控制网络在石油工业的应用分析
日期：2008-12-15 23:28:42 来源：中国自动化网
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1目前石油工业控制网络系统概述
石油工业自动化主要包括油田自动化、炼油化工自动化两个方面。油田自动化是利用自动化手段对油田的油井、计量间、管汇阀组、转油站、联合站、原油外输系统、油罐以及油田的其它分散设施进行自动监测、自动控制，实现生产自动化和管理自动化。油田自动化系统可分为两大部分，一是用来完成过程控制和数据采集的SCADA系统(监控和数据采集系统)和DCS系统(集散控制系统)；另一部分是用来保护工艺设备、保护人生安全、保护环境、减少和避免事故发生的ESD系统(紧急关断系统)。对于局部系统的控制（比如油田联合站注水系统等等）采用IPC、PLC、DCS等控制方式。对于炼油化工，在大型装置主要采用DCS系统，对于中小型的生产装置，采用中小型DCS、智能电动变送器、数字式调节器进行控制。炼油化工生产装置规模大，生产过程复杂，对计算机控制系统要求高，目前在使用的DCS系统大都是引进的。随着信息技术和企业管理现代化的发展，各种技术的进步和要求的提高，石油行业传统的工业控制系统已不能适应现代自动化的要求，很多系统的局限性明显。自动化的改造需求迫切。
2石油工业控制技术的要求
进入九十年代以来，东部老油田的改造，联合站的自控系统，都实施了自动化工程。
1）集气站：集气站的主要功能是将几个至十几个天然气计量站的来气集中到该站进行净化处理，脱去天然气中的水分和酸性气体。在这些工艺过程中，压缩机和膨胀机的控制和连锁保护是比较复杂的，尤其是轴位移和轴振动的检测，目前国内正研究能提供可靠的仪表供选择。SCADA系统除控制集气站外，还应通过远程终端装置(RTU)远距离监视所管辖的气井和计量站的生产状态和有关数据。一旦出现事故，立即启动集气站中的应急关闭和火炬燃烧系统。集气站中的高、中、低压气在发生故障时，必须先关闭系统，将高、中、低压气系统自动地切换到火炬系统，自动点火，充分燃烧，保护环境和保障系统安全。
2）天然气处理工厂：天然气综合加工厂包括天然气分离厂，液化轻烃加工厂，天然气、轻烃储罐区，热电联供设备，含油污水处理厂等。对于年产120亿立方米天然气能力的气田，根据地理位置和气量情况，需要建立天然气处理厂4-6个。因其生产工艺过程相对分散，每个工厂都有自己独立的生产工艺过程，各工厂之间又互为上、下游提供原料和能源。因此它们的过程检测和控制系统应该是典型的DCS分散控制系统。作为整个天然气处理厂，它的检测和控制除了保证各工厂平稳运行，还应考虑到全系统的热量和质量平衡，以达到对给定原料气来讲是最经济的生产过程控制。
3）天然气长输管道：长输管线要穿越山地、峡谷、河流、沼泽、盐碱地等多种复杂地段。SCADA系统除一般对天然气输送过程的压力、温度、流量、天然气密度、天然气露点等变量的检测和控制以及中间站的监视控制之外，还应考虑管道、设备的腐蚀和防护，以及管线的安全操作等技术，特别是当发生天灾和设备事故，或者天然气被偷盗时，为保护系统和生态环境，而需采取的应急处理技术。
对于炼油企业，石油化工产品的质量要求越来越高，并要求减少污染，节约能源。采用更有利于管控一体化的信息综合系统。在大型的炼油装置、乙烯生产装置、化纤生产装置主要采用DCS系统，配备先进的控制软件进行控制；对于中小型的生产装置，采用中小型DCS、智能电动变送器、数字式调节器进行控制，对于整个生产装置的某个局部控制部分，也采用PLC、IPC等方式作为控制核心。如催化裂化装置中，利用IPC和电动仪表构成计算机监控系统，实现定点控制、数据处理、开环指导。已投用的DCS绝大部分满足生产安全、稳定、长运行的要求，发挥了DCS的基本功能，有经济效益,但很多DCS系统的利用率相对较低，应用深度有待进一步提高。另外，许多炼油化工企业都是采用一种自成系统的自动化结构，每个单元都有它自己负责的自动化系统，形成许多自动化“孤岛”式的控制和信息管理格局。由于市场竞争激烈和规模经营发展，计算机控制，经营和管理一体化的信息综合系统的应用开发应得到炼油化工企业的重视。
3 石油工业控制系统改造分析：
针对目前我国石油企业的工控现状和技术的要求，本文提出以下技术应用方向来满足新形式下的需要。
（1）引进更强功能的DCS以及进一步开发原有DCS系统的功能。
控制技术和计算机技术，通讯技术的进展有力的促进了DCS的进步。近年来，DCS取得很大的发展，1）向综合方向发展：由于标准化数据通信线路和通信网络的发展，将各种单（多）回路调节器、PLC、工业PC、NC等工控设备构成大系统满足工厂自动化要求，并适应开放化的大趋势。2）向智能化发展：由于数据库系统、推理技能等的发展，尤其是知识库系统和专家系统的应用，人工智能逐渐在DCS各级实现。3）工业PC化：由于IPC组成DCS成为一大趋势，PC作为DCS的操作站或节点机已经很普遍。4）专业化：DCS更适合各相应领域的应用。
新的DCS系统性能得到很大提高体现了这些新技术的应用思想。应该引进新的DCS来提高效益，吸收和消化其技术后，对更多的原有DCS系统进行改造。同时，在引进中应保持技术支持的连续性，对不同DCS系统的特点有明确认识包括控制的规模大小，信号传输特征和适用环境等等，以选择适合不同工作要求的系统。以下对两种著名的DCS系统进行了对比分析。
费希尔-罗斯蒙特公司（Fisher-Rosemount）的DeltaV总线系统的特点：
1总线通讯实际的应用效果非常好，可以通过repit扩展通讯接口，可以直接读取目前多种过渡协议的总线仪表的数据，并且自动完成简单的数据组态。
2有很好的在线调试系统，可在线调校现在调节阀。
3有很好的在线反馈系统，可在线反馈现场AI、AO、DI、DO信号的I/O，提供给维护者和使用者真实的现场仪表的实际I/O状态。
4可以实现单点组态的传送和编译，确保了系统，特别是顺控程序的稳定运行。
5系统可以通过拨号与费希尔-罗斯蒙特公司的DCS工程师进行通讯，及时解决应急问题
6与windowsNT兼容性有待改善
霍尼韦尔（honeywell）DCS系统特点：
1有较好的仪表识别模板，可以通过用户自己新增仪表数据组态模板
2功能强大，报警系统非常完善。
3可以实现单点组态的传送和编译，确保了系统，特别是顺控程序的稳定运行。
4在线读取仪表数据方面有待改善，虽然有用户自定义模板，但是该系统只能读取该公司
的仪表以及横河、川仪、罗克尼克等常用仪表。
其它性能对比如下表：
(2)利用现场总线控制系统技术：现场总线技术的成熟以及现场总线控制系统的推出，对仪表和自控领域产生巨大的影响，也必将对我国石油企业仪表和控制系统的应用产生很大的影响。由于现场总线技术已进入实用化阶段。新一代控制系统可以是由现场总线、各类智能现场仪表包括流量、压力、温度、执行器及附助单元等、人-机接口（工业PC机）、组态软件、监控软件及网络软件等组成现场总线控制系统（FCS）。采用现场总线控制系统，可以克服很多模拟仪表和DCS的不足及应用中的问题。石油工业的原DCS的60％-80％的基本控制功能可分散在智能现场仪表上执行，现场仪表、PLC、人-机接口（操作站）、维护管理系统、和上位机系统都将作为现场总线的节点平等地挂在总线上。FCS除了有控制系统外还有非控制用的信息组成维护管理系统，可把现场仪表的工位号、制造厂、材料、量程和零点、运行状况、精度、维修计划等一系列信息传送到操作站，操作员对现场仪表运行情况一目了然。系统出现故障时，可及时了解故障的位置和性质，缩短了判断故障的时间，并可预测维修，提高了系统的可靠性和可用性。
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石油工业自动化主要包括油田自动化、炼油化工自动化两个方面。油田自动化是利用自动化手段对油田的油井、计量间、管汇阀组、转油站、联合站、原油外输系统、油罐以及油田的其它分散设施进行自动监测、自动控制，实现生产自动化和管理自动化。油田自动化系统可分为两大部分，一是用来完成过程控制和数据采集的SCADA系统(监控和数据采集系统)和DCS系统(集散控制系统)；另一部分是用来保护工艺设备、保护人生安全、保护环境、减少和避免事故发生的ESD系统(紧急关断系统)。对于局部系统的控制（比如油田联合站注水系统等等）采用IPC、PLC、DCS等控制方式。对于炼油化工，在大型装置主要采用DCS系统，对于中小型的生产装置，采用中小型DCS、智能电动变送器、数字式调节器进行控制。炼油化工生产装置规模大，生产过程复杂，对计算机控制系统要求高，目前在使用的DCS系统大都是引进的。随着信息技术和企业管理现代化的发展，各种技术的进步和要求的提高，石油行业传统的工业控制系统已不能适应现代自动化的要求，很多系统的局限性明显。自动化的改造需求迫切。
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1）集气站：集气站的主要功能是将几个至十几个天然气计量站的来气集中到该站进行净化处理，脱去天然气中的水分和酸性气体。在这些工艺过程中，压缩机和膨胀机的控制和连锁保护是比较复杂的，尤其是轴位移和轴振动的检测，目前国内正研究能提供可靠的仪表供选择。SCADA系统除控制集气站外，还应通过远程终端装置(RTU)远距离监视所管辖的气井和计量站的生产状态和有关数据。一旦出现事故，立即启动集气站中的应急关闭和火炬燃烧系统。集气站中的高、中、低压气在发生故障时，必须先关闭系统，将高、中、低压气系统自动地切换到火炬系统，自动点火，充分燃烧，保护环境和保障系统安全。
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2）天然气处理工厂：天然气综合加工厂包括天然气分离厂，液化轻烃加工厂，天然气、轻烃储罐区，热电联供设备，含油污水处理厂等。对于年产120亿立方米天然气能力的气田，根据地理位置和气量情况，需要建立天然气处理厂4-6个。因其生产工艺过程相对分散，每个工厂都有自己独立的生产工艺过程，各工厂之间又互为上、下游提供原料和能源。因此它们的过程检测和控制系统应该是典型的DCS分散控制系统。作为整个天然气处理厂，它的检测和控制除了保证各工厂平稳运行，还应考虑到全系统的热量和质量平衡，以达到对给定原料气来讲是最经济的生产过程控制。
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