炼油企业中基于现场总线的罐区远程监控系统
日期：2008-9-23 0:37:53 来源：中国自动化网
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1.1 罐区监控系统的开发背景
1.1.1 罐区监控系统国内外的发展概况及存在的问题
在炼油企业中，为了配合生产流程，要对原油、半成品油及成品油进行运输和存储，为此企业均建有大量的各种储罐。由于在油品的运输及存储过程中油气的挥发是不可避免的，因此，罐区是比较典型的“危险区”。
企业的生产及管理部门每天都需要掌握罐内存储介质的液位、温度、体积和质量等重要数据，既要保证数据的准确和及时，又要确保储罐的安全，防止意外事故的发生。罐区储罐参数的精确检测、工艺流程的有效管理，对于相关生产装置的安全和平稳运行具有十分重要的意义。
由于我国具体的国情，长期以来对罐区的管理主要是靠人工进行，并没有形成真正意义上的“监控系统”。最初只是靠有经验的工人利用油尺通过对各油罐的液位高度进行测量（即通常所讲的“人工检尺”）的方法来对油罐进行监视。该方法原始而又繁琐，人为因素影响大，精度低。危险区中的有毒有害气体对操作工的身体造成很大的危害，而且在气候恶劣的条件下，操作工在油罐上爬上爬下很不安全。
为了提高对储罐参数测量的精度以及保护工人的身体健康，减轻工人的劳动强度，到了90年代初，各油罐上基本都装备了能够对液位进行自动测量的仪表。该仪表一般由一次仪表和二次仪表两部分组成。位于现场的一次仪表采集各油罐的液位参数并通过统一的模拟信号如4-20mA的直流电流信号或某种专用的通讯协议送往集中控制室的二次仪表。此时操作人员就可以坐在控制室里通过二次仪表纵观各油罐的状况了。但通过这些二次仪表仅仅能够对储罐参数进行“监视”而无法实施控制，因此具体的控制工作仍需人工进行。
随着生产规模的不断扩大，罐区的规模也越来越大，油品的种类也不断增加。管理人员按照由生产部门所制订的生产计划和常年积累下来的经验对罐区进行监视与控制的管理方式越来越显示出其在实时性、准确性、合理性方面的不足。同时，由于炼油装置的自动化水平的不断提高对罐区的管理也提出了更高的要求，因此管理人员的责任和压力也不断增加，这对生产的安全是很不利的。
随着计算机技术的不断发展，可靠性的不断提高，以及价格的大幅度降低，计算机在工业中的应用越来越普及。可编程控制器（PLC）以及由多个计算机递阶构成的集中与分散相结合的集散控制系统DCS（Distributed Control System）被广泛地应用到各行各业。因此，近年来人们开始尝试使用计算机构成监控系统来对罐区进行综合的管理。
由于DCS在炼油厂各装置中的广泛应用，广大工程技术人员具备了较丰富的经验，因此在构造罐区监控系统的时候纷纷参照各装置中DCS的做法。在硬件结构方面，类似于炼油装置，罐区现场的仪表将温度、液位等参数转换成统一的模拟信号然后点对点地送往控制室的操作控制部分。但是，由于罐区有别于一般炼油装置的突出特点是地理分布很广泛，控制分散，因此系统结构采用与炼油装置相同的点对点连接方式时，就需要用到比一般装置多很多的电缆和接线端子及桥架等附件，系统施工时要耗费大量的人力，且很难保证连接的可靠性。为数众多的连接点及故障诊断的困难，也给日后系统的检修及维护带来了很大的不便。并且信号长距离的传输使信号的精度大大降低。
有关资料显示，在发达国家中罐区监控系统已普遍使用了DCS。近年来，随着炼油企业生产规模的不断扩大，各企业都不断地增加了储罐的数量，为了将这些储罐纳入到已有的DCS中进行统一管理，需要重新进行布线。罐区系统地理分布广、范围大所引发的问题也越来越突出。为了解决这些问题，国外的一些专家和学者正在试图将近年来发展很快的现场总线技术应用到罐区的管理中来。
但是，目前在石化、化工等领域中，现场总线应用的实例还不多见。这与化学工业生产过程复杂多变，并且生产环境带有潜在爆炸危险等特殊之处有很大的关系。因为在具有潜在爆炸危险的环境中应用肯定会遇到有别于其它环境的问题。在这一领域中对基于现场总线的新型控制系统提出了如下四个最基本的要求：
1）、要有完备的防爆保护措施，以保证在爆炸危险环境中生产过程的绝对安全。
2）、要有很高的可靠性，以保证数据在任何状况下的可靠传输。也就是
要做到“线路冗余”。
3）、对应“连续过程”这一特点，控制系统要有处理模拟数据的能力。
并且还要满足“在线参数化”的要求。
4）、所有现场设备可以在线插拔，而不影响系统的正常工作。
从目前现场总线在这一领域的应用来看，其遇到了如下几个问题： （1）、危险区中的防爆问题。
如果采用隔爆或浇封的防爆形式，一方面为现场设备配电十分困难；
另一方面检修或更换缺损部件时需要先将电源断开，这样做往往是不允许的。
目前普遍采用的防爆方法是本质安全。但是，由于能量方面的限制就
使得每个总线分支上允许连接的现场设备数量非常有限，这就又有驳于单一总线分支上尽可能多地连接设备的初衷。例如，FF每一个分支上允许连接的设备一般为 4到5个，而PROFIBUS-PA每一个分支上允许连接的设备一般为 8个左右。图1-1所示为危险区中的典型总线结构。因为总线的H1网卡必须要放置在安全区，所以这样做就要有大量的总线电缆位于安全区与危险区之间，现场总线方便接线、节省电缆的优势就大打折扣。
（2）、现场设备可选余地小。
由于要求现场设备必须为本安且只有通过标准的总线接口才可与总线相连，但是目前满足这一要求的现场设备的品种很少，因此可选择的范围很小。
（3）、难以建立起冗余系统。
出于系统连续运转的要求，如果采用现场总线，那么，系统的连续运转能力至少不能够比采用传统的控制结构低。传统的控制结构中，某一点的故障只会影响这一个或几个相关点的工作，不至于影响到整个的控制系统。但是这种点对点的连接（一根导线上只连接两个点）概念与现场总线的在一根总线电缆上尽可能多地串接设备的概念是相互矛盾的。为了提高系统的连续运转能力，就要考虑将现场总线系统设计为冗余的结构，但目前无论是FF（基金会现场总线）还是Profibus-PA总线的H1网段均不支持冗余，应该讲这是一个很大的问题。
（4）、循环时间长，反应速度慢。
在满足本安的情况下，总线的最高传输速率为31.25KBaud，本身速度不快。再加上采用如图1-1所示的结构使得若组成一个较大的系统，总线对每个节点循环一周所需的时间就会比较长，因此系统的实时性相对较差。
（5）、不是所有的现场设备都可以在线插拔。
目前面临的这些问题，给现场总线在罐区监控系统中的应用带来了很大的障碍。如何解决这些问题，成为目前国内外工程技术人员研究的一个热点问题。
1.1.2 新型远程I/O的出现
从上个世纪七八十年代开始，普遍采用安全栅使控制系统满足防爆要求，这种方法一直沿用至今。但使用安全栅，无形中使控制系统的结构变的复杂且增加了施工的难度。从上个世纪九十年代中期开始，世界上各大防爆专业厂商纷纷研制将安全栅与控制器的I/O模块集成在一起的产品，从而简化系统的结构。一些具备防爆功能的远程I/O产品相继问世。为了与尽量多的控制系统相匹配，这些厂家制造的产品都采用了流行的现场总线作为与控制器通讯的介质。并且为了能在危险区中发挥远程I/O的优势，新型的远程I/O产品通过采取一系列的防爆措施使得其自身可以直接安装在危险区中。图1-2所示为一种典型的远程I/O产品。
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1.1.1 罐区监控系统国内外的发展概况及存在的问题
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在炼油企业中，为了配合生产流程，要对原油、半成品油及成品油进行运输和存储，为此企业均建有大量的各种储罐。由于在油品的运输及存储过程中油气的挥发是不可避免的，因此，罐区是比较典型的“危险区”。
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企业的生产及管理部门每天都需要掌握罐内存储介质的液位、温度、体积和质量等重要数据，既要保证数据的准确和及时，又要确保储罐的安全，防止意外事故的发生。罐区储罐参数的精确检测、工艺流程的有效管理，对于相关生产装置的安全和平稳运行具有十分重要的意义。
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由于我国具体的国情，长期以来对罐区的管理主要是靠人工进行，并没有形成真正意义上的“监控系统”。最初只是靠有经验的工人利用油尺通过对各油罐的液位高度进行测量（即通常所讲的“人工检尺”）的方法来对油罐进行监视。该方法原始而又繁琐，人为因素影响大，精度低。危险区中的有毒有害气体对操作工的身体造成很大的危害，而且在气候恶劣的条件下，操作工在油罐上爬上爬下很不安全。
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为了提高对储罐参数测量的精度以及保护工人的身体健康，减轻工人的劳动强度，到了90年代初，各油罐上基本都装备了能够对液位进行自动测量的仪表。该仪表一般由一次仪表和二次仪表两部分组成。位于现场的一次仪表采集各油罐的液位参数并通过统一的模拟信号如4-20mA的直流电流信号或某种专用的通讯协议送往集中控制室的二次仪表。此时操作人员就可以坐在控制室里通过二次仪表纵观各油罐的状况了。但通过这些二次仪表仅仅能够对储罐参数进行“监视”而无法实施控制，因此具体的控制工作仍需人工进行。
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随着生产规模的不断扩大，罐区的规模也越来越大，油品的种类也不断增加。管理人员按照由生产部门所制订的生产计划和常年积累下来的经验对罐区进行监视与控制的管理方式越来越显示出其在实时性、准确性、合理性方面的不足。同时，由于炼油装置的自动化水平的不断提高对罐区的管理也提出了更高的要求，因此管理人员的责任和压力也不断增加，这对生产的安全是很不利的。
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随着计算机技术的不断发展，可靠性的不断提高，以及价格的大幅度降低，计算机在工业中的应用越来越普及。可编程控制器（PLC）以及由多个计算机递阶构成的集中与分散相结合的集散控制系统DCS（Distributed Control System）被广泛地应用到各行各业。因此，近年来人们开始尝试使用计算机构成监控系统来对罐区进行综合的管理。
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由于DCS在炼油厂各装置中的广泛应用，广大工程技术人员具备了较丰富的经验，因此在构造罐区监控系统的时候纷纷参照各装置中DCS的做法。在硬件结构方面，类似于炼油装置，罐区现场的仪表将温度、液位等参数转换成统一的模拟信号然后点对点地送往控制室的操作控制部分。但是，由于罐区有别于一般炼油装置的突出特点是地理分布很广泛，控制分散，因此系统结构采用与炼油装置相同的点对点连接方式时，就需要用到比一般装置多很多的电缆和接线端子及桥架等附件，系统施工时要耗费大量的人力，且很难保证连接的可靠性。为数众多的连接点及故障诊断的困难，也给日后系统的检修及维护带来了很大的不便。并且信号长距离的传输使信号的精度大大降低。
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有关资料显示，在发达国家中罐区监控系统已普遍使用了DCS。近年来，随着炼油企业生产规模的不断扩大，各企业都不断地增加了储罐的数量，为了将这些储罐纳入到已有的DCS中进行统一管理，需要重新进行布线。罐区系统地理分布广、范围大所引发的问题也越来越突出。为了解决这些问题，国外的一些专家和学者正在试图将近年来发展很快的现场总线技术应用到罐区的管理中来。
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但是，目前在石化、化工等领域中，现场总线应用的实例还不多见。这与化学工业生产过程复杂多变，并且生产环境带有潜在爆炸危险等特殊之处有很大的关系。因为在具有潜在爆炸危险的环境中应用肯定会遇到有别于其它环境的问题。在这一领域中对基于现场总线的新型控制系统提出了如下四个最基本的要求：
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1）、要有完备的防爆保护措施，以保证在爆炸危险环境中生产过程的绝对安全。
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2）、要有很高的可靠性，以保证数据在任何状况下的可靠传输。也就是
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3）、对应“连续过程”这一特点，控制系统要有处理模拟数据的能力。
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并且还要满足“在线参数化”的要求。
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使得每个总线分支上允许连接的现场设备数量非常有限，这就又有驳于单一总线分支上尽可能多地连接设备的初衷。例如，FF每一个分支上允许连接的设备一般为 4到5个，而PROFIBUS-PA每一个分支上允许连接的设备一般为 8个左右。图1-1所示为危险区中的典型总线结构。因为总线的H1网卡必须要放置在安全区，所以这样做就要有大量的总线电缆位于安全区与危险区之间，现场总线方便接线、节省电缆的优势就大打折扣。
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（2）、现场设备可选余地小。
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由于要求现场设备必须为本安且只有通过标准的总线接口才可与总线相连，但是目前满足这一要求的现场设备的品种很少，因此可选择的范围很小。
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（3）、难以建立起冗余系统。
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出于系统连续运转的要求，如果采用现场总线，那么，系统的连续运转能力至少不能够比采用传统的控制结构低。传统的控制结构中，某一点的故障只会影响这一个或几个相关点的工作，不至于影响到整个的控制系统。但是这种点对点的连接（一根导线上只连接两个点）概念与现场总线的在一根总线电缆上尽可能多地串接设备的概念是相互矛盾的。为了提高系统的连续运转能力，就要考虑将现场总线系统设计为冗余的结构，但目前无论是FF（基金会现场总线）还是Profibus-PA总线的H1网段均不支持冗余，应该讲这是一个很大的问题。
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在满足本安的情况下，总线的最高传输速率为31.25KBaud，本身速度不快。再加上采用如图1-1所示的结构使得若组成一个较大的系统，总线对每个节点循环一周所需的时间就会比较长，因此系统的实时性相对较差。
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（5）、不是所有的现场设备都可以在线插拔。
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目前面临的这些问题，给现场总线在罐区监控系统中的应用带来了很大的障碍。如何解决这些问题，成为目前国内外工程技术人员研究的一个热点问题。
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1.1.2 新型远程I/O的出现
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从上个世纪七八十年代开始，普遍采用安全栅使控制系统满足防爆要求，这种方法一直沿用至今。但使用安全栅，无形中使控制系统的结构变的复杂且增加了施工的难度。从上个世纪九十年代中期开始，世界上各大防爆专业厂商纷纷研制将安全栅与控制器的I/O模块集成在一起的产品，从而简化系统的结构。一些具备防爆功能的远程I/O产品相继问世。为了与尽量多的控制系统相匹配，这些厂家制造的产品都采用了流行的现场总线作为与控制器通讯的介质。并且为了能在危险区中发挥远程I/O的优势，新型的远程I/O产品通过采取一系列的防爆措施使得其自身可以直接安装在危险区中。图1-2所示为一种典型的远程I/O产品。
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