从Honeywell和Yokogawa到国产控制器:工业自动化系统的进口替代

过去几年对俄罗斯工业自动化领域而言,堪称地壳运动般的巨变时期。数十年来在炼油和石化工厂被视为事实标准的西方供应商及其控制系统,已经退出了俄罗斯市场。留下的是成千上万的控制器、软件系统和数据交换协议,这些不仅需要维持运行状态,还要逐步替换为国产解决方案。然而,设备更换只是问题的一小部分。真正的难点在于将多年精细调校积累的算法逻辑从西方平台迁移到俄罗斯平台。在此过程中,既不能降低生产效率,理想情况下还要提升各项指标。

当前的局面颇为矛盾。一方面,我们拥有成熟的国产软件产品和控制器,能够满足大多数自动化需求。另一方面,却缺乏标准化的迁移方法、行业数据迁移标准,最重要的是,缺少在复杂连续生产中的实践经验。通过鄂木斯克炼油厂以及此前在SIBUR旗下托木斯克石化的实际工作案例,可以剖析这一过程如何进行、主要痛点在哪里,以及哪些解决方案证明了其有效性。

挑战的规模:我们失去了什么,又必须获得什么

俄罗斯油气和化工企业多年来使用西方设备,积累了海量的先进控制算法库。这包括数万个PID调节器设置、串级控制方案、预测模型和在线优化器。Honeywell、Yokogawa、Siemens、Emerson等系统已成为几代工程师的得力工具。他们对这些系统的界面、编程语言、数据存储方式和通信协议了如指掌。供应商突然退出俄罗斯市场,不仅意味着禁止供应新设备,还意味着技术支持和更新的中断,最关键的是,无法合法续订专有软件的许可证。

据行业专家估计,俄罗斯约70%的大型工业企业在不同程度上依赖西方自动化系统。在炼油和石化领域,这一比例更高。需要替换的不仅是控制器,还有SCADA系统、MES层级,最重要的是先进过程控制系统(СУУТП),其中包括APC和RTO。正是СУУТП带来了装置负荷2%至10%的经济效益,并能在最少人工干预下实现产品质量管理。

仅仅购买俄罗斯控制器并重写程序是远远不够的。西方系统经过数十年针对特定类型的塔器、反应器和加热炉的打磨。将算法迁移到新平台时,不可避免地会在计算精度、循环执行速度以及异常情况处理方面出现差异。因此,СУУТП的进口替代不是一场行政运动,而是一项极其复杂的工程任务,需要对新旧架构都有深刻理解。

实践中如何操作:托木斯克石化和鄂木斯克炼油厂的经验

关于进口替代的讨论很快就从泛泛而谈转向具体项目、具体装置和具体数据。这在笔者曾直接参与工作的两家企业中体现得最为明显:隶属于SIBUR的托木斯克石化,以及Gazprom neft旗下的鄂木斯克炼油厂。这两家企业都是各自领域数字化转型的领军者,但在解决进口替代任务时采取了不同的方法,尽管目标一致:用国产控制系统替代西方系统,同时保持甚至提升其效能。

托木斯克石油化工厂:全球首个聚乙烯生产RTO+APC项目

西布尔公司位于托木斯克的这家企业,堪称俄罗斯石化行业数字化转型的标杆。2024年,这里完成了几年前还被视为工程幻想的创举——全球首个在聚乙烯生产中部署实时在线优化系统并与先进过程控制集成的项目。

这是两项技术的结合。APC,即先进过程控制,能够稳定装置运行,将关键参数维持在设定的窄幅区间内。RTO,即实时优化器,在APC之上运行,根据原料、能源的当前成本以及产品质量目标指标,持续重新计算最优设定值。两者协同作用,使装置不仅运行稳定,而且在每个具体时刻都能实现经济效益最大化。

该项目在一套管式反应器聚乙烯生产装置上实施。成果超出预期。据行业门户网站Polymer Branch报道,得益于RTO+APC系统的部署,操作员对工艺流程的人工干预次数减少了五倍。这意味着操作员不再需要持续调整运行参数,而是转变为观察者角色,仅在非常规情况下才介入。装置产能提升了每天5吨,按年计算为公司额外创造1.56亿卢布收益。2025至2026年,利用RTO数学模型生成管理措施的潜在经济效益预计超过1亿卢布。

这个项目的重要性不仅体现在节约数字上。它证明了俄罗斯工程师不仅能够复制西方解决方案,还能创造出在某些方面超越国际同类产品的独特方案。更重要的是,在创建这套混合系统(结合了西方软件元素和自主算法开发成果)过程中积累的经验,为后续项目奠定了宝贵基础,包括聚丙烯生产自动化项目——本文作者在该项目中实施的控制器年经济效益达1800万卢布。

鄂木斯克炼油厂:高科技工厂的进口替代

俄罗斯天然气工业石油公司旗下的鄂木斯克炼油厂则是完全不同的故事。如果说托木斯克石油化工厂的重点是在现有自动化系统之上创建独特的上层架构,那么这里的任务则更为根本。鄂木斯克炼油厂目前是俄罗斯技术最先进、最复杂的炼油厂之一。其延续至2026年的现代化改造计划,目标是将加工深度提升至100%。这是一个雄心勃勃的目标,没有能够实时分析数千个参数并灵活管理生产的现代化控制系统,根本无法实现。

项目办公室在创建数字孪生和在线优化器方面的工作涵盖几个关键方向:开发和维护基于Yokogawa、Honeywell、Siemens和T Soft产品的СУУТП(生产运营管理系统)软件综合体;对自动化系统进行进口替代,将关键控制节点更换为国产替代品;以及配置АСУ ТП(工艺过程自动化控制系统)与СУУТП之间的集成逻辑,使来自不同制造商的各个系统能够像一个有机整体那样协同工作。

与此同时,俄罗斯天然气工业石油公司(Gazprom neft)正在开发自己的数字孪生基础设施。2026年1月,该公司为工程数据管理系统SUPRID注册了专利。该系统可生成生产装置的电子模型,包含完整的工程技术文档和对象的3D模型。根据2026年初的数据,SUPRID已覆盖该公司的莫斯科炼油厂和鄂木斯克炼油厂。

到了2026年5月,下一步行动已经启动。鄂木斯克炼油厂开始创建企业数字孪生体,用于生产的动态优化。第一阶段计划覆盖五套炼油装置。为这些装置创建虚拟工程模型,展示影响产品数量和质量的所有设备运行情况。这是通往建立完整先进控制系统的直接路径,该系统不仅能模拟流程,还能实时找到最优运行模式。

鄂木斯克炼油厂今天所发生的,正是进口替代最复杂的体现。我们不是简单地用新控制器替换旧控制器。我们正在构建面向未来的控制系统,从一开始就以俄罗斯技术标准为导向,同时吸收数十年来在西方设备上积累的最佳实践。

从西方平台向俄罗斯平台迁移算法时的实际挑战

现在,有了两个大型项目的经验,可以谈谈最关键的问题了。那就是将算法从Honeywell、Yokogawa或Siemens系统迁移到国产控制器和软件平台时出现的实际工程问题。在文章和会议上,人们通常会谈论俄罗斯软件的高度成熟、百分之百的进口替代,以及一切运行得不比原来差甚至更好。但实践表明,从宣言到在运行装置上稳定运行的道路,充满了宣传手册中不会提及的细节问题。

最大的误解在于,认为只要将代码从一种语言重写为另一种语言,系统就能照常运行。实际上,不同平台处理浮点运算的方式不同,执行循环的周期不同,对传感器噪声信号的反应也不同。在西方系统中,这些特性经过数十年的调试,深深嵌入固件之中。迁移到新平台后,看似相同的控制程序会表现出不同的行为。控制器可能会错过短暂的压力峰值,或者相反,由于舍入误差累积而产生误报。

第一个挑战是计算环境的差异。APC和RTO系统大量使用精馏塔、反应器和加热炉的数学模型。这些模型涉及数千个变量,需要高精度计算。迁移到另一个平台时,即使微分方程求解算法存在微小差异,也可能导致虚拟质量分析仪出现零点几个百分点的误差。而对于聚合或深度炼油过程控制来说,这零点几个百分点就意味着产品缺陷或原料浪费。

第二个挑战是集成逻辑。在实际工厂中,先进控制系统不是孤立存在的。它与DCS、MES、LIMS、视频监控系统和电力计量系统交换数据。不同制造商的通信协议、数据格式、请求时序都有差异。当将其中一个环节替换为国产产品时,整个脆弱的架构可能会崩溃。标签无法读取,数据延迟到达,控制信号丢失。恢复集成往往需要手动操作,编写中间网关,调整轮询时间窗口。

第三个挑战是非常规情况下的系统行为。西方系统经过数十年积累了庞大的错误处理库。如果传感器读数超限或通信中断,控制器知道如何安全地切换到备用模式。而俄罗斯解决方案,尤其是新兴方案,并不具备这样的深度开发。工程师不得不自行编写所有故障转移逻辑,这使调试时间成倍增加。在这方面,经验起着关键作用。缺乏经验很容易犯错,而这些错误在实际运行中可能导致装置紧急停机。

应对之策:系统性解决方案而非点对点替换

从这些挑战中可以得出一个简单但并不总是令人愉快的结论。在过程控制系统和生产执行系统领域的进口替代不能采用"拔出来插进去"的原则。不能仅仅替换某个具体的控制器或SCADA系统,而是需要重新思考整个装置的控制架构,从长远来看还要考虑整个工厂。要依托俄罗斯平台,但同时保留数十年来运营西方设备所积累的最佳实践。

当前迫切需要制定标准化的迁移方法。针对每种类型的设备——精馏塔、反应器、加热炉、压缩机——都应该制定算法迁移的分步指南。其中应包括需要优先测试的关键节点清单,以及在相同输入数据下比较新旧系统行为的方法。这类方法可以由行业研究机构与领先企业共同制定。SIBUR和Gazprom neft已经积累了足够的经验,值得信赖。

第二个重要方向是开发调试工具。俄罗斯自动化软件开发商应该为工程师提供工具,用于逐字节比较算法在新旧平台上的运行情况。没有这些工具,调试过程就变成了大海捞针。西方系统拥有强大的模拟器和日志记录工具。我们的企业不仅需要追赶,还要创造能让工程师实时看到控制器内部运行状态的工具。

第三个方向是人才培养。目前市场上几乎没有同时深入了解西方系统和俄罗斯系统的专业人才。从零开始在一年内培养这样的人才是不可能的。需要开展密集的再培训项目,让在Honeywell或Yokogawa工作了数十年的资深工程师在几个月内掌握国产替代方案。在这方面,SIBUR和Gazprom neft的企业大学可以发挥关键作用。目前在Tomskneftekhim和ONPZ已经启动了此类项目,但规模需要成倍扩大。

自主研发和专利的作用

还需要特别指出,进口替代不仅仅是替换,更是创新。遗憾的是,行业内形成了一种思维定式:既然供应商退出了,我们就采用他们的开源产品,或者分叉旧版本。这种做法是死胡同。法律风险迟早会暴露,而且从技术角度看,复制品永远会落后于原版。

真正的技术主权,是从我们开始创造自己的算法开始的——这些算法不仅不逊色于西方,在某些方面甚至超越西方。"通用液压装置"发明专利的注册就是一个例证。当然,这个设备还达不到工业控制器的水平,但关键在于其原理:从实际问题出发走向专利,而不是坐等国外的现成解决方案。

在笔者亲身参与的项目中,多次遇到标准解决方案无法满足需求的情况。在托木斯克石油化工厂,为了生产高端聚乙烯产品,我们不得不自主开发SUUTP控制器,因为现有算法无法保证所需的产品纯度。这项开发每年带来1200万卢布的经济效益。而从零开始编写的聚丙烯聚合过程自动控制系统,则实现了每年1800万卢布的成本节约。这不是简单的进口替代,而是创造新事物——从定义上讲,这些新事物本就不可能是进口的。

鄂木斯克炼油厂(ONPZ)目前的情况也是如此。项目办公室正在创建的装置数字孪生系统,并非照搬西方同类产品,而是根据俄罗斯原料特性、气候条件和运营要求量身打造的工程设施。当这类项目在两三年后成为标准配置时,"是否属于进口替代"这个问题将自然消失。届时,俄罗斯工业将直接使用最佳可用技术,无论其来源如何。

当前最大的误区,就是将进口替代视为临时措施、被迫之举。事实并非如此。这是一次重新构建工业管理体系的机遇,让系统变得更灵活、更安全、更适应我们的实际情况。而且我们拥有实现这一目标的一切条件:创意、人才、工作意愿。现在只需停止回望过去,开始建设未来。

结语

通过实际案例对工业自动化控制系统(ACS TP)和过程控制系统(SUUTP)进口替代问题的初步探讨表明,这项任务虽然复杂,但完全可以实现。我们拥有已经完成从西方平台向俄罗斯平台迁移的领先企业,拥有不仅能够复制、更能创造新算法并申请发明专利的工程师,还拥有虽不完善但正在建立的规范体系和政府支持。

现阶段可以得出的主要结论是:进口替代不应沦为简单的"换标签"。这是一次转向新管理架构的机遇——将不同的系统(ACS TP、SUUTP、MES、LIMS、工业数据平台)基于俄罗斯软件整合为统一整体。这个机遇,我们绝不能错过。