基于現場(chǎng)總線(xiàn)的煉油企業(yè)罐區遠程監控系統

1.1 罐區監控系統的開(kāi)發(fā)背景
　　1.1.1 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1-1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。
　?。?）、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。
　?。?）、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。