基于現(xiàn)場總線的罐區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)
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1.1.1 罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)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)不可避免的，因此，罐區(qū)是比較典型的“危險區(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，又要確保儲罐的安全，防止意外事故的發(fā)生。罐區(qū)儲罐數(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，期以來對罐區(qū)的管理主要是靠工進(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)時性、準(zhǔn)確性、合理性方面的不足。同時，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?？删幊炭刂破鳎≒LC）以及由多個計(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，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等特殊之處有很大的關(guān)系。因?yàn)樵诰哂袧撛诒ㄎｋU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，其遇到了如下幾個問題： （1）、危險區(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每一個分支上允許連接的設(shè)備一般為 4到5個，而PROFIBUS-PA每一個分支上允許連接的設(shè)備一般為 8個左右。圖1-1所示為危險區(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或幾個相關(guān)點(diǎn)的工作，不至于影響到整個的控制系統(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)該講這是一個很大的問題。
?。?）、循環(huán)時間長，反應(yīng)速度慢。
在滿足本安的情況下，總線的最高傳輸速率為31.25KBaud，本身速度不快。再加上采用如圖1-1所示的結(jié)構(gòu)使得若組成一個較大的系統(tǒng)，總線對每個節(jié)點(diǎn)循環(huán)一周所需的時間就會比較長，因此系統(tǒng)的實(shí)時性相對較差。
?。?）、不是所有的現(xiàn)場設(shè)備都可以在線插拔。
目前面臨的這些問題，給現(xiàn)場總線在罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用帶來了很大的障礙。如何解決這些問題，成為目前國內(nèi)外工程技術(shù)人員研究的一個熱點(diǎn)問題。
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