王笑

(中石化第十建設(shè)有限公司，山東 淄博 255438)

隨著石油化工企業(yè)的發(fā)展和國(guó)家原油戰(zhàn)略儲(chǔ)備庫(kù)項(xiàng)目的實(shí)施，大型石化企業(yè)均建有大量的各種儲(chǔ)罐。儲(chǔ)罐是企業(yè)生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，具有占地面積廣、布置密集和儲(chǔ)存量大等顯著特點(diǎn)。因其儲(chǔ)存的物質(zhì)大多具有易燃、易爆、有毒等特性，將其劃為高危險(xiǎn)性的操作單元。由于罐內(nèi)儲(chǔ)存的介質(zhì)都具有較高的揮發(fā)性，一旦發(fā)生泄漏事故，揮發(fā)出的油氣隨風(fēng)可彌散數(shù)千米的區(qū)域，如遇明火或高溫物體，就有可能引發(fā)火災(zāi)或爆炸事故。因此，儲(chǔ)油罐區(qū)一般是油庫(kù)內(nèi)的高危險(xiǎn)區(qū)域[1]，罐區(qū)自動(dòng)化監(jiān)控顯得十分重要。

1 罐區(qū)計(jì)量概況

20世紀(jì)90年代之前，大多數(shù)煉油企業(yè)采用“人工檢尺”的方法進(jìn)行計(jì)量，油罐測(cè)量始于人工檢尺，這種方法目前仍廣泛使用，并且作為校驗(yàn)其他液位計(jì)性能的工具之一[2]。

20世紀(jì)90年代開(kāi)始，逐漸采用現(xiàn)場(chǎng)儀表和儀表盤(pán)對(duì)油罐進(jìn)行監(jiān)控和計(jì)量?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表主要包括以下幾類：

1) 浮子鋼帶液位計(jì)(包括光導(dǎo)電子式)。該機(jī)械式測(cè)量?jī)x表的典型精度是10 mm，由于滑輪、盤(pán)簧機(jī)構(gòu)與機(jī)械計(jì)數(shù)器之間存在摩擦力，其可靠性較差。

2) 伺服式液位計(jì)。該液位計(jì)在浮子驅(qū)動(dòng)式液位計(jì)的基礎(chǔ)上有了較大改進(jìn)，由精巧的浮子取代以前大而重的浮子，由電動(dòng)伺服馬達(dá)取代盤(pán)簧機(jī)構(gòu)來(lái)升降浮子。該液位計(jì)不僅可以測(cè)量液位，也可測(cè)量油水界位。

3) 雷達(dá)液位計(jì)。利用雷達(dá)波測(cè)量油罐液位，是一項(xiàng)新技術(shù)，雷達(dá)液位計(jì)無(wú)可動(dòng)部件，只需將天線伸進(jìn)罐中，故維護(hù)費(fèi)用低。

4) 靜壓式液位測(cè)量。靜壓測(cè)量法(HTG)內(nèi)置微處理器件可以對(duì)溫度影響和系統(tǒng)偏差給予補(bǔ)償，HTG系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)越性是可以對(duì)油罐進(jìn)行連續(xù)質(zhì)量測(cè)量。

5) 混合式計(jì)量管理系統(tǒng)。該計(jì)量管理系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)代化油罐液位測(cè)量技術(shù)與HTG，可以提供一個(gè)全液位范圍的平均密度測(cè)量值，進(jìn)而測(cè)算質(zhì)量。通過(guò)測(cè)量溫度計(jì)算在參考溫度下的標(biāo)準(zhǔn)體積和密度。伺服或雷達(dá)液位計(jì)可以直接與智能變送器通信，成為一個(gè)非常完善的計(jì)量系統(tǒng)，提供液位、油水界位、體積、質(zhì)量、平均密度、平均溫度、蒸汽溫度等參數(shù)[3]。

20世紀(jì)90年代中后期至今，罐區(qū)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)基于PLC，DCS，現(xiàn)場(chǎng)總線和各種測(cè)量?jī)x表實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門、泵的自動(dòng)控制，同時(shí)自動(dòng)收發(fā)系統(tǒng)也逐步實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前，利用信息化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將罐區(qū)中各個(gè)設(shè)備集成到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)罐(庫(kù))區(qū)管理和控制功能，這是罐區(qū)自動(dòng)化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

目前，國(guó)內(nèi)仍有部分儲(chǔ)罐停留在人工抄數(shù)的水平，加之各種設(shè)備及儲(chǔ)罐已運(yùn)行近幾十年，設(shè)備逐漸老化，安全事故頻現(xiàn)。另外中國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)展相對(duì)國(guó)外還有很大差距，普遍存在產(chǎn)品性能指標(biāo)低、儀表可靠性低、企業(yè)技術(shù)力量及裝備差等問(wèn)題。因此，對(duì)于這些運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的儲(chǔ)罐系統(tǒng)的更新改造迫在眉睫，應(yīng)用先進(jìn)的儲(chǔ)罐自動(dòng)化先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，提高國(guó)內(nèi)罐區(qū)生產(chǎn)技術(shù)及安全管理水平，努力營(yíng)造低碳環(huán)保安全高效的生產(chǎn)環(huán)境。

2 罐區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)的整體功能層次結(jié)構(gòu)

罐區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)屬于信息化管理系統(tǒng)，按功能可將其整體分為兩層，即： 監(jiān)控層和管理層。工業(yè)以太網(wǎng)將監(jiān)控層和管理層聯(lián)系起來(lái)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 罐區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意

2.1 監(jiān)控層

監(jiān)控層按功能可分為生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1.1生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)

生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)主要由儲(chǔ)罐數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)、儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)、定量收付系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)儀表組成。儲(chǔ)罐數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)儲(chǔ)罐的液位、壓力、溫度、進(jìn)出流量、閥門開(kāi)關(guān)以及各種泵進(jìn)行監(jiān)控。儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)對(duì)涉及進(jìn)出廠的儲(chǔ)罐進(jìn)行監(jiān)控，并記錄儲(chǔ)罐的液位(儲(chǔ)量)變化，確認(rèn)收付量。定量收付系統(tǒng)涉及進(jìn)出廠的貿(mào)易交接，與進(jìn)出廠的其他系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，例如進(jìn)出廠質(zhì)量流量計(jì)、進(jìn)出廠批次計(jì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)比對(duì)，當(dāng)比對(duì)數(shù)據(jù)超出設(shè)定的誤差范圍時(shí)自動(dòng)報(bào)警。

2.1.2罐區(qū)安全監(jiān)控系統(tǒng)

罐區(qū)安全監(jiān)控系統(tǒng)由消防監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、巡檢系統(tǒng)、一卡通系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)儀表組成。消防監(jiān)控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)可燃有毒氣體檢測(cè)探頭、消防手動(dòng)報(bào)警按鈕、感溫感煙探頭、現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警器、各種消防炮以及消防噴淋等設(shè)備，消防監(jiān)控主機(jī)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)等組成。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)視頻實(shí)時(shí)傳輸，火災(zāi)、消防聯(lián)動(dòng)視頻自動(dòng)切換等功能。巡檢系統(tǒng)是對(duì)罐區(qū)主要設(shè)備進(jìn)行人工巡檢維護(hù)的系統(tǒng)。主要由點(diǎn)檢手持設(shè)備以及現(xiàn)場(chǎng)各重要設(shè)備旁邊安裝的點(diǎn)檢點(diǎn)等組成。一卡通系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)操作人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)的門禁系統(tǒng)，只有符合權(quán)限的人員才能進(jìn)入相應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行作業(yè)。

2.2 管理層

管理層是通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與罐區(qū)監(jiān)控層連接起來(lái)的上層管理系統(tǒng)。主要包括MES罐區(qū)接口、企業(yè)門戶平臺(tái)罐區(qū)接口、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)罐區(qū)接口以及防火墻及數(shù)據(jù)備份等系統(tǒng)。管理層實(shí)際還包含Internet相關(guān)的應(yīng)用，主要包括客戶查詢、海關(guān)接入以及異地終端等系統(tǒng)。由于管理層的應(yīng)用比較廣泛，相應(yīng)的各種系統(tǒng)已經(jīng)比較成熟，因而本文不再贅述。

3 罐區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)的基本功能

3.1 罐區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)組成

典型的罐區(qū)自動(dòng)化組成主要包括四部分： 現(xiàn)場(chǎng)儀表、PLC系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、上位監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)儀表主要由儲(chǔ)罐的各種液位、溫度、壓力等現(xiàn)場(chǎng)儀表組成。以下主要介紹PLC系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及上位監(jiān)控系統(tǒng)。罐區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能分層結(jié)構(gòu)示意

PLC系統(tǒng)主要由CPU(主控制器)、I/O站、網(wǎng)絡(luò)等組成[4]，現(xiàn)場(chǎng)I/O站可以集中安裝在機(jī)柜室內(nèi)或安裝在罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)。

3.2 罐區(qū)平衡

罐區(qū)平衡是企業(yè)物料平衡的重要組成部分，從物流的角度反映生產(chǎn)裝置運(yùn)行狀態(tài)，為調(diào)度安排生產(chǎn)提供儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)支持，同時(shí)能夠充分利用有限儲(chǔ)罐，滿足因提高加工量對(duì)庫(kù)存空間的需求，包括： 單罐、罐區(qū)、全廠罐區(qū)平衡。罐區(qū)平衡目標(biāo)： 確認(rèn)移動(dòng)罐量與裝置的原料、產(chǎn)品收付量一致；確認(rèn)半成品罐調(diào)和、倒油記錄一致；確認(rèn)產(chǎn)品出廠量和庫(kù)存量對(duì)應(yīng)；確認(rèn)產(chǎn)品的交庫(kù)量和庫(kù)存量；確認(rèn)各產(chǎn)品的盈虧量。

3.3 監(jiān)控功能概述

流程圖工藝參數(shù)實(shí)時(shí)顯示和記錄功能。液位、溫度、壓力、體積、質(zhì)量、運(yùn)行狀態(tài)等儲(chǔ)罐信息顯示，油泵工作狀態(tài)顯示，電控閥門狀態(tài)顯示，可燃?xì)怏w/毒性氣體體積分?jǐn)?shù)顯示，管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)顯示。

實(shí)時(shí)控制功能。包括所有電控閥門、油泵遠(yuǎn)程電動(dòng)控制，泵運(yùn)行狀態(tài)設(shè)定等。

報(bào)警功能。包括儲(chǔ)罐高低液位開(kāi)關(guān)報(bào)警功能、溫度報(bào)警、油泵壓力報(bào)警、罐區(qū)可燃?xì)怏w報(bào)警、電控閥門過(guò)扭力報(bào)警等。

趨勢(shì)和記錄功能。包括所有實(shí)時(shí)參數(shù)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線；報(bào)警記錄和操作記錄，所有的記錄均能提供分類查詢。

統(tǒng)計(jì)和管理功能。實(shí)時(shí)提供儲(chǔ)罐當(dāng)前介質(zhì)的體積和質(zhì)量計(jì)算，并可對(duì)特定時(shí)間段進(jìn)出的油品數(shù)據(jù)以及庫(kù)存數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，歸檔歷史數(shù)據(jù)并形成各種類型統(tǒng)計(jì)[5]。

3.3.1過(guò)程畫(huà)面顯示

儲(chǔ)罐的液位、溫度、壓力等參數(shù)值以及相應(yīng)實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)；單個(gè)儲(chǔ)罐的狀態(tài)——靜狀態(tài)、動(dòng)狀態(tài)；工藝管道的閥門狀態(tài)，流體流向等；機(jī)泵的狀態(tài)等。

3.3.2遠(yuǎn)程操作

具有授權(quán)的操作人員對(duì)電控閥門和機(jī)泵進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。根據(jù)要求實(shí)現(xiàn)高級(jí)控制功能，如自動(dòng)調(diào)和油品、油品輸送流程選擇控制等。

3.3.3過(guò)程事件報(bào)警顯示功能

所有檢測(cè)點(diǎn)，如液位、溫度、壓力等越限報(bào)警功能；過(guò)程事件的顯示功能，如機(jī)泵、閥門的動(dòng)作記錄；可燃?xì)怏w報(bào)警儀等保護(hù)措施報(bào)警顯示；系統(tǒng)軟硬件診斷報(bào)警顯示，如CPU故障信息、I/O模塊故障以及儀表故障等。

3.3.4報(bào)表功能

基于罐區(qū)的主要參數(shù)的班報(bào)/日?qǐng)?bào)/月報(bào)；統(tǒng)計(jì)報(bào)表： 庫(kù)存量統(tǒng)計(jì)報(bào)表、流量統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。

3.3.5安全登錄

采用分級(jí)用戶權(quán)限管理，不同的用戶具有不同的操作權(quán)限。

3.3.6工程師站的功能

在工程師站上安裝編程軟件，對(duì)PLC的硬件故障進(jìn)行診斷；在線監(jiān)控用戶程序，在線修改程序；監(jiān)控畫(huà)面修改，使其更加符合現(xiàn)場(chǎng)情況；常規(guī)維護(hù)： 包括點(diǎn)檢、預(yù)見(jiàn)性維修；其他如數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)等。

3.3.7Web服務(wù)器功能

在監(jiān)控層可以配置Web服務(wù)器的功能——給遠(yuǎn)程用戶提供系統(tǒng)監(jiān)視接口。

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)，實(shí)現(xiàn)了分布式數(shù)據(jù)采集、集中監(jiān)控管理控制，大幅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。系統(tǒng)是一個(gè)集成的、標(biāo)準(zhǔn)化的、易于擴(kuò)充的、易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體的、技術(shù)成熟的系統(tǒng)，具有開(kāi)放性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，支持OPC開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，支持TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，操作和工程技術(shù)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化，可靠性高。既具有先進(jìn)可靠的硬件和軟件系統(tǒng)，又有成熟、有效的高級(jí)應(yīng)用軟件，可滿足罐區(qū)的過(guò)程監(jiān)視、實(shí)時(shí)控制及生產(chǎn)管理等需要[4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多煉油企業(yè)已實(shí)施了企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(ERP)、原油選擇與分配系統(tǒng)、生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、高級(jí)計(jì)劃系統(tǒng)等信息化管理系統(tǒng)(CRM)。根據(jù)國(guó)際頂級(jí)石油公司的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)施油品調(diào)和與罐區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)，組分油被煉制出來(lái)之后，煉油廠還可獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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