基于现场总线的罐区远程监控系统

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。


图1-1 危险区中的典型总线结构

（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。


图1-2 典型远程I/O结构图

从图1-2可以看出，该远程I/O系统由母板、电源模块、支持不同总线协议的网关模块、各种处理开关量输入和输出、模拟量输入和输出以及温度输入信号的I/O模块所组成。系统的工作原理为：现场的各类仪表通过电线电缆与远程I/O的I/O接口点对点地连接，信号进入系统后即被I/O模块转换为数字信号，再经过系统内部总线（位于母板内部）传送到网关，然后由网关经母板上的总线接口将信号传送到上一层的现场总线上去，最后经总线到达控制系统（DCS/PLC）。而由控制系统发出的信号则经过相反的路径进行传输。整个远程I/O的供电由系统母板上连接的电源模块提供，电源模块的电源由外部的24V直流电经增安型的接线端子供给。
该远程I/O具有如下的几个突出的特点：（1）可以直接应用于危险1区，从而可节省大量的线缆；（2）通过现场总线进行通信，系统易于扩展。而且电源、网关、内部/外部总线均为冗余，确保了系统的高度安全；（3）所有模块均可在线插拔，极大地方便了系统的施工及维护；（4）无需安全栅和DCS/PLC的I/O模块并可省去大量的电缆及附件，使系统的初期投资大大降低；（5）强大的诊断与自诊断功能，高效的数字化通讯，大大地提升了系统的先进性；（6）可连接传统的现场设备且无需改变传统的安装连接方式以及支持HART协议的传输等等特点，为对现有系统的改造和扩展铺平了道路。
从上面的特点可以看出，应用该远程I/O构成系统时，既发挥了现场总线的诸多优点，又克服了现场总线在危险区应用时所面临的问题。
　　1.2开发新型罐区监控系统的意义
随着我国经济的不断发展，各行各业对于石油制品的需求量也在大幅度地增长。因此，为了快速提高炼油能力，更好地满足这些要求，我国近些年来在各地建立起了为数众多的炼油企业，原有的炼油企业也在不断提高其自身的炼油能力。为了生产的高效与安全，炼油企业对各炼油装置以及罐区等公用工程的自动化管理水平提出了更高的要求。但是，对于国内各大炼油厂的调查显示，各罐区的自动化管理水平普遍很低，而且长期以来普遍存在着重视炼油装置控制自动化水平的不断提高而轻视对罐区监控系统自动化水平提高的情况，油罐的“冒顶”及爆炸的事故率明显高于各装置的事故率。近年来，特别是近一、二年以来各装置的“DCS”化改造已基本完成的情况下，对于提高各罐区监控系统的自动化水平的呼声和要求也越来越高。为此，国内主要从事炼油生产的“中石化”和“中石油”两大公司准备拿出大量的专项资金来对各炼油厂的罐区监控系统进行改造和升级。而采用DCS作为罐区监控系统存在上面提到的诸多的问题，国外应用现场总线来解决这些问题时又遇到了诸多的困难。因此，如何设计出一套适合于罐区的、先进的、高效的、功能齐全的、经济性好的监控系统是目前国内外工程技术人员们急需解决的一个问题。
该问题的圆满解决必将对于提高罐区的自动化管理水平进而提高整个工厂的管理水平，降低工人的劳动强度，改善工人的工作条件，避免事故的发生，减少系统改造的初期投资及今后的运行费用等等方面具有十分重要的意义。
　　1.3新型罐区监控系统的优势
　　新型罐区监控系统具有如下的优势：
　　1、 分层控制及多重冗余技术的应用，系统更加高效、安全。
　　2、 系统软硬件均采用当今先进的主流产品，用户无今后改造升级及二次开发的后顾之忧。
　　3、 人机界面友好，操作简单而直观。
　　4、 现场总线技术、远程I/O技术、安全栅技术的完美应用，使系统今后的扩展十分方便。
　　5、 I/O接口单元可直接放置在危险1区，从而节省大量线缆及端子、槽盒、桥架等相关的材料。
　　6、 大量硬件材料的节省，使施工变得非常简单，从而节省大量的人工费用。
　　7、 接线点数的减少，势必使故障点数大为减少，从而使系统的维护费用显著减少。
　　8、 多种诊断与自诊断功能，使系统的故障诊断及定位十分快捷。
　　9、 I/O层及现场层支持“在线插拔”，系统检修及更换缺损部件时无需停机，极大地提高了系统连续运转的能力。
　　10、 多级安全管理措施，详细的操作记录功能，使系统的管理工作更加科学、有效。