基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF技術(shù)在罐區(qū)管理控制中的應(yīng)用

1、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF技術(shù)在罐區(qū)管理控制中的應(yīng)用摘 要：基于FF現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的完整自動(dòng)化控制系統(tǒng)，具有全數(shù)字化、智能化、 網(wǎng)絡(luò)化和開放的特點(diǎn)。NCS3000采用數(shù)字化信號(hào)，F(xiàn)F HSE高速總線和FF H1總線相互補(bǔ)充，構(gòu)成企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)總儀表、智能I/O與計(jì)算機(jī)之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線連成一體，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，具有設(shè)備遠(yuǎn)程調(diào)試和自診斷能力?？梢约筛鞣N設(shè)備和監(jiān)控組態(tài)軟件，是真正的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。 關(guān)鍵字：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線 DCS OPC技術(shù) NCS網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng) 石油化工企業(yè)中，為了配合生產(chǎn)流程，要對(duì)原材料、半成品、成品進(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。企業(yè)的生產(chǎn)及

2、管理部門每天都需要掌握罐內(nèi)存內(nèi)存的正式叫法是內(nèi)存儲(chǔ)器，以此來(lái)與外存儲(chǔ)器區(qū)分開。物理上它安裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，通常安裝在主板上，所以稱為內(nèi)存。它的作用是供暫時(shí)存儲(chǔ)處理器需要處理的數(shù)據(jù)或處理后的結(jié)果，可見內(nèi)存是計(jì)算機(jī)處理器的工作空間。它是處理器運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)必須駐留于其中的一個(gè)臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)域，是計(jì)算機(jī)十分重要的部件。 全文儲(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，并沒有形成真正意義上的

3、“監(jiān)控系統(tǒng)”。以油罐為例，最初只是靠有經(jīng)驗(yàn)的工人利用油尺通過對(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，而且危險(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，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)并通過統(tǒng)一的模擬信號(hào)如4-20mA的直流電流信號(hào)或某種專用的通訊協(xié)議送往集中控制室的二次儀表。此時(shí)操作人員就可以

4、坐在控制室里通過二次儀表縱觀各油罐的狀況了。但通過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，油品的種類也不斷增加。管理人員按照由生產(chǎn)部門所制訂的生產(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。 可編程控制器

5、（PLC）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)。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電纜 和接線端子端子通常指由銅材等沖制

6、而成的連接器接觸件。端子是連接電氣線路的常用元件，主要在器件與組件、組件與機(jī)柜、系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間起電連接和信號(hào)傳遞的作用，并且盡量保持系統(tǒng)與系統(tǒng)之間不發(fā)生信號(hào)失真和能量損失的變化。 全文及橋架等附件，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。當(dāng)今國(guó)際上現(xiàn)場(chǎng)總線總線是將信息以一個(gè)或多個(gè)源部件傳送到一個(gè)或多個(gè)目的部件的一組傳輸線。通俗的說(shuō)，就是多個(gè)部件間的公共連線，用于在各個(gè)部件之間傳輸信息。人們常常以MHz表示的速度來(lái)描述總線頻率。 全文技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟，并在一些特

7、定的應(yīng)用領(lǐng)域顯示了自己的影響和優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是用于過程控制現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制室之間的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、開放的、 雙向的多站數(shù)字通信系統(tǒng)， 儀表與控制系統(tǒng)間通過總線采用一對(duì)多的方式實(shí)現(xiàn)雙向的、全數(shù)字信號(hào)通訊，減少大量布線，易于系統(tǒng)安裝和維護(hù)，同時(shí)，將控制任務(wù)下放至本地儀表，危險(xiǎn)徹底分散，加強(qiáng)系統(tǒng)的自主能力，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變化實(shí)時(shí)作出響應(yīng)。在我國(guó)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展才剛剛起步，特別是在罐區(qū)管理方面很少有應(yīng)用，如何結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)本身的特點(diǎn)及我國(guó)國(guó)情，將其應(yīng)用于各行業(yè)，推動(dòng)我國(guó)自動(dòng)化領(lǐng)域現(xiàn)代化進(jìn)程，是廣大科技人員面臨的主要問題。石油化工業(yè)生產(chǎn)過程復(fù)雜多變，并且生產(chǎn)環(huán)境帶有潛在爆炸危險(xiǎn)，在這一領(lǐng)域中對(duì)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的新

8、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。 NCS3000網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是我國(guó)自主開發(fā)的基于FF現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的完整自動(dòng)化控制系統(tǒng)，具有全數(shù)字化、智能化、 網(wǎng)絡(luò)化和開放的特點(diǎn)。NCS3000采用數(shù)字化信號(hào)，F(xiàn)F HSE高速總線和FF H1總線相互補(bǔ)充，構(gòu)成企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

9、，現(xiàn)場(chǎng)總儀表、智能I/O與計(jì)算機(jī)之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線連成一體，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，具有設(shè)備遠(yuǎn)程調(diào)試和自診斷能力， 同時(shí)，可以集成各種流行的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和監(jiān)控組態(tài)軟件，是真正開放的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。 從上個(gè)世紀(jì)七八十年代開始，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)九十年代中期開始， 世界上各大防爆專業(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

10、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。 隨著 IT技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展， 對(duì)控制系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，從單純的精確控制向安全控制和監(jiān)控管理轉(zhuǎn)變。因此，基于串行通信技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，由于兼具了分散控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，從而在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。NCS3000網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)由于采用現(xiàn)場(chǎng)總線將使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)安裝費(fèi)用減少并且易于維護(hù)； 用戶可以自由選擇不同廠商、不同品牌的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備達(dá)到最佳的系統(tǒng)集成等一系列的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)正越來(lái)越受到人們的重視。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所推出的N

11、CS3000 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)具有全數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和開放的特點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為核心，OPC技術(shù)為紐帶，將現(xiàn)場(chǎng)總線儀表、模擬儀表、分布式智能I/O、DCS和PLC等工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備有機(jī)地集成在一起，自動(dòng)化程度和控制精度都較高， 已經(jīng)成功應(yīng)用于罐區(qū)管理行業(yè)， 為企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)提供了一套完整的解決方案， 取得良好效果。圖 1所示為一種典型的遠(yuǎn)程I/O產(chǎn)品。（此圖來(lái)源于網(wǎng)上） 圖 1 典型遠(yuǎn)程I/O結(jié)構(gòu)圖從圖1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、 各種處理開關(guān)開關(guān)是最常見的電子元件，功能就是電路的接通和斷開。接通則電流可以通過，反之電流無(wú)法通過。在各種電子

12、設(shè)備、家用電器中都可以見到開關(guān)。 全文量輸入和輸出、 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)的各類儀表通過電線電纜與遠(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)母板上連接的電源電源是向電子設(shè)備提供功率的裝置，也稱電源供應(yīng)器，它提供計(jì)算機(jī)中所有部件所需要的電能。全文模塊提供，電源模塊的電源由外部的2

13、4V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

14、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)所面臨的問題。 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 “

15、冒頂” 及爆炸的事故率明顯高于各裝置的事故率。 近年來(lái)， 特別是近一、 二年以來(lái)各裝置的“DCS”化改造已基本完成的情況下，對(duì)于提高各罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化水平的呼聲和要求也越來(lái)越高。為此， 國(guó)內(nèi)主要從事煉油生產(chǎn)的“中石化”和“中石油”兩大公司準(zhǔn)備拿出大量的專項(xiàng)資金來(lái)對(duì)各煉油廠的罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造和升級(jí)。 而采用DCS作為罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)存在上面提到的諸多的問題，國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)解決這些問題時(shí)又遇到了諸多的困難。因此，如何設(shè)計(jì)出一套適合于罐區(qū)的、先進(jìn)的、高效的、功能齊全的、經(jīng)濟(jì)性好的監(jiān)控系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員們急需解決的一個(gè)問題。 該問題的圓滿解決必將對(duì)于提高罐區(qū)的自動(dòng)化管理水平進(jìn)而提高整

16、個(gè)工廠的管理水平，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工人的工作條件，避免事故的發(fā)生，減少系統(tǒng)改造的初期投資及今后的運(yùn)行費(fèi)用等等方面具有十分重要的意義。 新型罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)具有如下的優(yōu)勢(shì)： 1、 分層控制及多重冗余技術(shù)的應(yīng)用，系統(tǒng)更加高效、安全。 2、 系統(tǒng)軟硬件均采用當(dāng)今先進(jìn)的主流產(chǎn)品，用戶無(wú)今后改造升級(jí)及二次開發(fā)的后顧之憂。 3、 人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)單而直觀。 4、 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、遠(yuǎn)程I/O技術(shù)、安全柵技術(shù)的完美應(yīng)用，使系統(tǒng)今后的擴(kuò)展十分方便。 5、 I/O接口單元可直接放置在危險(xiǎn)1區(qū)，從而節(jié)省大量線纜及端子、槽盒、橋架等相關(guān)的材料。 6、 大量硬件材料的節(jié)省，使施工變得非常簡(jiǎn)單，從而節(jié)省大量的人工費(fèi)

17、用。 7、 接線點(diǎn)數(shù)的減少，勢(shì)必使故障點(diǎn)數(shù)大為減少，從而使系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用顯著減少。 8、 多種診斷與自診斷功能，使系統(tǒng)的故障診斷及定位十分快捷。 9、 I/O層及現(xiàn)場(chǎng)層支持“在線插拔”，系統(tǒng)檢修及更換缺損部件時(shí)無(wú)需停機(jī)，極大地提高了系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。 10、 多級(jí)安全管理措施，詳細(xì)的操作 記錄功能，使系統(tǒng)的管理工作更加科學(xué)、有效。 NCS3000網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是具有良好的性能價(jià)格比的商品化、工業(yè)級(jí)的產(chǎn)品構(gòu)件系統(tǒng)硬件平臺(tái)， 保證了系統(tǒng)的可靠性和易于操作性，系統(tǒng)規(guī)模也易于擴(kuò)展。 由一臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和若干臺(tái)管理用計(jì)算機(jī)組成， 來(lái)自于各個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（儲(chǔ)油庫(kù)區(qū)自動(dòng)控制系統(tǒng)一級(jí)外場(chǎng)加油自動(dòng)控制系統(tǒng)）經(jīng)過各個(gè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)其中，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和完整，由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器提供對(duì)這些數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)、分析功能，并可生成各種報(bào)表，供管理分析使用。另外，通過使用專