自控率實時監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

梁 飛

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

煉油化工企業(yè)一般將處于自控狀態(tài)的回路數(shù)與總的控制回路數(shù)比值的百分數(shù)稱為自控率，或者稱為儀表實際自控率、自控投入率，如果剔除工藝原因，將得到儀表自控率。自控率作為一項重要的專業(yè)管理指標，在一定程度上標志著一個企業(yè)的自動化水平、設(shè)備管理水平和裝置運行穩(wěn)定性。基本過程控制系統(tǒng)(BPCS)的自控率水平，直接影響企業(yè)安全保護層的可靠性，對于安全生產(chǎn)來說至關(guān)重要。業(yè)界對于儀表自控率水平的重視程度也在逐年提高，中國石油化工集團有限公司于2017年將“儀表自控率”和“儀表實際控制率”列入關(guān)鍵績效指標(KPI)，并明確要求其數(shù)據(jù)需通過自控率平臺獲取，因此以往通過人工計算儀表自控率的方法已不可取。建設(shè)一套實時的儀表自控率監(jiān)控系統(tǒng)，為管理部門提供真實、可靠、便捷的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，用于指導(dǎo)管理和自控率提升已經(jīng)迫在眉睫。

中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)創(chuàng)建于20世紀70年代，主要包括煉油、化工、合成樹脂、合成纖維等生產(chǎn)裝置，以及煤電、儲運、水處理等輔助裝置，共計200余套，實行公司、二級單位、裝置三級管理模式。其中涉及儀表自控回路的二級單位有10家，基本過程控制系統(tǒng)約300套，儀表控制回路總數(shù)近12 000個。控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠家有以HONEYWELL、橫河、SIEMENS、浙江中控等為主的近20家。多樣化的生產(chǎn)裝置、年代不一的新老設(shè)備、紛繁復(fù)雜的系統(tǒng)廠家、不同的二級單位管理模式以及龐大的回路總數(shù)，給人工統(tǒng)計自控率工作帶來了很大的困難，且數(shù)據(jù)的及時性和真實性無法保證。因此上海石化于2014年開始進行自控率實時監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用。

1 需求分析

1.1 基本功能

系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)自動取數(shù)、自控率計算、報表輸出等基本功能，以用于替代人工計算；可查看實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)；計算數(shù)據(jù)應(yīng)該可以按管理區(qū)域、時間、工藝儀表原因等條件進行分類匯總；應(yīng)實現(xiàn)自控回路臺賬等基礎(chǔ)資料的在線維護管理，包括相關(guān)數(shù)據(jù)報表的導(dǎo)入、導(dǎo)出功能，審批權(quán)限、審批流程的設(shè)置，原因分析、維護痕跡的留存；此外，系統(tǒng)開發(fā)時還應(yīng)完成用戶手冊編寫用于滿足用戶培訓需求。

1.2 回路篩選

基于各裝置生產(chǎn)工藝的特殊性以及歷史遺留問題的客觀存在，要更好地反映自控率的真實情況，必須對自控回路進行分析，完成不參與統(tǒng)計回路的剔除，可剔除回路主要包括以下幾種情況。

(1)因設(shè)備(非儀表設(shè)備)長期或永久停用導(dǎo)致儀表控制回路取消或長期停用。例如：某反應(yīng)器已經(jīng)停用，但因未遇到合適的停車檢修機會對系統(tǒng)回路進行維護等原因，系統(tǒng)中控制回路依然存在。

(2)因工藝變更、設(shè)計變更等導(dǎo)致原有回路長期停用、取消、功能變更。例如調(diào)節(jié)閥已拆除或改為手操閥，部分回路因工藝變更已停用或閥門長期全開使用。

(3)僅開停車時使用自控系統(tǒng)(控制閥處在全開或全關(guān)狀態(tài))，正常生產(chǎn)時不使用的回路。從系統(tǒng)整體考慮，因開停車時間占裝置總運行時間比例極低，系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計以正常運行裝置為主體，故此類回路不參與統(tǒng)計。

(4)裝置經(jīng)營性停車或計劃檢修，生產(chǎn)線整體停車。

(5)其他有明確理由不參與統(tǒng)計的，由相關(guān)管理人員進行評審確認。

此外，因儀表故障長期無法修復(fù)，設(shè)計缺陷等原因?qū)е聝x表回路無法投用自控，工藝增產(chǎn)或減產(chǎn)導(dǎo)致儀表在非正常使用范圍內(nèi)而無法投自控，工藝原料品質(zhì)變化、上下游波動等導(dǎo)致無法投用自控的不得作為不參與統(tǒng)計的理由。

1.3 條件設(shè)置

通過對自控回路進行分析，發(fā)現(xiàn)部分回路可通過在系統(tǒng)中設(shè)置條件來進行精確計算，主要包括以下幾種情況。

(1)工藝切換投用的設(shè)備、流水線等對應(yīng)的控制回路。如聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)裝置的切換牌號生產(chǎn)，化纖裝置的流水線切換生產(chǎn)等，可選擇一個合適的條件，對相應(yīng)的控制回路進行選擇(是否參與統(tǒng)計)。

(2)主備設(shè)備、兩用一備等設(shè)備上的控制回路。以機泵為例，可在系統(tǒng)中進行二取一或三取二設(shè)計，即主備設(shè)備只要其中一臺設(shè)備為投自控狀態(tài)，則確認為兩個回路都為自控狀態(tài)。

(3)特殊工藝中可用條件判斷是否需投用自控的回路，即某個或部分條件達成，可判斷一系列回路需投自控或切除自控的(如間歇性生產(chǎn)設(shè)備等)。如乙烯裝置的裂解爐燒焦是裝置運行中的一個必要過程，可以用裂解爐運行標志位、燒焦空氣流量來共同表征裂解爐是否處于燒焦狀態(tài)，進而用來判斷該裂解爐上的自控回路是否需要計入統(tǒng)計。

(4)其他一些在工藝操作法或相關(guān)規(guī)程里明確規(guī)定，在進行相關(guān)工藝操作時需切除自控的回路，可根據(jù)實際情況設(shè)置條件或進行人工干預(yù)，系統(tǒng)應(yīng)預(yù)留相應(yīng)功能，但應(yīng)增加相應(yīng)制度管理。

2 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

2.1 用戶功能的實現(xiàn)

出于網(wǎng)絡(luò)安全及控制系統(tǒng)通訊負荷的考慮，自控率監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計時避免直接從BPCS取數(shù)。該系統(tǒng)通過企業(yè)現(xiàn)有的實時數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)采集工作，不對BPCS造成影響。結(jié)合調(diào)研與需求分析，系統(tǒng)設(shè)計時需實現(xiàn)以下用戶功能。

2.1.1 數(shù)據(jù)庫基本功能

實時數(shù)據(jù)庫位號組態(tài)的完善，確保實時數(shù)據(jù)庫自控回路與BPCS保持一致并正常取數(shù)；

基礎(chǔ)控制回路信息的完善,包括回路位號、描述、控制狀態(tài)等信號；

條件控制回路信息的建立，完成控制回路所需條件位號的組態(tài)；

控制回路自控率采樣統(tǒng)計,綜合考慮系統(tǒng)負荷和采樣的代表性，確定每個有效位號每天48個采樣點，即每半小時采樣1次。每月的總采樣點數(shù)就是當月每一天累加起來的數(shù)量。

2.1.2 關(guān)系數(shù)據(jù)庫完善

構(gòu)建不統(tǒng)計回路申請、審批關(guān)系數(shù)據(jù)庫；

構(gòu)建主備位號、二取一位號、多取多位號、依據(jù)條件判斷位號等關(guān)系數(shù)據(jù)庫；

構(gòu)建回路事件記錄數(shù)據(jù)庫，保存回路審批歷史數(shù)據(jù)。

2.1.3 功能模塊設(shè)計

設(shè)置基礎(chǔ)控制回路信息(臺賬)的導(dǎo)出、查詢功能，導(dǎo)入功能不對普通用戶開放，由后臺統(tǒng)一導(dǎo)入；

設(shè)置條件控制回路信息的導(dǎo)入、導(dǎo)出、查詢功能；

設(shè)置控制回路不參與統(tǒng)計申請、審批在線維護功能，并設(shè)置批量導(dǎo)入、導(dǎo)出功能；

設(shè)置控制回路實時狀態(tài)查詢功能，實時狀態(tài)中需顯示是否參與統(tǒng)計狀態(tài)；

設(shè)置按公司、二級單位、裝置，按年、月、周、運轉(zhuǎn)班次、實時統(tǒng)計自控率報表功能，數(shù)據(jù)計算自動完成；

設(shè)置公司、管理部室考核指標可配置模板，考核指標顯示在報表中；

設(shè)置首頁導(dǎo)航模塊，通過區(qū)域圖(地圖)實時顯示各裝置實時自控率；

設(shè)置未投自控原因分類分析模塊，可區(qū)分儀表原因和工藝原因，經(jīng)線下分析后導(dǎo)入；

設(shè)置系統(tǒng)權(quán)限、角色功能模塊；

歷史數(shù)據(jù)查詢功能。

2.2 自控率算法實現(xiàn)

2.2.1 自控率算法要求

《中國石化煉化企業(yè)設(shè)備KPI指標》中包含儀表自控率和儀表實際自控率兩個指標，兩個指標的算法為：

儀表自控率=[實際投用控制回路數(shù)/(總控制回路數(shù)-因工藝原因停用的控制回路數(shù))]×100%

儀表實際自控率=(實際投用回路數(shù)/總控制回路數(shù))×100%

基于管理考核的需要，該企業(yè)同時進行工藝自控率的計算。算法如下：

工藝自控率=[實際投用控制回路數(shù)/(總控制回路數(shù)-因儀表原因停用的控制回路數(shù))]×100%

在實際應(yīng)用過程中，因自控回路未投自控的原因多種多樣，往往不能簡單地歸類為工藝原因或儀表原因。因此在實際計算時一般考慮儀表原因和非儀表原因(與管理架構(gòu)保持一致，電儀中心與生產(chǎn)性二級單位相對獨立，電氣因素太少可忽略)。

2.2.2 自控率算法系統(tǒng)的實現(xiàn)

系統(tǒng)通過實時的離散數(shù)據(jù)采集，結(jié)合不同的時間間隔、區(qū)域劃分，最終計算出對應(yīng)的自控率。以某裝置一周的數(shù)據(jù)為例，其各類自控率計算如下：

儀表自控率=[(自控采樣點數(shù)-不參與統(tǒng)計回路自控采樣點數(shù))/(總采樣點數(shù)-不參與統(tǒng)計點數(shù)-參與統(tǒng)計回路因非儀表原因停用的采樣點數(shù))]×100%

其中：總采樣點數(shù)=某裝置回路總數(shù)×48×7

儀表實際自控率=[(自控采樣點數(shù)-不參與統(tǒng)計回路自控采樣點數(shù))/(總采樣點數(shù)-不參與統(tǒng)計點數(shù))]×100%

工藝自控率=[(自控采樣點數(shù)-不參與統(tǒng)計回路自控采樣點數(shù))/(總采樣點數(shù)-不參與統(tǒng)計點數(shù)-參與統(tǒng)計回路因儀表原因停用的采樣點數(shù))]×100%

不參與統(tǒng)計比率=(不參與統(tǒng)計點數(shù)/總采樣點數(shù))×100%

2.3 功能界面

2.3.1 系統(tǒng)主視圖

主視圖即導(dǎo)航模塊，通過區(qū)域圖實時顯示各裝置實時自控率，通過點擊二級單位可彈窗顯示各裝置實時自控率情況。

2.3.2 自控率報表

系統(tǒng)設(shè)計多類自控率報表，可通過區(qū)域和時間間隔的選擇，自動生成不同的報表，以公司月度報表為例，其內(nèi)容包括：各二級單位考核指標、總回路數(shù)、總采樣點數(shù)、不參與統(tǒng)計點數(shù)、不參與統(tǒng)計比率、自控率、儀表自控率等。這些數(shù)據(jù)均以月度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行計算得到。

2.3.3 應(yīng)用圖表

為便于更加直觀地查看和分析數(shù)據(jù)，系統(tǒng)還開發(fā)了多種應(yīng)用圖表，具體包括：公司日/周/月趨勢圖、二級單位周/月自控率對比圖、月度考核情況圖等。

3 企業(yè)的配套措施

自控率實時監(jiān)控系統(tǒng)本身不能提高自控率，它只是為自控率管理提供一個真實、便捷的數(shù)據(jù)平臺，需要配合運用必要的管理手段，才能切實提高一個企業(yè)的自控水平。

(1)企業(yè)中部分操作人員由于歷史原因形成手動操作習慣，對回路投切自控的重要性認識不足，認為手動操作更“準確”、更“可靠”，因而從內(nèi)心里排斥投用自動控制。企業(yè)可通過培訓、宣講等形式提高員工意識，使其充分認識提高自控率的重要意義。

(2)企業(yè)需定期開展自控率評估工作。工藝、技術(shù)、儀表、設(shè)備等多專業(yè)共同參與，對不投自控的回路進行分類，并開展原因分析，形成行動項，進行閉環(huán)管理。系統(tǒng)投用以來，上海石化每月導(dǎo)出不投自控回路清單，由工藝、技術(shù)、儀表、設(shè)備等專業(yè)共同開展不投自控回路分析，查清原因，通過工藝調(diào)整，儀表檢修，比例、積分、微分(PID)調(diào)整等措施，有效地提高了自控率。

(3)企業(yè)需制定措施確保系統(tǒng)內(nèi)自控回路的準確性，將自控率監(jiān)控系統(tǒng)管理與變更管理(MOC)相結(jié)合是一個行之有效的方法。當變更發(fā)生時，明確與自控回路相關(guān)的變更須在系統(tǒng)中進行相應(yīng)的維護，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的真實準確。

(4)企業(yè)需采取必要的獎懲措施，促進自控率管理工作的開展。通過多年的積累，上海石化形成了一套較為完善的自控率獎懲模式，通過績效考核和勞動競賽兩種模式約束和激勵各專業(yè)開展自控率提升管理。

(5)以往自控率被普遍誤認為是儀表專業(yè)的責任，導(dǎo)致部分工作開展不易，自控率提升緩慢。企業(yè)應(yīng)明確自控率管理中的職責劃分，由主管領(lǐng)導(dǎo)牽頭，自上而下加強自控管理，并給予適當?shù)馁Y源傾斜，確保檢修、更新或技術(shù)改造資金的投入，有效提高企業(yè)的自控水平。

(6)企業(yè)可引進先進的技術(shù)和理念，進行控制系統(tǒng)優(yōu)化，提高自控率。應(yīng)防止為追求自控率提升而采取的不合適做法。例如僅僅為了投切自控而對閥門進行機械限位的做法是不可取的，甚至是非常危險的，應(yīng)明令禁止。

(7)企業(yè)應(yīng)確保足夠的系統(tǒng)維護力量，保證系統(tǒng)的長期正常運行，并形成長效機制，避免出現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)后無人使用或無使用意義的情況發(fā)生。

4 應(yīng)用案例及成效

4.1 應(yīng)用案例

上海石化某化工裝置自控率一直不高，系統(tǒng)上線初期自控率不足70%。系統(tǒng)上線及獎懲措施執(zhí)行后，相關(guān)部門高度重視，組織團隊進行專題分析，確定如下幾個主要問題。

(1)部分儀表精度達不到要求，這主要是由于工藝處理量的提高和長期使用磨損造成。2017年大修時，有針對性地將5臺孔板流量計更改為渦街流量計，使流量控制精度得到提高。同時完成6臺調(diào)節(jié)閥更新，消除調(diào)節(jié)閥存在非線性及偏離正常調(diào)節(jié)范圍的問題。裝置開車后，對應(yīng)回路順利投切自控，裝置自控率提升近5%。

(2)部分控制方案不合理，存在控制偶合現(xiàn)象，無法同時切自控。例如圖1(該裝置的流程圖)中T-3304塔回流量調(diào)節(jié)FIC-3380與V-3305槽液位控制LICA-3380所對應(yīng)的調(diào)節(jié)閥均在V-3305出料管線上。回流量的大小間接影響T-3304塔頂氣相量，從而影響塔頂至V-3305的進料，同時直接對V-3305的液位產(chǎn)生影響，進而會影響采出閥LV-3380動作，造成V-3305出料管線內(nèi)流量變化。兩回路同時投用自控后，回流與產(chǎn)出會產(chǎn)生控制耦合，導(dǎo)致控制不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)大波動。因此需要進行深入研究，完善控制方案，進行解耦控制。

圖1 某化工裝置流程

4.2 應(yīng)用成效

上海石化自控率實時監(jiān)控系統(tǒng)建成后，實現(xiàn)了公司、二級單位、生產(chǎn)裝置自控率的實時監(jiān)控。通過對影響自控率的原因分析，使公司管理層可以有效地組織和控制生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。系統(tǒng)運行以來，各裝置自控率都有所提高，公司年平均儀表實際控制率從2015年的71.20%提高到2018年上半年的94.60%，其中2018年5月儀表自控率達到98.99%，自控率得到逐年穩(wěn)步提升，對設(shè)備管理及生產(chǎn)管理水平提高起到了積極作用。

5 結(jié)語

提升自控率不是一味地追求數(shù)據(jù)的提升，而是要切實提高裝置的控制率和平穩(wěn)率，同時自控率實時監(jiān)控系統(tǒng)本身不能提高自控率，需要配合必要的管理手段，確保數(shù)據(jù)的長期真實有效，形成長期使用和維護機制，才能真正發(fā)揮其作用。該系統(tǒng)于2014年底正式上線，為滿足不斷提升的管理需求，目前已經(jīng)完成第3期優(yōu)化升級，并于2018年6月上線試運行。系統(tǒng)的投用為生產(chǎn)管理提供了實時有效的數(shù)據(jù)分析，為提高裝置自控水平和優(yōu)化精細化管理提供了行之有效的手段。