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，為了配合生產流程，要對原油、半成品油及成品油進行運輸和存儲，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“危險區(qū)”。
企業(yè)的生產及管理部門每天都需要掌握罐內存儲介質的液位、溫度、體積和質量等重要數(shù)據，既要保證數(shù)據的準確和及時，又要確保儲罐的安全，防止意外事故的發(fā)生。罐區(qū)儲罐參數(shù)的精確檢測、工藝流程的有效管理，對于相關生產裝置的安全和平穩(wěn)運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)”。最初只是靠有經驗的工人利用油尺通過對各油罐的液位高度進行測量（即通常所講的“人工檢尺”）的方法來對油罐進行監(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工人的身體健康，減輕工人的勞動強度，到了90年代初，各油罐上基本都裝備了能夠對液位進行自動測量的儀表。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。但通過這些二次儀表僅僅能夠對儲罐參數(shù)進行“監(jiān)視”而無法實施控制，因此具體的控制工作仍需人工進行。
隨著生產規(guī)模的不斷擴大，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部門所制訂的生產計劃和常年積累下來的經驗對罐區(qū)進行監(jiān)視與控制的管理方式越來越顯示出其在實時性、準確性、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，因此管理人員的責任和壓力也不斷增加，這對生產的安全是很不利的。
隨著計算機技術的不斷發(fā)展，可靠性的不斷提高，以及價格的大幅度降低，計算機在工業(yè)中的應用越來越普及。可編程控制器（PLC）以及由多個計算機遞階構成的集中與分散相結合的集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）被廣泛地應用到各行各業(yè)。因此，近年來人們開始嘗試使用計算機構成監(jiān)控系統(tǒng)來對罐區(qū)進行綜合的管理。
由于DCS在煉油廠各裝置中的廣泛應用，廣大工程技術人員具備了較豐富的經驗，因此在構造罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的時候紛紛參照各裝置中DCS的做法。在硬件結構方面，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)轉換成統(tǒng)一的模擬信號然后點對點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是地理分布很廣泛，控制分散，因此系統(tǒng)結構采用與煉油裝置相同的點對點連接方式時，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)眾多的連接點及故障診斷的困難，也給日后系統(tǒng)的檢修及維護帶來了很大的不便。并且信號長距離的傳輸使信號的精度大大降低。
有關資料顯示，在發(fā)達國家中罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)已普遍使用了DCS。近年來，隨著煉油企業(yè)生產規(guī)模的不斷擴大，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中進行統(tǒng)一管理，需要重新進行布線。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者正在試圖將近年來發(fā)展很快的現(xiàn)場總線技術應用到罐區(qū)的管理中來。
但是，目前在石化、化工等領域中，現(xiàn)場總線應用的實例還不多見。這與化學工業(yè)生產過程復雜多變，并且生產環(huán)境帶有潛在爆炸危險等特殊之處有很大的關系。因為在具有潛在爆炸危險的環(huán)境中應用肯定會遇到有別于其它環(huán)境的問題。在這一領域中對基于現(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措施，以保證在爆炸危險環(huán)境中生產過程的絕對安全。
2）、要有很高的可靠性，以保證數(shù)據在任何狀況下的可靠傳輸。也就是
要做到“線路冗余”。
3）、對應“連續(xù)過程”這一特點，控制系統(tǒng)要有處理模擬數(shù)據的能力。
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)場總線在這一領域的應用來看，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備的初衷。例如，F(xiàn)F每一個分支上允許連接的設備一般為 4到5個，而PROFIBUS-PA每一個分支上允許連接的設備一般為 8個左右。因為總線的H1網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)場設備可選余地小。
由于要求現(xiàn)場設備必須為本安且只有通過標準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(tǒng)。
出于系統(tǒng)連續(xù)運轉的要求，如果采用現(xiàn)場總線，那么，系統(tǒng)的連續(xù)運轉能力至少不能夠比采用傳統(tǒng)的控制結構低。傳統(tǒng)的控制結構中，某一點的故障只會影響這一個或幾個相關點的工作，不至于影響到整個的控制系統(tǒng)。但是這種點對點的連接（一根導線上只連接兩個點）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備的概念是相互矛盾的。為了提高系統(tǒng)的連續(xù)運轉能力，就要考慮將現(xiàn)場總線系統(tǒng)設計為冗余的結構，但目前無論是FF（基金會現(xiàn)場總線）還是Profibus-PA總線的H1網段均不支持冗余，應該講這是一個很大的問題。
（4）、循環(huán)時間長，反應速度慢。
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所示的結構使得若組成一個較大的系統(tǒng)，總線對每個節(jié)點循環(huán)一周所需的時間就會比較長，因此系統(tǒng)的實時性相對較差。
（5）、不是所有的現(xiàn)場設備都可以在線插拔。
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)中的應用帶來了很大的障礙。如何解決這些問題，成為目前國內外工程技術人員研究的一個熱點問題。
1.1.2 新型遠程I/O的出現(xiàn)
從上個世紀七八十年代開始，普遍采用安全柵使控制系統(tǒng)滿足防爆要求，這種方法一直沿用至今。但使用安全柵，無形中使控制系統(tǒng)的結構變的復雜且增加了施工的難度。從上個世紀九十年代中期開始，世界上各大防爆專業(yè)廠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品，從而簡化系統(tǒng)的結構。一些具備防爆功能的遠程I/O產品相繼問世。為了與盡量多的控制系統(tǒng)相匹配，這些廠家制造的產品都采用了流行的現(xiàn)場總線作為與控制器通訊的介質。并且為了能在危險區(qū)中發(fā)揮遠程I/O的優(yōu)勢，新型的遠程I/O產品通過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(qū)中。圖所示為一種典型的遠程
典型遠程I/O結構圖
從圖可以看出，該遠程I/O系統(tǒng)由母板、電源模塊、支持不同總線協(xié)議的網關模塊、各種處理開關量輸入和輸出、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(tǒng)的工作原理為：現(xiàn)場的各類儀表通過電線電纜與遠程I/O的I/O接口點對點地連接，信號進入系統(tǒng)后即被I/O模塊轉換為數(shù)字信號，再經過系統(tǒng)內部總線（位于母板內部）傳送到網關，然后由網關經母板上的總線接口將信號傳送到上一層的現(xiàn)場總線上去，最后經總線到達控制系統(tǒng)（DCS/PLC）。而由控制系統(tǒng)發(fā)出的信號則經過相反的路徑進行傳輸。整個遠程I/O的供電由系統(tǒng)母板上連接的電源模塊提供，電源模塊的電源由外部的24V直流電經增安型的接線端子供給。
該遠程I/O具有如下的幾個突出的特點：（1）可以直接應用于危險1區(qū)，從而可節(jié)省大量的線纜；（2）通過現(xiàn)場總線進行通信，系統(tǒng)易于擴展。而且電源、網關、內部/外部總線均為冗余，確保了系統(tǒng)的高度安全；（3）所有模塊均可在線插拔，極大地方便了系統(tǒng)的施工及維護；（4）無需安全柵和DCS/PLC的I/O模塊并可省去大量的電纜及附件，使系統(tǒng)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(shù)字化通訊，大大地提升了系統(tǒng)的先進性；（6）可連接傳統(tǒng)的現(xiàn)場設備且無需改變傳統(tǒng)的安裝連接方式以及支持HART協(xié)議的傳輸?shù)鹊忍攸c，為對現(xiàn)有系統(tǒng)的改造和擴展鋪平了道路。
從上面的特點可以看出，應用該遠程I/O構成系統(tǒng)時，既發(fā)揮了現(xiàn)場總線的諸多優(yōu)點，又克服了現(xiàn)場總線在危險區(qū)應用時所面臨的問題。
1.2開發(fā)新型罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的意義
隨著我國經濟的不斷發(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。因此，為了快速提高煉油能力，更好地滿足這些要求，我國近些年來在各地建立起了為數(shù)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。為了生產的高效與安全，煉油企業(yè)對各煉油裝置以及罐區(qū)等公用工程的自動化管理水平提出了更高的要求。但是，對于國內各大煉油廠的調查顯示，各罐區(qū)的自動化管理水平普遍很低，而且長期以來普遍存在著重視煉油裝置控制自動化水平的不斷提高而輕視對罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)自動化水平提高的情況，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，特別是近一、二年以來各裝置的“DCS”化改造已基本完成的情況下，對于提高各罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的自動化水平的呼聲和要求也越來越高。為此，國內主要從事煉油生產的“中石化”和“中石油”兩大公司準備拿出大量的專項資金來對各煉油廠的罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)進行改造和升級。而采用DCS作為罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)存在上面提到的諸多的問題，國外應用現(xiàn)場總線來解決這些問題時又遇到了諸多的困難。因此，如何設計出一套適合于罐區(qū)的、先進的、高效的、功能齊全的、經濟性好的監(jiān)控系統(tǒng)是目前國內外工程技術人員們急需解決的一個問題。
該問題的圓滿解決必將對于提高罐區(qū)的自動化管理水平進而提高整個工廠的管理水平，降低工人的勞動強度，改善工人的工作條件，避免事故的發(fā)生，減少系統(tǒng)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。
1.3新型罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢
新型罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)具有如下的優(yōu)勢：
1、 分層控制及多重冗余技術的應用，系統(tǒng)更加高效、安全。
2、 系統(tǒng)軟硬件均采用當今先進的主流產品，用戶無今后改造升級及二次開發(fā)的后顧之憂。
3、 人機界面友好，操作簡單而直觀。
4、 現(xiàn)場總線技術、遠程I/O技術、安全柵技術的完美應用，使系統(tǒng)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(qū)，從而節(jié)省大量線纜及端子、槽盒、橋架等相關的材料。
6、 大量硬件材料的節(jié)省，使施工變得非常簡單，從而節(jié)省大量的人工費用。
7、 接線點數(shù)的減少，勢必使故障點數(shù)大為減少，從而使系統(tǒng)的維護費用顯著減少。
8、 多種診斷與自診斷功能，使系統(tǒng)的故障診斷及定位十分快捷。
9、 I/O層及現(xiàn)場層支持“在線插拔”，系統(tǒng)檢修及更換缺損部件時無需停機，極大地提高了系統(tǒng)連續(xù)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(tǒng)的管理工作更加科學、有效
