基於現場匯流排的罐區遠程監控系統

由於我國具體的國情，長期以來對罐區的管理主要是靠人工進行，並沒有形成真正意義上的“監控系統”。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視。該方法原始而又繁瑣，人為因素影響大，精度低。危險區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錶。該儀錶一般由一次儀錶和二次儀錶兩部分組成。位於現場的一次儀錶採集各油罐的液位參數並通過統一的模擬信號如4-20mA的直流電流信號或某種專用的通訊協議送往集中控制室的二次儀錶。此時操作人員就可以坐在控制室里通過二次儀錶縱觀各油罐的狀況了。但通過這些二次儀錶僅僅能夠對儲罐參數進行“監視”而無法實施控制，因此具體的控制工作仍需人工進行。

隨著生產規模的不斷擴大，罐區的規模也越來越大，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進行監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，由於煉油裝置的自動化水平的不斷提高對罐區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DCS（Distributed Control System）被廣泛地應用到各行各業。因此，近年來人們開始嘗試使用計算機構成監控系統來對罐區進行綜合的管理。

由於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，因此在構造罐區監控系統的時候紛紛參照各裝置中DCS的做法。在硬體結構方面，類似於煉油裝置，罐區現場的儀錶將溫度、液位等參數轉換成統一的模擬信號然後點對點地送往控制室的操作控制部分。但是，由於罐區有別於一般煉油裝置的突出特點是地理分佈很廣泛，控制分散，因此系統結構採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，系統施工時要耗費大量的人力，且很難保證連接的可靠性。為數眾多的連接點及故障診斷的困難，也給日後系統的檢修及維護帶來了很大的不便。並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，在發達國家中罐區監控系統已普遍使用了DCS。近年來，隨著煉油企業生產規模的不斷擴大，各企業都不斷地增加了儲罐的數量，為了將這些儲罐納入到已有的DCS中進行統一管理，需要重新進行布線。罐區系統地理分佈廣、範圍大所引發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展很快的現場匯流排技術應用到罐區的管理中來。

但是，目前在石化、化工等領域中，現場匯流排應用的實例還不多見。這與化學工業生產過程複雜多變，並且生產環境帶有潛在爆炸危險等特殊之處有很大的關係。因為在具有潛在爆炸危險的環境中應用肯定會遇到有別於其它環境的問題。在這一領域中對基於現場匯流排的新型控制系統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境中生產過程的絕對安全。

2）、要有很高的可靠性，以保證數據在任何狀況下的可靠傳輸。也就是要做到“線路冗餘”。

3）、對應“連續過程”這一特點，控制系統要有處理模擬數據的能力。並且還要滿足“在線參數化”的要求。

4）、所有現場設備可以在線插拔，而不影響系統的正常工作。

從目前現場匯流排在這一領域的應用來看，其遇到了如下幾個問題：

（1）、危險區中的防爆問題。

如果採用隔爆或澆封的防爆形式，一方面為現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。目前普遍採用的防爆方法是本質安全。但是，由於能量方面的限制就使得每個匯流排分支上允許連接的現場設備數量非常有限，這就又有駁於單一匯流排分支上儘可能多地連接設備的初衷。例如，FF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。圖1-1所示為危險區中的典型匯流排結構。因為匯流排的H1網卡必須要放置在安全區，所以這樣做就要有大量的匯流排電纜位於安全區與危險區之間，現場匯流排方便接線、節省電纜的優勢就大打折扣。

（2）、現場設備可選餘地小。

由於要求現場設備必須為本安且只有通過標準的匯流排介面才可與匯流排相連，但是目前滿足這一要求的現場設備的品種很少，因此可選擇的範圍很小。

（3）、難以建立起冗餘系統。

出於系統連續運轉的要求，如果採用現場匯流排，那麼，系統的連續運轉能力至少不能夠比採用傳統的控制結構低。傳統的控制結構中，某一點的故障只會影響這一個或幾個相關點的工作，不至於影響到整個的控制系統。但是這種點對點的連接（一根導線上只連接兩個點）概念與現場匯流排的在一根匯流排電纜上儘可能多地串接設備的概念是相互矛盾的。為了提高系統的連續運轉能力，就要考慮將現場匯流排系統設計為冗餘的結構，但目前無論是FF（基金會現場匯流排）還是Profibus-PA匯流排的H1網段均不支持冗餘，應該講這是一個很大的問題。

圖1-1 危險區中的典型匯流排結構

（4）、循環時間長，反應速度慢。

在滿足本安的情況下，匯流排的最高傳輸速率為31.25KBaud，本身速度不快。再加上採用如圖1-1所示的結構使得若組成一個較大的系統，匯流排對每個節點循環一周所需的時間就會比較長，因此系統的實時性相對較差。

（5）、不是所有的現場設備都可以在線插拔。

目前面臨的這些問題，給現場匯流排在罐區監控系統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

從上個世紀七八十年代開始，普遍採用安全柵使控制系統滿足防爆要求，這種方法一直沿用至今。但使用安全柵，無形中使控制系統的結構變的複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廠商紛紛研製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相匹配，這些廠家製造的產品都採用了流行的現場匯流排作為與控制器通訊的介質。並且為了能在危險區中發揮遠程I/O的優勢，新型的遠程I/O產品通過採取一系列的防爆措施使得其自身可以直接安裝在危險區中。圖1-2所示為一種典型的遠程I/O產品。

圖1-2 典型遠程I/O結構圖

從圖1-2可以看出，該遠程I/O系統由母板、電源模塊、支持不同匯流排協議的網關模塊、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。系統的工作原理為：現場的各類儀錶通過電線電纜與遠程I/O的I/O介面點對點地連接，信號進入系統后即被I/O模塊轉換為數字信號，再經過系統內部匯流排（位於母板內部）傳送到網關，然後由網關經母板上的匯流排介面將信號傳送到上一層的現場匯流排上去，最後經匯流排到達控制系統（DCS/PLC）。而由控制系統發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）可以直接應用於危險1區，從而可節省大量的線纜；（2）通過現場匯流排進行通信，系統易於擴展。而且電源、網關、內部/外部匯流排均為冗餘，確保了系統的高度安全；（3）所有模塊均可在線插拔，極大地方便了系統的施工及維護；（4）無需安全柵和DCS/PLC的I/O模塊並可省去大量的電纜及附件，使系統的初期投資大大降低；（5）強大的診斷與自診斷功能，高效的數字化通訊，大大地提升了系統的先進性；（6）可連接傳統的現場設備且無需改變傳統的安裝連接方式以及支持HART協議的傳輸等等特點，為對現有系統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構成系統時，既發揮了現場匯流排的諸多優點，又克服了現場匯流排在危險區應用時所面臨的問題。

1.2開發新型罐區監控系統的意義

隨著我國經濟的不斷發展，各行各業對於石油製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眾多的煉油企業，原有的煉油企業也在不斷提高其自身的煉油能力。為了生產的高效與安全，煉油企業對各煉油裝置以及罐區等公用工程的自動化管理水平提出了更高的要求。但是，對於國內各大煉油廠的調查顯示，各罐區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監控系統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於各裝置的事故率。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，對於提高各罐區監控系統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監控系統進行改造和升級。而採用DCS作為罐區監控系統存在上面提到的諸多的問題，國外應用現場匯流排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於罐區的、先進的、高效的、功能齊全的、經濟性好的監控系統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於提高罐區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，避免事故的發生，減少系統改造的初期投資及今後的運行費用等等方面具有十分重要的意義。

1.3新型罐區監控系統的優勢

新型罐區監控系統具有如下的優勢：

1、分層控制及多重冗餘技術的應用，系統更加高效、安全。

2、系統軟硬體均採用當今先進的主流產品，用戶無今後改造升級及二次開發的後顧之憂。

3、人機界面友好，操作簡單而直觀。

4、現場匯流排技術、遠程I/O技術、安全柵技術的完美應用，使系統今後的擴展十分方便。

5、 I/O介面單元可直接放置在危險1區，從而節省大量線纜及端子、槽盒、橋架等相關的材料。

6、大量硬體材料的節省，使施工變得非常簡單，從而節省大量的人工費用。

7、接線點數的減少，勢必使故障點數大為減少，從而使系統的維護費用顯著減少。

8、多種診斷與自診斷功能，使系統的故障診斷及定位十分快捷。

9、 I/O層及現場層支持“在線插拔”，系統檢修及更換缺損部件時無需停機，極大地提高了系統連續運轉的能力。