罐區控制系統應用與實踐

張 沫

（武漢金中石化工程有限公司，湖北 荊門 448000）

0 引言

2017年荊門石化罐區液位及控制系統完善項目由本公司設計，按照中國石油化工股份有限公司罐區隱患排查治理攻堅戰要求，荊門石化業主對在用儲罐儀表進行了認真排查。發現罐區液位儀表大多采用鋼帶液位計，使用年限長（大多數是20世紀90年代投用的），故障多。多數罐沒有液位報警，有液位報警的誤報警也多；只有少數罐有溫度遠傳儀表。室內監控以盤裝二次表為主，個別采用PLC系統的，也已達到使用年限。荊門石化罐區儀表存在較大安全隱患，急需改造。本文只對該項目的控制系統改造部分進行論述。

1 浙江中控罐區控制系統在實際工程中的應用

1.1 G5系列在原油儲罐區的應用

荊門石化原油罐區共有在用儲罐15座，室內監控以盤裝二次表為主。原油罐區分布山溝中，非常分散，系統管線復雜、距離長。罐組距離原油操作室最遠的有500 m，電纜敷設難度大，而且系統管廊上沒有貫通的儀表槽盒可利用，老舊的系統管廊也沒有足夠的空間安裝較大的儀表槽盒。最終選擇根據地理位置分罐組布置現場防爆柜，柜內安裝G5控制系統。現場儀表電纜匯入現場防爆接線箱后，通過多芯電纜安裝了G5的防爆柜。示意圖如圖1所示。

圖1 G5系列電纜連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of G5 series cable connection

G5系列分為冗余型控制器GCU511-S及非冗余型控制器GCU512-S，原油罐區有聯鎖控制，因此本次選擇冗余型控制器GCU511-S。同時，系統配置冗余電源和網絡，大大提高了系統的可靠性[1]。G5系列為機架組裝模式，控制器、電源模塊、通訊模塊、I/O卡件與對應的基座配合使用，安裝于本地機架的槽位，配置靈活，安裝方便。在項目實施過程中，設計院提供I/O明細、配電需求、組態資料，由浙大中控系統集成廠家做好系統配置。系統廠家將交換機、電源、機架、端子、繼電器等集成好后，按需配置現場防爆柜。需要注意的是，防爆柜盡量預留一部分后期改造所需的空間，同時設計院要根據現場配線情況，提供準確的電氣接口規格和數量并為以后考慮預留量。原油罐區網絡示意圖如圖2所示。

圖2 原油罐區網絡示意圖Fig.2 Schematic diagram of crude oil tank farm network

通過圖2可以看到，各罐組之間系統槽盒只需要敷設冗余通訊光纜，大大降低了施工難度和電纜敷設量，節省了工程成本，對于罐組分散、系統槽盒空間有限的改造工程特別適用。在實施過程中，根據工程地點的不同，罐區控制系統還應做好接地、防雷工作[2]，本文就不具體展開討論了。

1.2 G3系列在潤滑油儲罐區的應用

荊門石化潤滑油罐區分為四罐區、五罐區、六罐區、八罐區共58臺儲罐，室內監控以盤裝二次表為主。其中，四罐區、五罐區、六罐區地理位置相對集中，八罐區距離四罐區、五罐區、六罐區約1000m。每臺潤滑油罐設置1臺音叉開關進行高液位報警；設置1臺雷達液位計進行遠程液位指示及高高液位報警、低液位報警、低低液位報警；設置1臺溫度變送器進行遠程溫度指示及溫度高報警，沒有聯鎖和控制回路。根據這些特點，選擇了分區域布置現場防爆柜，柜內安裝G3控制系統。現場儀表電纜匯入現場防爆接線箱后，通過多芯電纜安裝了G3的防爆柜。接線示意圖如圖1所示。

G3系列為一體化控制器結構，包含兩路以太網接口、若干個可插拔式端子、一組撥碼開關以及若干個指示燈。G3系列有4種配置，分別為GCU321、GCU322、GCU323、GCU324，區別是其集成的I/O點配置不同。本次潤滑油罐區I/O點主要為DI信號較多，所以選用了GCU323，其配置有十六通道DI點，8通道DO點，3通道通訊點。同時，配置1個分布式RTU模塊（E型），以滿足模擬量輸入信號的控制需求。G3系列一個控制分區內最多可帶31個分布式RTU模塊（E型）和64個分布式RTU模塊（R型）。通常一體化控制器所帶I/O點無法滿足項目要求時，通常通過帶分布式RTU模塊的形式來對系統進行擴展。在項目實施過程中，設計院和系統成套商的分工與G5系列相同。現場防爆柜由系統廠商成套，同樣需要注意防爆柜的空間、電氣接口配置的問題。潤滑油罐區網絡示意圖如圖3所示。

通過圖3可以看出，各系統之間僅需要敷設單根通訊光纜即可。

圖3 潤滑油罐區網絡示意圖Fig.3 Network diagram of lubricating oil tank farm

1.3 G3和G5系列的特點及區別

通過上述2個罐區不同系統的應用可以發現，G3和G5系列最大的區別在于其結構形式的不同，這樣可以讓其滿足不同的需求。G5系列在控制、聯鎖回路較多的場合更加可靠；G3系列在監控回路較多的場合用起來更加經濟、實惠。其結構圖分別如圖4所示。

圖4 G3和G5系列結構示意圖Fig.4 Structure diagram of G3 and G5 series

G3和G5系列的網絡拓撲規范都支持菊花鏈型、星型、環形。本次改造均采用了環形網絡結構，其好處是：其中一段網絡故障時，不影響到系統的正常工作。在遇到不同的情況時，可以根據需求選擇合適的網絡拓撲結構[2]。不同的是G3系列網絡做不到冗余配置。

2 EMERSON無線適配器在實際工程中的應用

2.1 EMERSON無線適配器的工作原理

智能無線THUM適配器可與兩線制或四線制HART設備通訊，采集現場儀表的HART信號[3]，轉為無線WirelessHART（IEC62591工業標準）信號傳輸。通過智能無線網關1420接受無線信號，并通過RS485通訊至控制系統。

無線WirelessHART（IEC62591工業標準）網絡可自組織、自適應網絡路徑選擇，設備自動尋找最佳通訊路徑。網絡會持續監控路徑性能是否下降，并自我修復，無需人工干預，支持星狀和網狀拓撲。

2.2 EMERSON無線適配器在石蠟罐區的應用

荊門石化九罐區和十罐區為石蠟裝置罐區，其布置相對集中，整體地勢比石蠟裝置高，與裝置僅一路之隔。石蠟裝置現有DCS控制系統，罐區儀表改造采用無線通訊網絡，雷達液位計配智能無線適配器THUM及智能無線網關1420進行數據傳輸和接收；智能無線網關1420輸出RS485信號至石蠟DCS系統；現場溫度變送器、音叉開關與智能無線適配器THUM通過無線Wireless HART傳輸信號。石蠟控制室內配1個罐區操作站，石蠟DCS新增1塊RS-485通訊卡，通訊卡與智能無線網關1420之間通過對絞通訊電纜連接。網絡示意圖如圖5所示。

圖5 石蠟罐區網絡示意圖Fig.5 Schematic diagram of paraffin tank farm network

溫度變送器、音叉開關均選用了羅斯蒙特無線變送器，電源為現場鋰電池供電。雷達液位計因為工況條件選用了高頻雷達，功耗較高，電源需另外提供。如果工況合適可用導波雷達液位計的場合，電源也可選擇鋰電池供電。根據功耗的不同鋰電池的使用周期一般在2年左右，儲存周期可達10年。這樣只需要敷設雷達液位計的電源電纜，大大減少了電纜的工程量。無疑在這種只有監視回路并且罐組相對集中，中間無遮擋的情況下，此方案可大大降低工程成本，且易于實施。

3 不同罐區控制系統的選擇

通過以上工程實例，在同一個項目中并沒有選擇同一類控制系統。因為每個罐區的實際情況各有不同，所以共選擇了3種控制系統。每種控制系統這里僅舉例了其中一個罐區來與大家分享，關于如何選擇合適的控制系統，大致可以從以下幾個方面來考慮：①罐區地理分布；②儲罐現場儀表類別；③生產對罐區的控制需求；④罐區現有自動化水平；⑤系統槽盒路由的實際情況；⑥投資成本的控制。

4 罐區控制系統的現狀和展望

罐區控制系統解決方案在實際工程中的應用還有很多，如傳統的DCS控制系統以及現場總線技術在罐區中的應用[3]。自動化行業本身就是一個技術更新速度較快的行業，新的技術能給大家提供更多的控制解決方案。希望隨著國內技術水平的提高，更多的技術能夠自主化，對于工程投資成本控制和后期維護是非常有利的。