1、石油化工儀表與控制系統(tǒng)的應用解懷仁 中國石油和石化工程研究會電子儀表部 高級工程師2006年03月22日 隨著計算機技術迅速發(fā)展，石油化工儀表自控系統(tǒng)也逐漸向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、模型化，智能化方向發(fā)展。石化企業(yè)在發(fā)展現(xiàn)有信息系統(tǒng)的基礎上，不斷深化企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)，加強安全控制系統(tǒng)的應用，提高企業(yè)基礎自動化和先進控制水平，以增強企業(yè)的市場競爭力。一. 新型自動檢測與分析儀的應用 國內(nèi)外儀表系統(tǒng)向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化、微型化的發(fā)展，使石化企業(yè)提高了自動檢測儀表的應用水平。 為適應現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)要求，現(xiàn)場總線型變送器獲得了迅速發(fā)展。此變送器是全數(shù)字式，結構簡單，分辨力和穩(wěn)定性都高于一般智能型變送器

2、。由于現(xiàn)場總線數(shù)字儀表產(chǎn)品日趨完善，并具有可靠性高、可互操作性（即可將不同品牌產(chǎn)品集成組態(tài)）等特點，在石化過程控制領域將會得到更多應用。 國內(nèi)外商業(yè)貿(mào)易的發(fā)展，要求提高商品交割計量精確度,石化出廠計量應用的質量流量計精確度為0.1%或更高。 石化企業(yè)為加強產(chǎn)品質量管理,也促進了在線分析儀表的應用。它會直接影響到石化企業(yè)產(chǎn)品質量及先進控制應用的水平，因此得到了石化系統(tǒng)的積極推廣,主要包括在線油品質量分析儀,在線氣相或液相色譜儀及其他物理特性分析儀等。 最新的在線多路近紅外（NIR）光譜分析儀已應用于石化企業(yè)煉油調(diào)合系統(tǒng)并取得較好效果。新一代實驗室低成本汽油質量指標快速測定儀已成功應用于中石化杭州

3、煉油廠等單位，受到了用戶的好評。軟測量技術發(fā)展也很快,主要用于解決石化企業(yè)部分分析檢測難題。 由于環(huán)境保護要求越來越高,環(huán)保儀表應用也增多，如在線煙氣分析、綜合水質分析儀、在線COD分析儀、DO分析儀及PH分析儀等。 目前石化企業(yè)在線分析儀表的需求很大，國產(chǎn)在線分析儀表與國外產(chǎn)品相比,存在一定差距?，F(xiàn)在應用的大多數(shù)在線分析儀表是進口產(chǎn)品。 石化對工廠維護工作越來越重視，特別是對預測維護保養(yǎng)問題更感興趣。有些公司要求提供在線聯(lián)機和實時傳感系統(tǒng)，用于監(jiān)控熱交換器和加熱爐的效率，振動和腐蝕及評估“健康“狀況的指示器。采用具有診斷和 預測維護保養(yǎng)能力的儀表與系統(tǒng)，可使現(xiàn)有設備的生產(chǎn)潛力增長1%3%，同

4、時非計劃的維護保養(yǎng)費用可降低10%30%。二 .DCS與FCS應用水平有很大提高 據(jù)不完全統(tǒng)計，我國石化、石油和化工系統(tǒng)共使用了近3000多套DCS，石化用的DCS約占近50%；由于計算機技術迅速發(fā)展，國內(nèi)外出現(xiàn)了新一代DCS，其主要特點是采用開放性系統(tǒng)、容錯的工業(yè)以太網(wǎng)和OPC等技術,從而解決了不同生產(chǎn)廠家DCS的互聯(lián)，并可組成大規(guī)模的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。據(jù)國外ARC公司最新調(diào)研的結果：全球 DCS市場年增長率為6%。1新一代DCS系統(tǒng) 其主要特點如下: a.開放的網(wǎng)絡結構 采用Windows NT標準操作系統(tǒng)，支持DDE/OPC。既可直接使用PC機通用的MS-Excel，Visual Basic

5、編制報表，也可同在UNIX上運行的大型Oracle數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交換。此外，還可提供系統(tǒng)接口和網(wǎng)絡接口用于與不同廠家產(chǎn)品管理系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)和安全管理系統(tǒng)進行通信。 b.高可靠性 控制站采用多CPU冗余容錯技術，可實現(xiàn)在任何故障及隨機錯誤產(chǎn)生的情況下連續(xù)不間斷控制；機柜采用微正壓結構設計；I/O模件采用表面封裝技術，具有1500VAC/分抗沖擊性能。 c. 控制網(wǎng)絡是容錯以太網(wǎng) 容錯以太網(wǎng)特點是：在容錯以太網(wǎng)節(jié)點間有4個通信路徑、允許有1個通信路徑故障、快速（1秒）檢測和恢復時間、可在線增加和減少節(jié)點、對應用PC機完全透明、允許正常以太網(wǎng)結點接入、完全分布式結構沒有主結點、快速100Mbps

6、性能、傳輸介質為同軸電纜或光纖。 d.可擴展性 具有構造大型實時過程信息網(wǎng)的拓撲結構，可構成多工段，多集控單元，全廠綜合管理與控制綜合信息自動化系統(tǒng)。 石化企業(yè)的常減壓、催化裂化、加氫裂化等煉油生產(chǎn)裝置及乙烯裝置均采用了DCS控制系統(tǒng)。全廠各生產(chǎn)裝置的監(jiān)視、控制與操作都集中在一個中心控制室內(nèi)。 油品儲運系統(tǒng)是煉油廠生產(chǎn)過程中最后一道工序，煉油裝置生產(chǎn)的成品及半成品油品經(jīng)調(diào)合，最后要出廠。為加強管理和控制，石化企業(yè)的油品貯運系統(tǒng)也采用了DCS控制系統(tǒng)。 石化企業(yè)的主要生產(chǎn)裝置已采用DCS，新建裝置采用了新一代DCS。有些石化企業(yè)其DCS的功能并未得到充分的利用，因此，很有必要進一步提高DCS應用

7、水平，積極開展DCS先進控制的應用，以充分發(fā)揮DCS的作用，取得更大的經(jīng)濟效益。 國產(chǎn)新一代DCS發(fā)展也很快，并配備了適合石化生產(chǎn)用的軟件， 國產(chǎn)DCS的功能會不斷增強，其可靠性也會進一步提高，將會在石化企業(yè)中得到更多應用。2.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）具有開放性、全數(shù)字化和互操作性的特點，已成為新型工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展方向之一。隨著FCS技術完善和國際標準統(tǒng)一,其應用將日益增加，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應用有很大進展，石化系統(tǒng)已有近百家企業(yè)用FCS來控制生產(chǎn)裝置或罐區(qū)系統(tǒng)等。FCS主要特點如下：a.開放式系統(tǒng) 現(xiàn)場總線工作站同時掛在現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)兩層網(wǎng)絡 ,通過后者可與其他計算機系

8、統(tǒng)或網(wǎng)絡進行高速信息交換 ,以實現(xiàn)資源共享。另外 ,現(xiàn)場總線的技術標準是對所有制造商和用戶公開的，可實現(xiàn)技術共享。b.全數(shù)字化通信 FCS智能型現(xiàn)場儀表傳感器及其/轉換器其數(shù)字信號在傳送出儀表之前可得到補償 ,因此，提高了系統(tǒng)的測量和控制精確度。由于采用雙向數(shù)字通信 ,不僅系統(tǒng)的可靠性高 ,而且系統(tǒng)組態(tài)和調(diào)試也很方便。c.可互操作性 現(xiàn)場總線智能儀表按統(tǒng)一的技術標準 ,不同廠家的產(chǎn)品 ,只要遵守相同的現(xiàn)場總線標準就可互連互換 ,統(tǒng)一組態(tài) ,即插即用 ,以方便設備更新或系統(tǒng)擴展。d.控制分散度高 現(xiàn)場總線智能儀表除具有基本功能外 ,還有控制和運算等功能 ,可實現(xiàn)徹底分散控制。每條總線連接多臺現(xiàn)場

9、儀表 ,可節(jié)省電纜 ,大幅度節(jié)省了用于系統(tǒng)安裝、調(diào)試和維修的費用。 石化系統(tǒng)的大型項目也有采用FCS進行生產(chǎn)過程控制， 如賽科90萬噸乙烯裂解裝置的FCS是國內(nèi)外最大的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括47，000個控制回路、40，000臺儀表和與世界最大基金會現(xiàn)場總線設備聯(lián)網(wǎng)的13,000臺智能設備（10套自動化控制系統(tǒng)），這10套裝置由一個中心控制室進行高度集中控制?，F(xiàn)場總線的PID控制功能在閥門控制器實現(xiàn)，實現(xiàn)集散控制,提高了可靠性，極大降低了自動控制系統(tǒng)和現(xiàn)場控制設備間數(shù)據(jù)通信負載，增強了系統(tǒng)可靠性。 石化企業(yè)主要控制系統(tǒng)的自控率可達98%，據(jù)統(tǒng)計，用DCS與FCS控制取得的經(jīng)濟效益可占整體效益

10、的60%，投資回收期平均為1-2年。 現(xiàn)場總線FCS的國際標準趨于統(tǒng)一，技術性能提高，可靠性提高，因而市場占有率將大幅度提高。但因FCS尚無統(tǒng)一的國際標準，配套的儀表產(chǎn)品有待進一步完善。而DCS發(fā)展很快，完備的功能和廣泛的應用而占據(jù)不可替代的地位，預計今后很長一段時間,DCS與FCS將共存和互補。 另外， 監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）在國內(nèi)外已得到廣泛的應用，取得了明顯的經(jīng)濟效益。石化輸油管道控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系也應用了SCADA。SCADA主要由遠程終端設備（RTU）、主站計算機（包括硬件和軟件）、操作人員數(shù)據(jù)顯示和控制盤及有關的外圍設備等部分組成。該系統(tǒng)是一個分級控制系統(tǒng)。這一系統(tǒng)將儀

11、表、計量，大罐檢測及各類控制閥門通過RTU就地控制結合在一起，另外還包括在主站計算機與公司總部的數(shù)據(jù)處理計算機之間建立接口及配有應用軟件。三，企業(yè)綜合自動化發(fā)展較快 隨著信息技術和控制技術的發(fā)展，有些石化企業(yè)已建立了綜合自動化系統(tǒng)，并取得了較為明顯的效果。因此，今后將進一步推廣企業(yè)的綜合自動化系統(tǒng)，提高經(jīng)濟效益。 企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)是采取ERP/MES/PCS三層結構系統(tǒng),過程控制層（PCS）,制造執(zhí)行層(MES), 經(jīng)營管理層(ERP) 集成的現(xiàn)代化系統(tǒng)，可對生產(chǎn)經(jīng)營進行科學地分析、評價和預測，對生產(chǎn)計劃和經(jīng)營策略及時進行調(diào)整，以適應多變的市場要求。 ERP是一種現(xiàn)代企業(yè)先進管理方法，采用企

12、業(yè)資源計劃(ERP)系統(tǒng)，將使企業(yè)獲得最大的經(jīng)濟效益。2002年至2005年，石化系統(tǒng)經(jīng)試點，現(xiàn)已有20多家公司的ERP系統(tǒng)投入運行。正在全面推廣的ERP系統(tǒng)，實施面約占60%以上。 MES是企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)，在ERP/MES/PCS整個系統(tǒng)中起到承上啟下的作用。MES主要完成生產(chǎn)計劃的調(diào)度與統(tǒng)計、生產(chǎn)過程成本控制、產(chǎn)品質量控制與管理、物流控制與管理、設備安全控制與管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與處理等功能。MES將生產(chǎn)過程控制、生產(chǎn)過程管理和經(jīng)營管理活動中產(chǎn)生的諸多信息進行轉換、加工、傳遞，是生產(chǎn)過程控制與管理信息集成的重要橋梁。 石化企業(yè)積極開展MES技術的應用，并推廣實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、物料

13、平衡系統(tǒng)、煉油生產(chǎn)動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)、實驗室管理信息系統(tǒng)等，為企業(yè)ERP建設打下良好的數(shù)據(jù)基礎；制造執(zhí)行層MES的優(yōu)化管理和控制，為企業(yè)增效節(jié)能、降低成本,取得了良好經(jīng)濟效益。 近年來，石化企業(yè)在推廣應用ERP的基礎上，積極開展MES、先進控制、供應鏈技術等信息系統(tǒng)應用工作。使石化企業(yè)管控一體化系統(tǒng)快速發(fā)展，提升了石化企業(yè)的競爭力、增強了市場應變能力和提高了經(jīng)濟效益。四，先進控制及優(yōu)化的應用 先進控制技術用來處理常規(guī)PID控制效果不好，甚至無法控制復雜工業(yè)過程控制的問題。通過實施先進控制，可達到增強裝置運行穩(wěn)定性和安全性、提高產(chǎn)品質量和收率、增加裝置處理量、降低運行成本、帶來顯著經(jīng)濟效益。 目前一些

14、先進控制技術已比較成熟，其中應用比較成功的是魯棒PID控制和多變量預測控制技術。在多變量預測控制方面的先進控制軟件產(chǎn)品，國外的有美國Honeywell公司的RMPCT、美國Aspen Tech公司的DMC Plus等，國內(nèi)的有APC-HIECON（浙大中控）、SMART（清華大學）等多家軟件。至今石化企業(yè)中已有幾十套裝置應用了先進控制，并取得了顯著的經(jīng)濟效益。 在石化企業(yè)推廣先進控制軟件，主要生產(chǎn)裝置已投入使用。 石化系統(tǒng)齊魯石化公司煉油廠、大慶石油化工總廠、燕山石化公司引進Honeywell公司RMPCT先進控制軟件用于常減壓裝置成功； 蘭煉常減壓裝置也應用了先進控制。齊魯石化公司煉油廠還引

15、進了美國Setpoint公司的多變量預測控制技術(IDCOM-M) 并成功用于催化裂化裝置。大慶石油化工總廠、 蘭州煉油化工總廠、前郭煉油廠、撫順石化公司煉油一廠、燕山石化公司、烏魯木齊石化總廠、荊門石化總廠等企業(yè)也從國外引進先進控制系統(tǒng)并合作開發(fā)應用于催化裂化裝置，均取得了較好的經(jīng)濟效益。 廣州石油化工總廠連續(xù)重整裝置，采用美國Setpoint公司的多變量預估軟件SMCA；金陵石化公司煉油廠連續(xù)重整和抽提裝置，采用Honeywell公司的魯棒多變量預估控制器RMPCT；鎮(zhèn)海煉化股份有限公司煉油廠連續(xù)重整裝置，采用美國Aspen公司DMCplus先進控制軟件。揚子石化公司、上海石化、齊魯石化公

16、司、燕山石化公司等在聚丙烯裝置實施先進控制技術，都獲得了明顯經(jīng)濟效益。 國內(nèi)開發(fā)的催化裂化裝置先進控制系統(tǒng)，已用于福建煉油廠、洛陽石油化工總廠 、茂名石化公司煉油廠；國內(nèi)開發(fā)的多變量約束控制軟件包MCC，是一個處理約束的多變量、多目標、多控制模式和模型預測的最優(yōu)控制器，已成功應用于石家莊煉化公司催化裂化裝置，取得了較為明顯的經(jīng)濟效益；五，安全控制系統(tǒng)的應用 由于現(xiàn)代化石化企業(yè)裝置規(guī)模大、工藝過程復雜、易燃、易爆，對設備的安全性、可靠性和有效性的要求比較高。安全控制技術對石化企業(yè)的生產(chǎn)是至關重要的，緊急停車系統(tǒng)ESD 在避免工業(yè)災難、減少工業(yè)事故損失方面起到了積極和重要的作用。1，緊急停車系統(tǒng)(

17、ESD) 為適應這種要求，緊急停車系統(tǒng)(ESD)和壓縮機組綜合控制系統(tǒng)(ITCC)相繼誕生。90年代國外一些大公司推出三重化(TMR)、冗錯功能的系統(tǒng)。如美國Woodward公司的Micro Net TMR系統(tǒng)、Triconex公司的Tricon系統(tǒng)、Honeywell公司的FSC系統(tǒng)、英國ICS Triplex公司的Regent系統(tǒng)Trusted系統(tǒng)等。有些公司總結多年對壓縮機的控制經(jīng)驗開發(fā)了應用軟件，提高了壓縮機組的控制應用水平。 現(xiàn)以TRICONEX公司TRICON為例，說明其ESD主要特點如下： a.TRICON系統(tǒng)有三個主處理器，每一個主處理器的CPU 32位、50MHZ，32M R

18、AM。其32 位浮點協(xié)處理器的使用得到了TUV 6級的安全認證。b.系統(tǒng)中所有的I/O信號都要經(jīng)過硬件的三取二表決。數(shù)字量輸入信號在DI模件中被分成隔離的三路，通過三個獨立的通道分別被送到三個主處理器中進行三取二表決；同樣,模擬量輸入信號在AI模件中被分成隔離的三路，通過AI模塊上每一個分電路的模數(shù)轉換器把模擬量轉換成12位的數(shù)字量，用32位的協(xié)處理器進行處理，每個主處理器采用選取中間值的算法讀取正確值，并糾正任何分電路中的偏差，主處理器輸出的模擬量信號在AO模塊中的模擬輸出選擇器中進行選擇，以確保輸出信號的準確。c. DI、DO 模件均采用光電隔離方式。AI 模擬量輸入卡件每個通道都A/D轉

19、換器（12位），精確度高達0.15%。TRISTATION 1131有支持TRICON過程控制和火災&可燃氣功能塊圖庫，這些功能塊包括：模擬輸入、指數(shù)濾波、PID、超前滯后、積分、中值選擇、模擬輸出、氣體檢測器、在線監(jiān)視、打印及其它TRICON特殊的功能塊，如防喘振控制模塊、調(diào)速控制模塊等。d.TRISTATION 1131提供的用戶編程語言：功能塊圖（FBD）、梯形圖（LD）、結構性文本（ST）。e.TRICON 系統(tǒng)具有容錯控制能力?？刂葡到y(tǒng)可以識別控制系統(tǒng)元件的故障，自動把故障的元件加以排除，并允許在繼續(xù)完成指定任務的同時，對故障元件進行在線修復而不中斷過程的操作。TRICON系統(tǒng)這種高級別的系統(tǒng)容錯功能極大地提高了系統(tǒng)及工藝過程的安全性和可用性。f. TRICON系統(tǒng)具有靈活可變的規(guī)模，系