[大佬]以工艺人员视角去看待被控对像1

正如大家所知道，近年来，工业领域，数字化转型步伐越来越快。大家或多或少都接触到了一些数字化的概念和相关的项目，也有一些自己的看法。而近些年，我也不断的通过各种形式参与到相关的数字化转型项目中，也经常反思自动化往数字化转型过程中的一些问题，也会去想传统自动化工程师如何去应对相关变化，十年后的我们会不会像十年前的诺基亚一样有被市场淘汰的风险。在这个系列文章中，我会去给大家用通俗语言解读西门子过程自动化的数字化工程解决方案，并尽量匹配到我们自动化相关的需求上来，从而尝试勾勒出当前阶段，我们自动化工程师可能需要做出什么样的转变，或是增加哪些方面的技能，当然，会借助西门子的相关产品进行密切结合进行阐述。个人看法肯定有片面性和局限性，只是给大家开拓一下思路。如果大家有任何不一样的见解和想法，欢迎大家一起讨论。

西门子过程工业的数字化工程解决方案很大程度上指的就是“一体化工程和一体化运维”。其中，一体化工程中指的是利用一体化设计平台COMOS，来进行整个工厂的生命周期中从可行性研究、基础设计、详细设计、安装调试及验收测试，甚至还包括客户后续生产中的相关维护，从而优化工厂的全生命周期管理。基于此基础，客户甚至在设计阶段就可以虚拟出一个拷贝的数字化工厂，利用SIMIT软件去虚拟测试相关的设计结果，也可以结合自动化软件PCS 7仿真及验证自动化控制程序，实现“数字化双胞胎”虚拟工厂与现实工厂的无缝切换。而一体化运维，则是借助此技术架构基础，把相关的工厂设备，管道仪表等设计数与PCS 7产生的实时生产数据进行结合，当设备出现报警时可以触发一体化平台COMOS的维护流程，定位到一体化平台中的相关报警设备的相关信息资料，如安装尺寸，备件信息，维修计划等。维护人员可以按照相应设备的维护预设流程进行维护即可。

以上这短短的一段话，里面包含了大量的信息在其中，我会尝试着去让大家看完整个系列文章后，能够更加深刻理解以上这段话，并争取把其中关键环节技术要点解析出来，看看我们自动化工程师在其中如何参与。

看完以上这段话从直观上就能感知，实现以上的基础就需要把相关的全生命周期的所有相关工作结合起来，通过统一的平台或可互相交换数据的数据接口让所有相关工作产生的数据进行高效无误的互联互通，打通生命周期的信息孤岛。也就是现在经常说的，让数据流动起来，否则可能会沦为空谈。怎么让数据流动起来，这可能就是我们需要思考的一个地方。我们是通过轮船来连接孤岛，还是通过跨海大桥，高速公路甚至高铁来连接呢？

此系列文章大致内容我暂计划以如下方式进行，

首先会回顾一下一个传统工厂是如何建设的，大家可能会困惑，为什么自动化工程师要了解这些，自动化工程师不是只需要编程调试么？原则上来说是没错的，但是在自动化往数字化的方向发展过程中，你会慢慢发现，自动化工程师只了解自动化相关的内容是远远不够的，如果不能了解整个工厂建设生命周期中大多数环节是如何串联的，那么就很难理解数字化工程整个理念，如果不理解数字化工程整个理念，那就很难从心底认可我们可能需要做出的改变，如果我们对于我们需要在日常工作中做出改变没有很深的认同感，那么怎么进行这些改变从而配合整个数字化工程的发展呢？这也是目前数字化工程对大家比较困难的一个环节。限于篇幅，我只会简单梳理工厂建设周期里和自动化关系比较密切的环节，以后有机会可以专门和大家说说工程生命周期的内容。基于此，我们必须花费一定篇幅去把这个过程简单的梳理一下。通过梳理一个传统工厂建设的流程和步骤，我们一起看看其中哪些关键的数据信息是会在其中进行传递，并最终被我们自动化工程师使用。梳理完传统工厂建设，我们需要去看看而这些关键的数据信息在西门子一体化工程建设概念中是如何被传递并使用的，通过对一体化工程的分析，我们需要尝试找出自动化工程师可能需要做出的一些变化，可能是视角上的，可能是思想上的，也可能是技能上的。

然后我会争取以应用实例的方式来尝试还原一体化工程的具体实践，通过实例来展示一体化工程的实现方式，看看数字化工程中数据如何流动起来。这其中会有COMOS部分的展示，也会有PAA，PCS 7及SIMIT方面的展示。目的就是为了让大家去深入了解西门子一体化工程的实现方式。后面如果篇幅允许，还会简单解析下一体化运维，看看它可能会导致什么样的变化。

希望大家通过此系列文章，可以对西门子过程自动化的一体化工程和一体化运维有更深入的了解，也能够了解到一些最新的技术发展趋势。从而对自己将来的项目实施，发展计划和日常工作有所帮助.

首先，我们一起回顾下当我们去建设一个工厂时，大致需要的一个步骤，从而挖掘出其中的数据流向和技术需求。工厂生命周期是一个比较复杂的概念，各个标准组织，各行业之前都会有不同的差别，在这里我们不去比较和进行过多赘述，我们不去关注整体工厂的建设或者和自动化工程师关系不太密切的步骤，比如说厂房，土建，结构，管道等，只是描述与工厂工艺和仪表电气可能涉及到的工程项目步骤，参照来自NA 35的下表一，我们摘取与我们比较关系密切的部分进行阐述。

表1 工程项目阶段

假设我们建设一个化工厂，开始必须会有相关的工艺设计，工艺设计其实关键就是选着合适的生产方法和确定工艺流程，因为生产同一种化工产品可以采用相同或者不同的原料，也可以采用相同或不同的生产路线及工艺流程，而这些都是决定设计质量的关键。选择的结果不仅关系到最后的产品质量也关系到整个工厂的投资额度，因此时需要考虑先进性，合理性和可靠性，并进行全面对比。当选择了合适的工艺设计后，还需对选择的工艺设计进行仿真，得出相关的不同工况下的工艺参数，以确定我们需要选择的设备，工艺计算等，如物料衡算，热量衡算，设备计算等。因此，我们可以确定生产流程中全部过程的具体内容，顺序和组合方式，实现从原料处理最后得到所需产品的目的，并确定相关过程或工序的组成及确定工艺操作条件及控制方案选择等。

接下来需要设计人员设计并绘制相应的方框流程图及工艺物料流程图，方框流程图俗称为工艺流程示意图，它主要是为了简要的通过方框图去反映设计思想，明确主要加工过程，通过工艺单元、材料输入箭头和材料输出箭头、边界流和边界流标志来描述一般的过程。虽然一般在不列入设计文件，但是它却是做决策的一个重要依据。如图 1显示的就是一个典型的乙二醇生产的方框流程图示意。

图1 方框流程图

接下来我们需要设计并绘制工艺物料流程图PFD，一般来说，工艺物料流程图都是在物料衡算和热量衡算完成后绘制，并以图形和表格相结合的形式来反映物料衡算和热量衡算的结果，它可以说是初步设计阶段的设计成品，也是最基础，最本质和最重要的图纸。当然，我们需要在刚才框图的基础上去描述相关的设备，例如我们以方框图中的反应釜Reaction 02为例，需要在PFD工艺物料流程图放置之前设计好的设备，并体现不同工况下各物料的组分、流量以及设备特性数据等。更具体些甚至需要绘制带有控制点的工艺流程图，此时应画出所有工艺设备、工艺物料管线，辅助物料管线、主要泵设备、主要阀门设备等，以及具体工艺参数（温度，压力、液位、流量、浓度、密度、物料组成等）的测量点。下图2中的工艺物料流程图体现了泵，阀，换热器等设备并以表格形式体现了相关物料的组分及设计工况下的温度，压力等数值。但是这些数据是来自于之前的工艺设计阶段，如果没有一个很好的交付方式，那么在此就需要根据前端工艺设计人员交付的材料来手动在这里录入。需要花费大量的人力，还需考虑纠错成本。例如如此时发现某个泵或者换热器选型或参数有误，那么还需反馈给前端工艺设计端进行重新设计计算，并进行多次沟通。

图2 工艺物料流程图PFD

当我们完成了相应的工艺物料流程图，接下来需要绘制的就是工艺管道及仪表流程图P&ID (Piping & Instrument Diagram)，这个可以说是整个工程中承上启下最重要的基础图纸。是以前面所绘制的工艺物料流程图（带或不带控制点）PFD为依据，内容更加详细, 它需要在管线和设备加注设备特性数据及参数，形成可以用于施工的基础图纸。因此一般我们也称为施工流程图。它需要通过工艺人员和仪表自控人员合作进行设计及绘制，因为其中会涉及到来自上游的设备参数，管道参数，相关仪表参数等，而仪表自控专业需要这些参数辅助后边的仪表电气设计。把这些结合起来用统一规定的图形符号及文字代号，把我们建立化工厂所需要的所有设备、仪表、管道等按其功能以满足工艺等要求组合起来，用来描述工艺装置结构和功能，甚至也是描述整个生产过程物料生产及流向的呈现图。它不仅是施工设计阶段主要成品之一，用做施工图使用，甚至也是自控设计最后将其HMI化，呈现给操作及维护人员日常使用的重要原型图。如下图3中，我们可以看到对比图2来看，在PFD中的一个泵组P001，在P&ID图中将被详细展开描述出整个泵组的泵阀具体组合，让所有工程人员可以清楚的看到具体的设备，仪表、管道，物料流向等。如图4我们详细展开一个反应釜，可以很清晰看到其中具体的测量仪表及控制设备，甚至控制方案。例如LIC 201, 指的就是反应釜内液位需要指示及控制。这个测量点不仅需要液位计去测量并显示，还需要进行控制用以调节液位高度，以满足工艺要求。而通过P&ID图可以看出液位的高度由反应釜出口处的控制阀V204进行调节。这正是自动化编程人员需要去进行编程的基础，由此可见，P&ID图对后续的自动化程序设计也是极其关键的。

图3 工艺管道及仪表流程图P&ID

图4 2号反应釜Reaction02的P&ID图

基本完成P&ID设计后，接下来需要考虑仪表电气E&IC专业设计了，一般来说，这一块对自动化工程师是非常重要的一部分内容。我们先来大致看看这里都有哪些内容需要设计。

和仪表专业相关的有：仪表索引表，仪表设计说明，DCS规格书，SIS规格书，PLC规格书，仪表测量连接图，安全仪表系统逻辑图，仪表回路图，顺序控制逻辑框图，报警和连锁设定值一览表，仪表接地系统图，仪表盘柜布置图及接线图，端子（安全栅）柜布置图及接线图等等。

和电气专业相关的有：高（中）压系统图和电路图，直流供电系统图，低压系统图和电路图，低压抽屉柜排列布置图，自动化系统网络拓扑及配置图，控制柜端子接线图，电气设备材料表，电缆表等等。

以上只是列出了部分在仪表电气专业设计时需要提供的图纸，我想我们已经看到了很多大家熟悉的工作内容，也有一些疑问，这其中有部分图纸不是我们自动化工程师去完成设计并实施的么。没错，按照正常设计要求，这部分应该是设计院完成，但是在国内，很大一部分内容是由自动化工程师来完成的。我们以国内石化设计为例，例如仪表盘柜布置图和接线图，端子（安全栅）柜布置图和接线图，在《石油化工装置详细工程设计内容规定SHSG-053-2011》里就明确指出由“由系统制造商供货时，应由其按设计要求提供”。而实际上，包括DCS规格书，PLC规格书，IO索引表，端子接线图等大多可能都会由系统集成商提供，而设计人员就是我们的自动化工程师。

因此，对于自动化工程师来说，需要去根据之前的P&ID设计图纸，和相应的仪表电气设计图纸，找出与自动化控制设计相关内容，进行自动化相关设计，也就是我们俗称的“扒图”，现在回想起来，还记得当时做项目时最常干的工作也是最花时间的就是拿着厚厚的设计院晒出来的蓝图，把相关的仪表回路，电气回路摘取出来形成点号表。当然，我们还需要找出更多信息，例如我们需要找出工厂具体分为多少个区域，多少个装置，多少仪表回路，这些仪表回路有多少个温度，压力流量等测量点，里面有多少个是需要进行PID调节的回路，有多少个开关阀，调节阀，有多少个泵，而从中去捋出多少个IO点，多少总线设备，各是什么类型，是否有特殊处理的信号，比如测温是热电偶还是热电阻，系统设计中电缆是如何敷设的，自动化是否需要额外走现场总线或是光缆，现场需要部署多少远程IO，中控室需要部署多少计算机，显示器等等诸多信息。然后使用自己熟悉的软件如CAD或是其他画图软件形成相关的自动化电源柜，控制柜设计图，需要选合适的空开来满足供电要求，选合适的模块来满足测量和控制的需求等。

可以看到，自动化工程师大多的设计都是基于之前P&ID及E&IC设计结果，如果没有一个非常高效准确的数据传递方式，那么可能需要花费大量时间人工从之前的图纸中找到相关的信息，并来回进行确认，导致大量的重新设计工作。

当仪表自动化设计完成后，我们需要进行硬件组态，编程调试，打点测试，现场单点调试，联调，试生产，运营维护等等相关我们最熟悉的工作。但是假设我们在调试时候发现现场有个参数出现问题，那么这时候就会出现很复杂的一个协调流程。举个真实例子，原来我在做一个钢铁厂项目时，有一个液压站控制，实际在调试时发现，需要的是带有反馈的PID闭环调节才能满足工艺需求，但是设计的是开环控制，调试时无法满足现场实际工艺需求，此时我是作为一个现场调试的自动化工程师，属于施工单位，此时需要考虑这个需求是由我提出还是由建设单位提出，因为这个变更需求不是由设计院主动发出的变更，虽然这个建设单位和我们同属一个母公司，但是这是两种不同的流程，都比较复杂，但是大体相同。两种流程都需要提出变更需求到总监理工程师进行审计，审计可行后反馈给建设单位工程师出再次审核，然后报项目经理同意再通知设计院，设计院组织相关专业工程师进行核对，确认可行后再进行变更，出变更图纸和变更说明后盖章，由建设单位发监理公司，监理公司再发施工单位和造价方。然后拿着盖章的图纸，去进行重新管道开口，加装仪表，敷设通信电缆等操作，最后再修改自动化IO模块设计，IO端子接线表，程序控制回路逻辑等。可以看到，在这里流程非常复杂，并且其中需要设计人员通过和建设单位工艺人员沟通，设计人员需要把相应的E&IC设计图纸，P&ID设计图纸都找出来，进行对比看看是哪个环节出了问题，这个例子中最后发现，在P&ID最初设计选型时候，就没有设计为闭环。因此此时需要做设计变更，设计变更会涉及到P&ID图纸的变更，测量仪表选型，现场电缆敷设，仪表测量逻辑图，仪表索引表，控制柜IO列表，端子接线图等等一系列改变。而这些所有的变更，都需要人为查看比较不同图纸去确定，然后找到设计原图进行修改。而变更确认的盖章图纸出来前，作为现场建设和施工单位是不能做任何动作的，所以可以看到，因为这种问题产生的纠错成本非常高昂，不仅会大大拖后工程进度，也会暴露出整个工程中多专业，多人员，多工具，多数据源，数据交互，沟通协调工作方面的种种问题。

上面我们重新温习了一遍传统工厂建设过程中一个比较简化的流程，其中我们只涉及到了工程建设中比较局限的一部分，但是可以看出即使我们只描绘了一个简单的流程，也暴露出很多问题。在工厂建设中，各专业数据是有很强的关联性，假如前端设计没有完成，后端设计是很难展开的，而由于各专业使用的工具和软件不同，导致在数据传递时，大多都是人为根据打印出来的图纸进行比对。效率非常低下，但却是我们一直在进行的方式，如果我们不能很好解决这些问题，如何提高工程效率，又怎么来实现数字化转型?