工业控制论文基于现场总线罐区布式控制系统的开发与应用.pdf

解决方案 SOLUTION 40 CHINA INSTRUMENTATION 2010年 第9期 1 引言 近年来， 随着石化工业的快速发展， 石化企业的 罐区在作业、 经营、 管理的各个层面上都越来越明显 地表现出了经营品种增加、 交易密集、 进出油品/物料 频繁、 信息量大且错综复杂等特点。 因此， 很多罐区都 在进行以摆脱传统监控方式和作业方法为出发点， 建 立便捷、 先进、 可靠的监控系统为目的的自动化改造。 这就迫切需要一个适用于罐区综合管理的系统， 能够贯穿于整个生产过程， 针对不同的生产阶段、 不 同类型储罐， 以自动化的系统来实现对各类油品/物料 的装卸、 存储、 调配、 短途传输和安全监控， 同时还要 为各种油品/物料购销和纳税提供合法的计量依据。 2 罐区自动化工艺 2.1 罐区计量 储罐计量从第一次工业革命就有了需求， 最早的 水塔液位监视， 就是罐区计量的鼻祖。 随着自动化仪表 技术的发展， 储罐计量已经从比较传统的检尺法： 钢尺 目测， 逐步转变成了3种主要的方法： 静压法（HTG） 、 液位计法 （ATG） 和混合法 （HTMS） 。 虽然检尺法是全球通用的测量方法， 但是由于目 前储罐的体积和尺寸越来越大， 一方面检尺的精度偏 差会带来越来越巨大的财务损失， 另一方面检尺法操作 过程中的人员工作安全也越来越受到关注， 所以检尺 法的应用越来越少了 。 静压法（HTG）是利用压力传感器得到罐内产品 的静压力， 根据储罐的几何尺寸， 计算出容量和质量； 钟国庆 1 余耀敏2 石 莹2 （ 1 中控科技集团有限公司， 浙江 杭州 310053； 2 浙江中控技术股份有限公司， 浙江 杭州 310053） 摘 要：提出基于EPA现场总线罐区监控与管理的分布 式系统解决方案。 利用EPA现场总线和分布式 EDS-100控制系统， 构架罐区分布式控制系统 应用方案， 解决了罐区管理中安全性、 分布式 控制、 计量、 防爆等关键技术， 实现了 大型罐区 自动化、 信息化要求。 通过实际应用验证， 系 统功能先进， 可靠性高。 关键词：EPA 现场总线 罐区 计量 分布式控制系统 Abstract：The distributed system solution is proposed on the basis of EPA Fieldbus technology in tank farm monitoring and management. Then an example using EPA Fieldbus and ECS-100 distributed control system is explained how it can solve the core technilogical issues such as security, distributed control, measurement, anti-explosion in tank farm management in order to fully satisfy the automation and information requirements of a large tank farm.Through practical applications, the advanced system is proven to be highly reliable. Key words：EPA Fieldbus Tank farm Measurement DCS 基于EPA现场总线罐区 分布式控制系统的开发与应用 The Monitoring and Management of Tank Farm DCS Based on EPA Fieldbus SOLUTION 解决方案 41 中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION 2010年 第9期 液位计法（ATG）是通过测量储罐内产品的液位高度 及密度等参数， 来获得罐内产品的容量及质量； 混合法 （HTMS） 则是将静压法与高精度液位计法结合， 同时 通过测量储罐不同高度的产品温度， 通过相关补偿的 运算方法， 高精度地测算罐内产品的容量及质量。 2.2 生产管理 近年来罐区的储罐一方面表现出单罐容积越来越 大， 另一方面一个罐区内的产品类别也体现出种类繁 多， 不仅包括原油、 汽油、 柴油、 煤油等， 还会包含各 种化工物料等， 而这些产品每一种又有多种的规格和 类别， 就让罐区的管理变得异常复杂， 仅仅依靠人来 管理， 已经变得不可能。 因此， 罐区的生产管理要针对不同的生产阶段、 不同类型储罐， 实现对各类产品的装卸、 存储、 调配、 短途传输、 安全监控。 同时实现包括计量、 发售、 财务 入账、 票据证明开具全自动一站式流转， 并实现为各 种物料购销和纳税提供合 法的计量依据。 针对全厂运 营管理，提供装卸船作业 管理、汽车/火车装车作业 监控操作、 分货种仓储管 理、 消防安全实时监控、 人 员巡更记录管理、 人员出入 管理、边界安防管理、 视频 监视管理等， 实现各业务流 的过程。 针对运营维护， 提 供物料入库+库存+出库的 异常管理， 实现计量设备和 “跑、 冒、 滴、 漏”的日常智 能管理。 3 基于EPA现场总线罐 区分布式系统结构 3.1 EPA国际标准 2007年11月， EPA （Ethernet for Plant Automation） 实时以太网， 被IEC（国际电工委员会）接收为现场总 线国际标准， EPA是在自动化领域由我国完全拥有自主 知识产权的的第一个也是唯一的国际标准。 EPA被发 布为第14类型TYPE14现场总线国际标准 （IEC 61158- 3-14） ， 可适用于不同应用场合的现场总线国际标准之 一。 3.2 基于EPA的罐区管理的分布式控制系统 EDS （EPA Distributed System） 分布式控制系统 开创性的将EPA现场总线国际标准技术与罐区应用特 点相融合， 结合多年来在现场总线技术、 网络通讯技 术、 可靠性技术和环境适应性方面的技术积累， 传承 在罐区自动化领域应用项目的长期经验， 形成了贴近 用户需求和习惯的罐区自动化系统解决方案。 解决方 案可以应用在各种形式的罐区： 原油、 成品油、 液化石 油气（LPG）、 液化天然气（LNG）、 其它液体石化和 化工产品罐区。 提供了涵盖罐区 “全部”和集成化的全 自动化系统。 EDS控制系统在罐区自动化应用的拓扑结构如图 1所示， 系统以EPA工业以太网为核心通讯网络。 EDS系统是面向分散型数据采集（SCADA）和 控制为主的自动化监控区域。 可广泛用于石化行业的 油气传输、 罐区监控工程， 节能减排工程， 环境监测、 水处理工程， 能源计量管理工程以及新能源如风力发 电、 太阳能发电等领域。 OPC服务器工程师站 控制器（冗余）网桥（冗余） EPA 定量装车仪 静电防护、 溢油保护 泵、 阀、 液位 开关等信号 液位/温度等信号 压力 （HART） 液位 （数字） 温度 EPA 温度/压 力/液位 温度/压力/液位 EPA 温度 压力/液位 （HART） IP67防爆箱 信号处 理模块 信号处 理模块 图1 EDS控制系统罐区应用拓扑结构示意 解决方案 SOLUTION 42 CHINA INSTRUMENTATION 2010年 第9期 4 罐区自动化分布式测量与控制 基于EPA的罐区分布式测量与控制系统， 共包含3 部分3个层次内容： 分布式数据采集系统实现罐区现场 I/O信号的采集和控制； 罐区监控软件VFTIS实现罐区 数据的上位监视， 异常报警， 历史趋势， 罐容计算等； 罐区管理控软件TFSM操作记录， 油品移动记录、 罐区 操作流程调度、 多系统数据集成、 IE远程访问等。 根据罐区的防爆要求， 储罐区域现场安装的控制 信号测点必须具备防爆或者本质安全的要求， 在本方 案中采用的是隔爆的方式， 在信号测点就近安装防爆 箱体， 远分布式I/O信号处理模块装入防爆箱内， 实现 控制信号的连接。 对执行机构的控制， 因没有防爆和本质安全要 求， 可就近安置具有一定防护等级 （IP67） 的墙箱， 内 置分布式I/O模块， 实现本地控制。 罐区和执行机构的 控制， 通过数字总线的方式， 统一接入综合管理平台， 完成系统的互联互通。 罐区管理过程数据采集部分结构如图2所示。 生产管理 中控室 码头 罐组 装车台 消防泵房发油/料控制室 边界安防巡更视频监控尾气处理 图2 罐区管理过程数据采集系统结构 系统采用网络化布置， 每个储罐、 泵和阀门作为 网络上的一个节点。 根据系统的规模， 可将系统划分 为几个子网段， 以保证数据更新速度和控制相应时 间。 网络可自由的增加和去除节点， 日后的升级扩充， 可以很方便的实现。 各种与储罐参数相关的二次计算通过现场单元模 块完成， 上位机仅对参数进行人机交互， 和完成参数 数据的存储、 报表和高级分析。 现场单元模块可向控 制室提供如下的参数， 包括： 液位、 温度、 压力、 密度、 水位、 报警、 毛体积和静体积、 质量和流量等。 现场单 元模块具备扫描现场多个储罐信息的能力， 同时能够 完成对罐内物料的质量等的参数复杂运算功能。 现场单元模块暨分布式I/O信号处理模块就近设 置， 可大大缩减系统的安装和维护成本， 在信号处理 和通讯功能上， 使用的是通用技术， 可大大保护现有 投资， 在原有传统系统上做较为简单的升级和改造， 即可实现。 EDS系统中的分布式I/O信号处理模块， 采集 单个储罐信号和罐前信号， 采集和处理模拟量信号 （420m A）和开关量信号， 以及通过数字接口如 Modbus， DP， PA，HART， FF等现场总线通信， 和数 字通信接口如V1等。 这样罐体和罐前的液位计， 温度 计， 密度计， 电动阀， 流量计， 可燃气体报警器等设备 的信号就可以采集到1个或者多个这样的模块里面。 罐区属于一级防爆区域， 分布式I/O信号处理模 块可以方便的安装在防爆箱内， 每个罐旁放置模块的 防爆箱之间通过光纤连接在一起， 这样避免了桥架里 面走电缆， 解决了干扰， 雷击， 信号弱， 电缆传输费用 高等难题。 在I/O信号集中的地方比如泵房、 阀门站等 地设置机房放置控制站机柜， 通过系统采集这些信 号， 并且把罐区的数据通过光纤接入， 所有的信号进 入控制系统控制器模块进行运算。 单罐信号接入如图3所示： 现场的到测控数据， 通过VFTIS软件把显示出 来。 储罐区、 泵房、 码头等地点的实时信息反馈在电 脑显示器上面， 软件经过内部计算， 信号处理并且依 据国标库进行罐容计算， 跑、 漏、 串报警， 流动速度报 警， 静态罐， 动态罐报警等， 提高罐区的安全性。 测控数据监控软件VFTIS运行如图4所示。 5 应用案例 上海某仓储项目是一个罐区项目， 该项目起点高、 要求严格。 全厂的控制系统， 采用中控技术股份有限 公司的基于EPA的罐区管理分布式控制系统， 将相应 的防爆控制模块放置在现场， 实现充分的控制分散， （下转第61页） TECHNICAL EXPLORATION 技术探讨 61 中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION 2010年 第9期 管理集中， 并实现贸易结算、 开单、 罐区管理等功能。 罐区内已建罐和待建罐分布区域很广，测点分 散， 单个罐群内包含罐本身测点与消防测点。 本着局 部集中整体分散原则， 将分散测点按照不同罐群的分 布分成了几个控制站， 每个控制站中都包含罐模块的 安装柜和消防模块的安装柜。 单个控制站使用一个光 纤环网接入口， 整个罐区用光纤现场控制环网连接。 整个罐区由1个控制中心作为总控室， 在公路/铁 路发油现场和总控室都可以通过分布式系统来操作 控制发油和储罐区域的任何设备。 通过基于EPA总线的罐区控制系统把罐区各种现 场设备信号接入总控室， 集中监控。罐区管理TIS软 件实时计算罐的状态和容量， 预报可能发生的任何报 警。 系统集成软件硬件把消防和配电等子系统也集成 到总控室监控。 实现了自动化， 集成化的罐区系统。 实际应用验证， 基于工业以太网的EPA现场总线 控制系统， 通过灵活形网络架构和多样的信号输入输 出配置功能， 以及可靠性高和扩展功能灵活易用， 给用 户带来全新的贴近用户应用需求的罐区自动化系统， 大大提高了系统的可用性。 在使用过程中， 日常维护 和管理变得非常简单， 从而通过自动化技术为用户带 来了高效、 稳定、 可靠、 安全和高附加值的盈利平台。 参考文献 1 SH/T 3007-1999 石油化工储运系统罐区设计规范. 2 GB 3836.1-2000 爆炸性气体环境用电气设备. 3 褚健,金建祥.用于测量与控制数字数据通信用 于工业控制系统的EPA规范.北京:国家标准委员 会,2004. 4 冯冬芹,黄文君.工业通信网络与系统集成.科学出版 社,2005:182. 6 马秀让