1 罐區監控系統的開(kāi)發(fā)背景

　　1.1 罐區監控系統國內外的發(fā)展概況及存在的問(wèn)題

　　在煉油企業(yè)中，為了配合生產(chǎn)流程，要對原油、半成品油及成品油進(jìn)行運輸和存儲，為此企業(yè)均建有大量的各種儲罐。由于在油品的運輸及存儲過(guò)程中油氣的揮發(fā)是不可避免的，因此，罐區是比較典型的“危險區”。

　　企業(yè)的生產(chǎn)及管理部門(mén)每天都需要掌握罐內存儲介質(zhì)的液位、溫度、體積和質(zhì)量等重要數據，既要保證數據的準確和及時(shí)，又要確保儲罐的安全，防止意外事故的發(fā)生。罐區儲罐參數的精確檢測、工藝流程的有效管理，對于相關(guān)生產(chǎn)裝置的安全和平穩運行具有十分重要的意義。

　　由于我國具體的國情，長(cháng)期以來(lái)對罐區的管理主要是靠人工進(jìn)行，并沒(méi)有形成真正意義上的“監控系統”。最初只是靠有經(jīng)驗的工人利用油尺通過(guò)對各油罐的液位高度進(jìn)行測量（即通常所講的“人工檢尺”）的方法來(lái)對油罐進(jìn)行監視。該方法原始而又繁瑣，人為因素影響大，精度低。危險區中的有毒有害氣體對操作工的身體造成很大的危害，而且在氣候惡劣的條件下，操作工在油罐上爬上爬下很不安全。

　　為了提高對儲罐參數測量的精度以及保護工人的身體健康，減輕工人的勞動(dòng)強度，到了90年代初，各油罐上基本都裝備了能夠對液位進(jìn)行自動(dòng)測量的儀表。該儀表一般由一次儀表和二次儀表兩部分組成。位于現場(chǎng)的一次儀表采集各油罐的液位參數并通過(guò)統一的模擬信號如4-20mA的直流電流信號或某種專(zhuān)用的通訊協(xié)議送往集中控制室的二次儀表。此時(shí)操作人員就可以坐在控制室里通過(guò)二次儀表縱觀(guān)各油罐的狀況了。但通過(guò)這些二次儀表僅僅能夠對儲罐參數進(jìn)行“監視”而無(wú)法實(shí)施控制，因此具體的控制工作仍需人工進(jìn)行。

　　隨著(zhù)生產(chǎn)規模的不斷擴大，罐區的規模也越來(lái)越大，油品的種類(lèi)也不斷增加。管理人員按照由生產(chǎn)部門(mén)所制訂的生產(chǎn)計劃和常年積累下來(lái)的經(jīng)驗對罐區進(jìn)行監視與控制的管理方式越來(lái)越顯示出其在實(shí)時(shí)性、準確性、合理性方面的不足。同時(shí)，由于煉油裝置的自動(dòng)化水平的不斷提高對罐區的管理也提出了更高的要求，因此管理人員的責任和壓力也不斷增加，這對生產(chǎn)的安全是很不利的。

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，可靠性的不斷提高，以及價(jià)格的大幅度降低，計算機在工業(yè)中的應用越來(lái)越普及?？删幊炭刂破鳎≒LC）以及由多個(gè)計算機遞階構成的集中與分散相結合的集散控制系統DCS（Distributed Control System）被廣泛地應用到各行各業(yè)。因此，近年來(lái)人們開(kāi)始嘗試使用計算機構成監控系統來(lái)對罐區進(jìn)行綜合的管理。

　　由于DCS在煉油廠(chǎng)各裝置中的廣泛應用，廣大工程技術(shù)人員具備了較豐富的經(jīng)驗，因此在構造罐區監控系統的時(shí)候紛紛參照各裝置中DCS的做法。在硬件結構方面，類(lèi)似于煉油裝置，罐區現場(chǎng)的儀表將溫度、液位等參數轉換成統一的模擬信號然后點(diǎn)對點(diǎn)地送往控制室的操作控制部分。但是，由于罐區有別于一般煉油裝置的突出特點(diǎn)是地理分布很廣泛，控制分散，因此系統結構采用與煉油裝置相同的點(diǎn)對點(diǎn)連接方式時(shí)，就需要用到比一般裝置多很多的電纜和接線(xiàn)端子及橋架等附件，系統施工時(shí)要耗費大量的人力，且很難保證連接的可靠性。為數眾多的連接點(diǎn)及故障診斷的困難，也給日后系統的檢修及維護帶來(lái)了很大的不便。并且信號長(cháng)距離的傳輸使信號的精度大大降低。

　　有關(guān)資料顯示，在發(fā)達國家中罐區監控系統已普遍使用了DCS。近年來(lái)，隨著(zhù)煉油企業(yè)生產(chǎn)規模的不斷擴大，各企業(yè)都不斷地增加了儲罐的數量，為了將這些儲罐納入到已有的DCS中進(jìn)行統一管理，需要重新進(jìn)行布線(xiàn)。罐區系統地理分布廣、范圍大所引發(fā)的問(wèn)題也越來(lái)越突出。為了解決這些問(wèn)題，國外的一些專(zhuān)家和學(xué)者正在試圖將近年來(lái)發(fā)展很快的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用到罐區的管理中來(lái)。

　　但是，目前在石化、化工等領(lǐng)域中，現場(chǎng)總線(xiàn)應用的實(shí)例還不多見(jiàn)。這與化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程復雜多變，并且生產(chǎn)環(huán)境帶有潛在爆炸危險等特殊之處有很大的關(guān)系。因為在具有潛在爆炸危險的環(huán)境中應用肯定會(huì )遇到有別于其它環(huán)境的問(wèn)題。在這一領(lǐng)域中對基于現場(chǎng)總線(xiàn)的新型控制系統提出了如下四個(gè)最基本的要求：

　　1）、要有完備的防爆保護措施，以保證在爆炸危險環(huán)境中生產(chǎn)過(guò)程的絕對安全。

　　2）、要有很高的可靠性，以保證數據在任何狀況下的可靠傳輸。也就是

　　要做到“線(xiàn)路冗余”。

　　3）、對應“連續過(guò)程”這一特點(diǎn)，控制系統要有處理模擬數據的能力。

　　并且還要滿(mǎn)足“在線(xiàn)參數化”的要求。

　　4）、所有現場(chǎng)設備可以在線(xiàn)插拔，而不影響系統的正常工作。

　　從目前現場(chǎng)總線(xiàn)在這一領(lǐng)域的應用來(lái)看，其遇到了如下幾個(gè)問(wèn)題：

    （1）、危險區中的防爆問(wèn)題。

　　如果采用隔爆或澆封的防爆形式，一方面為現場(chǎng)設備配電十分困難；

　　另一方面檢修或更換缺損部件時(shí)需要先將電源斷開(kāi)，這樣做往往是不允許的。

　　目前普遍采用的防爆方法是本質(zhì)安全。但是，由于能量方面的限制就使得每個(gè)總線(xiàn)分支上允許連接的現場(chǎng)設備數量非常有限，這就又有駁于單一總線(xiàn)分支上盡可能多地連接設備的初衷。例如，FF每一個(gè)分支上允許連接的設備一般為 4到5個(gè)，而PROFIBUS-PA每一個(gè)分支上允許連接的設備一般為 8個(gè)左右。圖1所示為危險區中的典型總線(xiàn)結構。因為總線(xiàn)的H1網(wǎng)卡必須要放置在安全區，所以這樣做就要有大量的總線(xiàn)電纜位于安全區與危險區之間，現場(chǎng)總線(xiàn)方便接線(xiàn)、節省電纜的優(yōu)勢就大打折扣。

　　（2）、現場(chǎng)設備可選余地小。

　　 由于要求現場(chǎng)設備必須為本安且只有通過(guò)標準的總線(xiàn)接口才可與總線(xiàn)相連，但是目前滿(mǎn)足這一要求的現場(chǎng)設備的品種很少，因此可選擇的范圍很小。

　　（3）、難以建立起冗余系統。

　　出于系統連續運轉的要求，如果采用現場(chǎng)總線(xiàn)，那么，系統的連續運轉能力至少不能夠比采用傳統的控制結構低。傳統的控制結構中，某一點(diǎn)的故障只會(huì )影響這一個(gè)或幾個(gè)相關(guān)點(diǎn)的工作，不至于影響到整個(gè)的控制系統。但是這種點(diǎn)對點(diǎn)的連接（一根導線(xiàn)上只連接兩個(gè)點(diǎn)）概念與現場(chǎng)總線(xiàn)的在一根總線(xiàn)電纜上盡可能多地串接設備的概念是相互矛盾的。為了提高系統的連續運轉能力，就要考慮將現場(chǎng)總線(xiàn)系統設計為冗余的結構，但目前無(wú)論是FF（基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)）還是Profibus-PA總線(xiàn)的H1網(wǎng)段均不支持冗余，應該講這是一個(gè)很大的問(wèn)題。

圖1危險區中的典型總線(xiàn)結構

　　（4）、循環(huán)時(shí)間長(cháng)，反應速度慢。

　　在滿(mǎn)足本安的情況下，總線(xiàn)的最高傳輸速率為31.25KBaud，本身速度不快。再加上采用如圖1-1所示的結構使得若組成一個(gè)較大的系統，總線(xiàn)對每個(gè)節點(diǎn)循環(huán)一周所需的時(shí)間就會(huì )比較長(cháng)，因此系統的實(shí)時(shí)性相對較差。

　　（5）、不是所有的現場(chǎng)設備都可以在線(xiàn)插拔。

　　目前面臨的這些問(wèn)題，給現場(chǎng)總線(xiàn)在罐區監控系統中的應用帶來(lái)了很大的障礙。如何解決這些問(wèn)題，成為目前國內外工程技術(shù)人員研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。

　　1.2 新型遠程I/O的出現

　　從上個(gè)世紀七八十年代開(kāi)始，普遍采用安全柵使控制系統滿(mǎn)足防爆要求，這種方法一直沿用至今。但使用安全柵，無(wú)形中使控制系統的結構變的復雜且增加了施工的難度。從上個(gè)世紀九十年代中期開(kāi)始，世界上各大防爆專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)商紛紛研制將安全柵與控制器的I/O模塊集成在一起的產(chǎn)品，從而簡(jiǎn)化系統的結構。一些具備防爆功能的遠程I/O產(chǎn)品相繼問(wèn)世。為了與盡量多的控制系統相匹配，這些廠(chǎng)家制造的產(chǎn)品都采用了流行的現場(chǎng)總線(xiàn)作為與控制器通訊的介質(zhì)。并且為了能在危險區中發(fā)揮遠程I/O的優(yōu)勢，新型的遠程I/O產(chǎn)品通過(guò)采取一系列的防爆措施使得其自身可以直接安裝在危險區中。圖1-2所示為一種典型的遠程I/O產(chǎn)品。

圖2 典型遠程I/O結構圖

　　從圖2可以看出，該遠程I/O系統由母板、電源模塊、支持不同總線(xiàn)協(xié)議的網(wǎng)關(guān)模塊、各種處理開(kāi)關(guān)量輸入和輸出、模擬量輸入和輸出以及溫度輸入信號的I/O模塊所組成。系統的工作原理為：現場(chǎng)的各類(lèi)儀表通過(guò)電線(xiàn)電纜與遠程I/O的I/O接口點(diǎn)對點(diǎn)地連接，信號進(jìn)入系統后即被I/O模塊轉換為數字信號，再經(jīng)過(guò)系統內部總線(xiàn)（位于母板內部）傳送到網(wǎng)關(guān)，然后由網(wǎng)關(guān)經(jīng)母板上的總線(xiàn)接口將信號傳送到上一層的現場(chǎng)總線(xiàn)上去，最后經(jīng)總線(xiàn)到達控制系統（DCS/PLC）。而由控制系統發(fā)出的信號則經(jīng)過(guò)相反的路徑進(jìn)行傳輸。整個(gè)遠程I/O的供電由系統母板上連接的電源模塊提供，電源模塊的電源由外部的24V直流電經(jīng)增安型的接線(xiàn)端子供給。

　　該遠程I/O具有如下的幾個(gè)突出的特點(diǎn)：（1）可以直接應用于危險1區，從而可節省大量的線(xiàn)纜；（2）通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行通信，系統易于擴展。而且電源、網(wǎng)關(guān)、內部/外部總線(xiàn)均為冗余，確保了系統的高度安全；（3）所有模塊均可在線(xiàn)插拔，極大地方便了系統的施工及維護；（4）無(wú)需安全柵和DCS/PLC的I/O模塊并可省去大量的電纜及附件，使系統的初期投資大大降低；（5）強大的診斷與自診斷功能，高效的數字化通訊，大大地提升了系統的先進(jìn)性；（6）可連接傳統的現場(chǎng)設備且無(wú)需改變傳統的安裝連接方式以及支持HART協(xié)議的傳輸等等特點(diǎn)，為對現有系統的改造和擴展鋪平了道路。

　　從上面的特點(diǎn)可以看出，應用該遠程I/O構成系統時(shí)，既發(fā)揮了現場(chǎng)總線(xiàn)的諸多優(yōu)點(diǎn)，又克服了現場(chǎng)總線(xiàn)在危險區應用時(shí)所面臨的問(wèn)題。

　　2開(kāi)發(fā)新型罐區監控系統的意義

　　隨著(zhù)我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對于石油制品的需求量也在大幅度地增長(cháng)。因此，為了快速提高煉油能力，更好地滿(mǎn)足這些要求，我國近些年來(lái)在各地建立起了為數眾多的煉油企業(yè)，原有的煉油企業(yè)也在不斷提高其自身的煉油能力。為了生產(chǎn)的高效與安全，煉油企業(yè)對各煉油裝置以及罐區等公用工程的自動(dòng)化管理水平提出了更高的要求。但是，對于國內各大煉油廠(chǎng)的調查顯示，各罐區的自動(dòng)化管理水平普遍很低，而且長(cháng)期以來(lái)普遍存在著(zhù)重視煉油裝置控制自動(dòng)化水平的不斷提高而輕視對罐區監控系統自動(dòng)化水平提高的情況，油罐的“冒頂”及爆炸的事故率明顯高于各裝置的事故率。近年來(lái)，特別是近一、二年以來(lái)各裝置的“DCS”化改造已基本完成的情況下，對于提高各罐區監控系統的自動(dòng)化水平的呼聲和要求也越來(lái)越高。為此，國內主要從事煉油生產(chǎn)的“中石化”和“中石油”兩大公司準備拿出大量的專(zhuān)項資金來(lái)對各煉油廠(chǎng)的罐區監控系統進(jìn)行改造和升級。而采用DCS作為罐區監控系統存在上面提到的諸多的問(wèn)題，國外應用現場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)解決這些問(wèn)題時(shí)又遇到了諸多的困難。因此，如何設計出一套適合于罐區的、先進(jìn)的、高效的、功能齊全的、經(jīng)濟性好的監控系統是目前國內外工程技術(shù)人員們急需解決的一個(gè)問(wèn)題。

　　該問(wèn)題的圓滿(mǎn)解決必將對于提高罐區的自動(dòng)化管理水平進(jìn)而提高整個(gè)工廠(chǎng)的管理水平，降低工人的勞動(dòng)強度，改善工人的工作條件，避免事故的發(fā)生，減少系統改造的初期投資及今后的運行費用等等方面具有十分重要的意義。

　　3新型罐區監控系統的優(yōu)勢

　　新型罐區監控系統具有如下的優(yōu)勢：

　　1、 分層控制及多重冗余技術(shù)的應用，系統更加高效、安全。

　　2、 系統軟硬件均采用當今先進(jìn)的主流產(chǎn)品，用戶(hù)無(wú)今后改造升級及二次開(kāi)發(fā)的后顧之憂(yōu)。

　　3、 人機界面友好，操作簡(jiǎn)單而直觀(guān)。

　　4、 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、遠程I/O技術(shù)、安全柵技術(shù)的完美應用，使系統今后的擴展十分方便。

　　5、 I/O接口單元可直接放置在危險1區，從而節省大量線(xiàn)纜及端子、槽盒、橋架等相關(guān)的材料。

　　6、 大量硬件材料的節省，使施工變得非常簡(jiǎn)單，從而節省大量的人工費用。

　　7、 接線(xiàn)點(diǎn)數的減少，勢必使故障點(diǎn)數大為減少，從而使系統的維護費用顯著(zhù)減少。

　　8、 多種診斷與自診斷功能，使系統的故障診斷及定位十分快捷。

　　9、 I/O層及現場(chǎng)層支持“在線(xiàn)插拔”，系統檢修及更換缺損部件時(shí)無(wú)需停機，極大地提高了系統連續運轉的能力。

　　10、 多級安全管理措施，詳細的操作記錄功能，使系統的管理工作更加科學(xué)、有效。