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1.1 罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)背景
1.1.1 罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)內(nèi)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(duì)原油、半成品油及成品油進(jìn)行運(yùn)輸和存儲(chǔ)，為此企業(yè)均建有大量的各種儲(chǔ)罐。由于在油品的運(yùn)輸及存儲(chǔ)過(guò)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(mén)每天都需要掌握罐內(nèi)存儲(chǔ)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(chǔ)罐的安全，防止意外事故的發(fā)生。罐區(qū)儲(chǔ)罐參數(shù)的精確檢測(cè)、工藝流程的有效管理，對(duì)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(guó)具體的國(guó)情，長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)罐區(qū)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(jiān)控系統(tǒng)”。最初只是靠有經(jīng)驗(yàn)的工人利用油尺通過(guò)對(duì)各油罐的液位高度進(jìn)行測(cè)量（即通常所講的“人工檢尺”）的方法來(lái)對(duì)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(duì)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(duì)儲(chǔ)罐參數(shù)測(cè)量的精度以及保護(hù)工人的身體健康，減輕工人的勞動(dòng)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(dòng)測(cè)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(chǎng)的一次儀表采集各油罐的液位參數(shù)并通過(guò)統(tǒng)一的模擬信號(hào)如4-20mA的直流電流信號(hào)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)二次儀表縱觀各油罐的狀況了。但通過(guò)這些二次儀表僅僅能夠?qū)?chǔ)罐參數(shù)進(jìn)行“監(jiān)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。
隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，罐區(qū)的規(guī)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(jì)劃和常年積累下來(lái)的經(jīng)驗(yàn)對(duì)罐區(qū)進(jìn)行監(jiān)視與控制的管理方式越來(lái)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(dòng)化水平的不斷提高對(duì)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(duì)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(lái)越普及?？删幊炭刂破鳎≒LC）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(lái)人們開(kāi)始嘗試使用計(jì)算機(jī)構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)對(duì)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(lèi)似于煉油裝置，罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的儀表將溫度、液位等參數(shù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的模擬信號(hào)然后點(diǎn)對(duì)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(duì)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(lái)了很大的不便。并且信號(hào)長(zhǎng)距離的傳輸使信號(hào)的精度大大降低。
有關(guān)資料顯示，在發(fā)達(dá)國(guó)家中罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)已普遍使用了DCS。近年來(lái)，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(chǔ)罐的數(shù)量，為了將這些儲(chǔ)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(wèn)題也越來(lái)越突出。為了解決這些問(wèn)題，國(guó)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(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用到罐區(qū)的管理中來(lái)。
但是，目前在石化、化工等領(lǐng)域中，現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)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(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(huì)遇到有別于其它環(huán)境的問(wèn)題。在這一領(lǐng)域中對(duì)基于現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程的絕對(duì)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(duì)應(yīng)“連續(xù)過(guò)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(chǎng)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(chǎng)總線在這一領(lǐng)域的應(yīng)用來(lái)看，其遇到了如下幾個(gè)問(wèn)題： （1）、危險(xiǎn)區(qū)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(xiàn)場(chǎng)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(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)總線分支上允許連接的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線方便接線、節(jié)省電纜的優(yōu)勢(shì)就大打折扣。
（2）、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可選余地小。
由于要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備必須為本安且只有通過(guò)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(chǎng)設(shè)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(yùn)轉(zhuǎn)的要求，如果采用現(xiàn)場(chǎng)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(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(tǒng)。但是這種點(diǎn)對(duì)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(chǎng)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(chǎng)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)為冗余的結(jié)構(gòu)，但目前無(wú)論是FF（基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)題。

圖1-1 危險(xiǎn)區(qū)中的典型總線結(jié)構(gòu)
（4）、循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，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(gè)較大的系統(tǒng)，總線對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)循環(huán)一周所需的時(shí)間就會(huì)比較長(zhǎng)，因此系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性相對(duì)較差。
（5）、不是所有的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都可以在線插拔。
目前面臨的這些問(wèn)題，給現(xiàn)場(chǎng)總線在罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用帶來(lái)了很大的障礙。如何解決這些問(wèn)題，成為目前國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。
1.1.2 新型遠(yuǎn)程I/O的出現(xiàn)
從上個(gè)世紀(jì)七八十年代開(kāi)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(wú)形中使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變的復(fù)雜且增加了施工的難度。從上個(gè)世紀(jì)九十年代中期開(kāi)始，世界上各大防爆專(zhuān)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(chǎn)品，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。一些具備防爆功能的遠(yuǎn)程I/O產(chǎn)品相繼問(wèn)世。為了與盡量多的控制系統(tǒng)相匹配，這些廠家制造的產(chǎn)品都采用了流行的現(xiàn)場(chǎng)總線作為與控制器通訊的介質(zhì)。并且為了能在危險(xiǎn)區(qū)中發(fā)揮遠(yuǎn)程I/O的優(yōu)勢(shì)，新型的遠(yuǎn)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(xiǎn)區(qū)中。圖1-2所示為一種典型的遠(yuǎn)程I/O產(chǎn)品。

圖1-2 典型遠(yuǎn)程I/O結(jié)構(gòu)圖
從圖1-2可以看出，該遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)由母板、電源模塊、支持不同總線協(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(hào)的I/O模塊所組成。系統(tǒng)的工作原理為：現(xiàn)場(chǎng)的各類(lèi)儀表通過(guò)電線電纜與遠(yuǎn)程I/O的I/O接口點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地連接，信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)后即被I/O模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部總線（位于母板內(nèi)部）傳送到網(wǎng)關(guān)，然后由網(wǎng)關(guān)經(jīng)母板上的總線接口將信號(hào)傳送到上一層的現(xiàn)場(chǎng)總線上去，最后經(jīng)總線到達(dá)控制系統(tǒng)（DCS/PLC）。而由控制系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)則經(jīng)過(guò)相反的路徑進(jìn)行傳輸。整個(gè)遠(yuǎn)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(jīng)增安型的接線端子供給。
該遠(yuǎn)程I/O具有如下的幾個(gè)突出的特點(diǎn)：（1）可以直接應(yīng)用于危險(xiǎn)1區(qū)，從而可節(jié)省大量的線纜；（2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通信，系統(tǒng)易于擴(kuò)展。而且電源、網(wǎng)關(guān)、內(nèi)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(hù)；（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(tǒng)的初期投資大大降低；（5）強(qiáng)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(jìn)性；（6）可連接傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備且無(wú)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(diǎn)，為對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的改造和擴(kuò)展鋪平了道路。
從上面的特點(diǎn)可以看出，應(yīng)用該遠(yuǎn)程I/O構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)，既發(fā)揮了現(xiàn)場(chǎng)總線的諸多優(yōu)點(diǎn)，又克服了現(xiàn)場(chǎng)總線在危險(xiǎn)區(qū)應(yīng)用時(shí)所面臨的問(wèn)題。
1.2開(kāi)發(fā)新型罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的意義
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)于石油制品的需求量也在大幅度地增長(zhǎng)。因此，為了快速提高煉油能力，更好地滿足這些要求，我國(guó)近些年來(lái)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(chǎn)的高效與安全，煉油企業(yè)對(duì)各煉油裝置以及罐區(qū)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(duì)于國(guó)內(nèi)各大煉油廠的調(diào)查顯示，各罐區(qū)的自動(dòng)化管理水平普遍很低，而且長(zhǎng)期以來(lái)普遍存在著重視煉油裝置控制自動(dòng)化水平的不斷提高而輕視對(duì)罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)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