28个模拟量输入，总线上布有16个FF网段和7个FISCO本安网段。考虑到现场总线技术是首次在海上油（气）田开发项目中获得

24、应用，因此设计中留有较多的余量，在正常情况下一个FF网段接16个FF装置，1个FISCO本安网段可接12 FF装置。但在本项目中一个FF网段只连接了9个FF装置，1个FISCO本安网段只连接了10个FF装置。 现场总线应用效益明显世界级乙烯裂解一体化联合工厂的建成仅花费了27个月的时间，比计划提前了3个月，10套一体化工厂全部顺利建成。这主要归功于聘用主要仪表供应商进行项目管理、采用基金会现场总线的PlantWeb数字自动控制结构，从而加速了施工进程，保证了顺利运作，降低了维护费用，并为将来的发展构建了一个先进、开放的平台。现场总线数字控制系统的应用带来直接的经济效益，具体表现如下：由于采用了

25、现场总线技术，使得设计、绘图的工作量简化，布线及调试时间大大缩短，安装成本得以降低。不仅如此，在其运行应用过程中，现场总线技术所带来的长远利益还将会进一步显现，如：出色的诊断能力；检修、维护的方便性；提高资产效率、降低运转成本等。上海赛科石化有限公司是全球最大的基金会现场总线项目之一。撑握现场总线的技能和知识对于成功实施一个基金会现场总线项目来说是非常重要的。作为最终用户，还必需调整项目的一些实施程序，以最大限度地发挥总线的优势。采用基金会现场总线技术和资产管理系统使仪表的可靠性提高了99.8%，同时降低了故障率。中海油壳牌石化有限公司（惠州）采用现场总线控制系统，具有内置AMS管理软件，技术

26、人员在控制室就能了解现场设备状态及故障情况，大大减少现场巡检。现场总线网络提供纠错和诊断功能，这确保了更精密的维护和更便捷的安装。维护技师和仪表工程师发现现场总线的诊断能力使他们的工作更加容易和有效。现场总线应用于主机管理系统进行预测维护，提高了工厂可靠性，并有效降低成本。 FCS应用的几个问题随着FCS技术性能和可靠性提高，市场占有率将大幅度提高。根据目前FCS应用的经验，在应用FCS要注意以下几个问题：(a）选型时要选FCS系统可靠性高和维护性好的系统；（b）要关注全厂网络系统的安全性；冗余卡件自动切换及在线插跋；(c）对预可维护功能，AMS要支持设备描述文件（DD file）不断升级的现场设备。(d）DCS-FCS通讯协版本统一；FCS组态应进一步简化；(e） SIFESD的工程应用；更多的现场总线仪表注册以便使现场仪表扩大应用范围。(f）DCS-FCS集成控制系统是利用已有DCS的技术和资源，最实际的数字化控制方案，便于现场总线的推广和应用。今后,根据石化的需要，还要进一步开发和应用装置/工厂效能监视软件(U/PPM);设备预测维修和寿命周期管理(LCM);联机处理分析(OLPA);数据挖掘技术及决策支持系统等，逐步建成全球性的实时企业（RTE）全数字化工厂。