基于現(xiàn)場總線的煉油企業(yè)罐區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)背景
　　1.1.1 罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題
　　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(yùn)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(yùn)輸及存儲過程中油氣的揮發(fā)是不可避免的，因此，罐區(qū)是比較典型的“危險(xiǎn)區(qū)”。
　　企業(yè)的生產(chǎn)及管理部門每天都需要掌握罐內(nèi)存儲介質(zhì)的液位、溫度、體積和質(zhì)量等重要數(shù)據(jù)，既要保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(qū)儲罐參數(shù)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(wěn)運(yùn)行具有十分重要的意義。
　　由于我國具體的國情，長期以來對罐區(qū)的管理主要是靠人工進(jìn)行，并沒有形成真正意義上的“監(jiān)控系統(tǒng)”。最初只是靠有經(jīng)驗(yàn)的工人利用油尺通過對各油罐的液位高度進(jìn)行測量（即通常所講的“人工檢尺”）的方法來對油罐進(jìn)行監(jiān)視。該方法原始而又繁瑣，人為因素影響大，精度低。危險(xiǎn)區(qū)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(shù)測量的精度以及保護(hù)工人的身體健康，減輕工人的勞動強(qiáng)度，到了90年代初，各油罐上基本都裝備了能夠?qū)σ何贿M(jìn)行自動測量的儀表。該儀表一般由一次儀表和二次儀表兩部分組成。位于現(xiàn)場的一次儀表采集各油罐的液位參數(shù)并通過統(tǒng)一的模擬信號如4-20mA的直流電流信號或某種專用的通訊協(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二次儀表縱觀各油罐的狀況了。但通過這些二次儀表僅僅能夠?qū)迏?shù)進(jìn)行“監(jiān)視”而無法實(shí)施控制，因此具體的控制工作仍需人工進(jìn)行。
　　隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，罐區(qū)的規(guī)模也越來越大，油品的種類也不斷增加。管理人員按照由生產(chǎn)部門所制訂的生產(chǎn)計(jì)劃和常年積累下來的經(jīng)驗(yàn)對罐區(qū)進(jìn)行監(jiān)視與控制的管理方式越來越顯示出其在實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、合理性方面的不足。同時(shí)，由于煉油裝置的自動化水平的不斷提高對罐區(qū)的管理也提出了更高的要求，因此管理人員的責(zé)任和壓力也不斷增加，這對生產(chǎn)的安全是很不利的。
　　隨著計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用越來越普及。可編程控制器（PLC）以及由多個(gè)計(jì)算機(jī)遞階構(gòu)成的集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）被廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè)。因此，近年來人們開始嘗試使用計(jì)算機(jī)構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)來對罐區(qū)進(jìn)行綜合的管理。
　　由于DCS在煉油廠各裝置中的廣泛應(yīng)用，廣大工程技術(shù)人員具備了較豐富的經(jīng)驗(yàn)，因此在構(gòu)造罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的時(shí)候紛紛參照各裝置中DCS的做法。在硬件結(jié)構(gòu)方面，類似于煉油裝置，罐區(qū)現(xiàn)場的儀表將溫度、液位等參數(shù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)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(qū)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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端子及橋架等附件，系統(tǒng)施工時(shí)要耗費(fèi)大量的人力，且很難保證連接的可靠性。為數(shù)眾多的連接點(diǎn)及故障診斷的困難，也給日后系統(tǒng)的檢修及維護(hù)帶來了很大的不便。并且信號長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(dá)國家中罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)已普遍使用了DCS。近年來，隨著煉油企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各企業(yè)都不斷地增加了儲罐的數(shù)量，為了將這些儲罐納入到已有的DCS中進(jìn)行統(tǒng)一管理，需要重新進(jìn)行布線。罐區(qū)系統(tǒng)地理分布廣、范圍大所引發(fā)的問題也越來越突出。為了解決這些問題，國外的一些專家和學(xué)者正在試圖將近年來發(fā)展很快的現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用到罐區(qū)的管理中來。
　　但是，目前在石化、化工等領(lǐng)域中，現(xiàn)場總線應(yīng)用的實(shí)例還不多見。這與化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程復(fù)雜多變，并且生產(chǎn)環(huán)境帶有潛在爆炸危險(xiǎn)等特殊之處有很大的關(guān)系。因?yàn)樵诰哂袧撛诒ㄎｋU(xiǎn)的環(huán)境中應(yīng)用肯定會遇到有別于其它環(huán)境的問題。在這一領(lǐng)域中對基于現(xiàn)場總線的新型控制系統(tǒng)提出了如下四個(gè)最基本的要求：
　　1）、要有完備的防爆保護(hù)措施，以保證在爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中生產(chǎn)過程的絕對安全。
　　2）、要有很高的可靠性，以保證數(shù)據(jù)在任何狀況下的可靠傳輸。也就是
　　要做到“線路冗余”。
　　3）、對應(yīng)“連續(xù)過程”這一特點(diǎn)，控制系統(tǒng)要有處理模擬數(shù)據(jù)的能力。
　　并且還要滿足“在線參數(shù)化”的要求。
　　4）、所有現(xiàn)場設(shè)備可以在線插拔，而不影響系統(tǒng)的正常工作。
　　從目前現(xiàn)場總線在這一領(lǐng)域的應(yīng)用來看，其遇到了如下幾個(gè)問題： （1）、危險(xiǎn)區(qū)中的防爆問題。
　　如果采用隔爆或澆封的防爆形式，一方面為現(xiàn)場設(shè)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，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)總線分支上允許連接的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量非常有限，這就又有駁于單一總線分支上盡可能多地連接設(shè)備的初衷。例如，F(xiàn)F每一個(gè)分支上允許連接的設(shè)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(shè)備一般為 8個(gè)左右。圖1-1所示為危險(xiǎn)區(qū)中的典型總線結(jié)構(gòu)。因?yàn)榭偩€的H1網(wǎng)卡必須要放置在安全區(qū)，所以這樣做就要有大量的總線電纜位于安全區(qū)與危險(xiǎn)區(qū)之間，現(xiàn)場總線方便接線、節(jié)省電纜的優(yōu)勢就大打折扣。
　?。?）、現(xiàn)場設(shè)備可選余地小。
　　 由于要求現(xiàn)場設(shè)備必須為本安且只有通過標(biāo)準(zhǔn)的總線接口才可與總線相連，但是目前滿足這一要求的現(xiàn)場設(shè)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(tǒng)。
　　出于系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的要求，如果采用現(xiàn)場總線，那么，系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)能力至少不能夠比采用傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)低。傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)中，某一點(diǎn)的故障只會影響這一個(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(tǒng)。但是這種點(diǎn)對點(diǎn)的連接（一根導(dǎo)線上只連接兩個(gè)點(diǎn)）概念與現(xiàn)場總線的在一根總線電纜上盡可能多地串接設(shè)備的概念是相互矛盾的。為了提高系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)能力，就要考慮將現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)為冗余的結(jié)構(gòu)，但目前無論是FF（基金會現(xiàn)場總線）還是Profibus-PA總線的H1網(wǎng)段均不支持冗余，應(yīng)該講這是一個(gè)很大的問題。