石油化工罐區自動化系統的設計及應用

王笑

(中石化第十建設有限公司，山東 淄博 255438)

隨著石油化工企業的發展和國家原油戰略儲備庫項目的實施，大型石化企業均建有大量的各種儲罐。儲罐是企業生產、儲存、運輸過程中的重要環節，具有占地面積廣、布置密集和儲存量大等顯著特點。因其儲存的物質大多具有易燃、易爆、有毒等特性，將其劃為高危險性的操作單元。由于罐內儲存的介質都具有較高的揮發性，一旦發生泄漏事故，揮發出的油氣隨風可彌散數千米的區域，如遇明火或高溫物體，就有可能引發火災或爆炸事故。因此，儲油罐區一般是油庫內的高危險區域[1]，罐區自動化監控顯得十分重要。

1 罐區計量概況

20世紀90年代之前，大多數煉油企業采用“人工檢尺”的方法進行計量，油罐測量始于人工檢尺，這種方法目前仍廣泛使用，并且作為校驗其他液位計性能的工具之一[2]。

20世紀90年代開始，逐漸采用現場儀表和儀表盤對油罐進行監控和計量?，F場檢測儀表主要包括以下幾類：

1) 浮子鋼帶液位計(包括光導電子式)。該機械式測量儀表的典型精度是10 mm，由于滑輪、盤簧機構與機械計數器之間存在摩擦力，其可靠性較差。

2) 伺服式液位計。該液位計在浮子驅動式液位計的基礎上有了較大改進，由精巧的浮子取代以前大而重的浮子，由電動伺服馬達取代盤簧機構來升降浮子。該液位計不僅可以測量液位，也可測量油水界位。

3) 雷達液位計。利用雷達波測量油罐液位，是一項新技術，雷達液位計無可動部件，只需將天線伸進罐中，故維護費用低。

4) 靜壓式液位測量。靜壓測量法(HTG)內置微處理器件可以對溫度影響和系統偏差給予補償，HTG系統的一個優越性是可以對油罐進行連續質量測量。

5) 混合式計量管理系統。該計量管理系統結合現代化油罐液位測量技術與HTG，可以提供一個全液位范圍的平均密度測量值，進而測算質量。通過測量溫度計算在參考溫度下的標準體積和密度。伺服或雷達液位計可以直接與智能變送器通信，成為一個非常完善的計量系統，提供液位、油水界位、體積、質量、平均密度、平均溫度、蒸汽溫度等參數[3]。

20世紀90年代中后期至今，罐區自動監控系統基于PLC，DCS，現場總線和各種測量儀表實現對閥門、泵的自動控制，同時自動收發系統也逐步實現。當前，利用信息化技術和網絡技術將罐區中各個設備集成到一個網絡中實現罐(庫)區管理和控制功能，這是罐區自動化發展的必然趨勢。

目前，國內仍有部分儲罐停留在人工抄數的水平，加之各種設備及儲罐已運行近幾十年，設備逐漸老化，安全事故頻現。另外中國在該領域的發展相對國外還有很大差距，普遍存在產品性能指標低、儀表可靠性低、企業技術力量及裝備差等問題。因此，對于這些運行時間長的儲罐系統的更新改造迫在眉睫，應用先進的儲罐自動化先進技術和設備，提高國內罐區生產技術及安全管理水平，努力營造低碳環保安全高效的生產環境。

2 罐區自動化系統的整體功能層次結構

罐區自動化系統屬于信息化管理系統，按功能可將其整體分為兩層，即： 監控層和管理層。工業以太網將監控層和管理層聯系起來，結構如圖1所示。

圖1 罐區自動化系統功能結構示意

2.1 監控層

監控層按功能可分為生產調度監控系統和安全監控系統。

2.1.1生產調度監控系統

生產調度監控系統主要由儲罐數據實時在線監控系統、儲罐計量系統、定量收付系統以及現場儀表組成。儲罐數據實時在線監控系統根據生產需要對儲罐的液位、壓力、溫度、進出流量、閥門開關以及各種泵進行監控。儲罐計量系統對涉及進出廠的儲罐進行監控，并記錄儲罐的液位(儲量)變化，確認收付量。定量收付系統涉及進出廠的貿易交接，與進出廠的其他系統關聯，例如進出廠質量流量計、進出廠批次計量數據實時比對，當比對數據超出設定的誤差范圍時自動報警。

2.1.2罐區安全監控系統

罐區安全監控系統由消防監控系統、視頻監控系統、巡檢系統、一卡通系統以及現場儀表組成。消防監控系統主要由現場可燃有毒氣體檢測探頭、消防手動報警按鈕、感溫感煙探頭、現場聲光報警器、各種消防炮以及消防噴淋等設備，消防監控主機和監控計算機等組成。視頻監控系統主要實現罐區現場視頻實時傳輸，火災、消防聯動視頻自動切換等功能。巡檢系統是對罐區主要設備進行人工巡檢維護的系統。主要由點檢手持設備以及現場各重要設備旁邊安裝的點檢點等組成。一卡通系統主要實現操作人員進入現場作業時的門禁系統，只有符合權限的人員才能進入相應的區域進行作業。

2.2 管理層

管理層是通過工業以太網與罐區監控層連接起來的上層管理系統。主要包括MES罐區接口、企業門戶平臺罐區接口、關系型數據庫罐區接口以及防火墻及數據備份等系統。管理層實際還包含Internet相關的應用，主要包括客戶查詢、海關接入以及異地終端等系統。由于管理層的應用比較廣泛，相應的各種系統已經比較成熟，因而本文不再贅述。

3 罐區自動化系統的基本功能

3.1 罐區自動化系統組成

典型的罐區自動化組成主要包括四部分： 現場儀表、PLC系統、網絡系統、上位監控系統?，F場儀表主要由儲罐的各種液位、溫度、壓力等現場儀表組成。以下主要介紹PLC系統、網絡系統及上位監控系統。罐區自動化系統的結構如圖2所示。

圖2 系統功能分層結構示意

PLC系統主要由CPU(主控制器)、I/O站、網絡等組成[4]，現場I/O站可以集中安裝在機柜室內或安裝在罐區現場。

3.2 罐區平衡

罐區平衡是企業物料平衡的重要組成部分，從物流的角度反映生產裝置運行狀態，為調度安排生產提供儲運系統支持，同時能夠充分利用有限儲罐，滿足因提高加工量對庫存空間的需求，包括： 單罐、罐區、全廠罐區平衡。罐區平衡目標： 確認移動罐量與裝置的原料、產品收付量一致；確認半成品罐調和、倒油記錄一致；確認產品出廠量和庫存量對應；確認產品的交庫量和庫存量；確認各產品的盈虧量。

3.3 監控功能概述

流程圖工藝參數實時顯示和記錄功能。液位、溫度、壓力、體積、質量、運行狀態等儲罐信息顯示，油泵工作狀態顯示，電控閥門狀態顯示，可燃氣體/毒性氣體體積分數顯示，管網運行狀態顯示。

實時控制功能。包括所有電控閥門、油泵遠程電動控制，泵運行狀態設定等。

報警功能。包括儲罐高低液位開關報警功能、溫度報警、油泵壓力報警、罐區可燃氣體報警、電控閥門過扭力報警等。

趨勢和記錄功能。包括所有實時參數的實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線；報警記錄和操作記錄，所有的記錄均能提供分類查詢。

統計和管理功能。實時提供儲罐當前介質的體積和質量計算，并可對特定時間段進出的油品數據以及庫存數量進行統計，歸檔歷史數據并形成各種類型統計[5]。

3.3.1過程畫面顯示

儲罐的液位、溫度、壓力等參數值以及相應實時和歷史趨勢；單個儲罐的狀態——靜狀態、動狀態；工藝管道的閥門狀態，流體流向等；機泵的狀態等。

3.3.2遠程操作

具有授權的操作人員對電控閥門和機泵進行遠程操作。根據要求實現高級控制功能，如自動調和油品、油品輸送流程選擇控制等。

3.3.3過程事件報警顯示功能

所有檢測點，如液位、溫度、壓力等越限報警功能；過程事件的顯示功能，如機泵、閥門的動作記錄；可燃氣體報警儀等保護措施報警顯示；系統軟硬件診斷報警顯示，如CPU故障信息、I/O模塊故障以及儀表故障等。

3.3.4報表功能

基于罐區的主要參數的班報/日報/月報；統計報表： 庫存量統計報表、流量統計報表等。

3.3.5安全登錄

采用分級用戶權限管理，不同的用戶具有不同的操作權限。

3.3.6工程師站的功能

在工程師站上安裝編程軟件，對PLC的硬件故障進行診斷；在線監控用戶程序，在線修改程序；監控畫面修改，使其更加符合現場情況；常規維護： 包括點檢、預見性維修；其他如數據庫維護等。

3.3.7Web服務器功能

在監控層可以配置Web服務器的功能——給遠程用戶提供系統監視接口。

4 結束語

該系統的設計符合現場總線控制系統(FCS)，實現了分布式數據采集、集中監控管理控制，大幅提高了系統的穩定性、可靠性。系統是一個集成的、標準化的、易于擴充的、易于與工業控制系統形成一個整體的、技術成熟的系統，具有開放性網絡結構，支持OPC開放標準，支持TCP/IP協議標準，操作和工程技術環境標準化，可靠性高。既具有先進可靠的硬件和軟件系統，又有成熟、有效的高級應用軟件，可滿足罐區的過程監視、實時控制及生產管理等需要[4]。

近年來，國內許多煉油企業已實施了企業資源計劃系統(ERP)、原油選擇與分配系統、生產制造執行系統(MES)、高級計劃系統等信息化管理系統(CRM)。根據國際頂級石油公司的經驗，通過實施油品調和與罐區自動化系統，組分油被煉制出來之后，煉油廠還可獲得顯著的經濟效益。

參考文獻：

[1] 孟凡華.基于光纖傳感的油品罐區監控系統的研究[D].武漢： 武漢理工大學，2006.

[2] 肖素琴.油品計量員讀本[M].2版.北京： 中國石化出版社.2007.

[3] 劉篤仁，韓保君.傳感器原理及應用技術[M].北京： 機械工業出版社，2003.

[4] 何小陽.計算機監控原理及技術[M].重慶： 重慶大學出版社，2003.

[5] 傅偉慶，武銅柱，許莉.大型浮頂油罐技術發展[J].化工設備與管道，2013，50(04)： 1-5.

[6] 馮翠翠，任軍芳，賈聰穎.雷達液位計在某油庫的應用與故障解決方式[J].化工自動化及儀表，2012，39(06)： 802-804.

[7] 秦瑞昌.儲油罐的自振特性與抗震性能分析[J].化工設備與管道，2013，50(04)： 36-40.