罐區(qū)控制系統(tǒng)應(yīng)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(qū)液位及控制系統(tǒng)完善項目由本公司設(shè)計，按照中國石油化工股份有限公司罐區(qū)隱患排查治理攻堅戰(zhàn)要求，荊門石化業(yè)主對在用儲罐儀表進行了認真排查。發(fā)現(xiàn)罐區(qū)液位儀表大多采用鋼帶液位計，使用年限長（大多數(shù)是20世紀90年代投用的），故障多。多數(shù)罐沒有液位報警，有液位報警的誤報警也多；只有少數(shù)罐有溫度遠傳儀表。室內(nèi)監(jiān)控以盤裝二次表為主，個別采用PLC系統(tǒng)的，也已達到使用年限。荊門石化罐區(qū)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(tǒng)改造部分進行論述。

1 浙江中控罐區(qū)控制系統(tǒng)在實際工程中的應(yīng)用

1.1 G5系列在原油儲罐區(qū)的應(yīng)用

荊門石化原油罐區(qū)共有在用儲罐15座，室內(nèi)監(jiān)控以盤裝二次表為主。原油罐區(qū)分布山溝中，非常分散，系統(tǒng)管線復(fù)雜、距離長。罐組距離原油操作室最遠的有500 m，電纜敷設(shè)難度大，而且系統(tǒng)管廊上沒有貫通的儀表槽盒可利用，老舊的系統(tǒng)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(jù)地理位置分罐組布置現(xiàn)場防爆柜，柜內(nèi)安裝G5控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場儀表電纜匯入現(xiàn)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(qū)有聯(lián)鎖控制，因此本次選擇冗余型控制器GCU511-S。同時，系統(tǒng)配置冗余電源和網(wǎng)絡(luò)，大大提高了系統(tǒng)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(yīng)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(shè)計院提供I/O明細、配電需求、組態(tài)資料，由浙大中控系統(tǒng)集成廠家做好系統(tǒng)配置。系統(tǒng)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(xiàn)場防爆柜。需要注意的是，防爆柜盡量預(yù)留一部分后期改造所需的空間，同時設(shè)計院要根據(jù)現(xiàn)場配線情況，提供準確的電氣接口規(guī)格和數(shù)量并為以后考慮預(yù)留量。原油罐區(qū)網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖2所示。

圖2 原油罐區(qū)網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)槽盒只需要敷設(shè)冗余通訊光纜，大大降低了施工難度和電纜敷設(shè)量，節(jié)省了工程成本，對于罐組分散、系統(tǒng)槽盒空間有限的改造工程特別適用。在實施過程中，根據(jù)工程地點的不同，罐區(qū)控制系統(tǒng)還應(yīng)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(qū)的應(yīng)用

荊門石化潤滑油罐區(qū)分為四罐區(qū)、五罐區(qū)、六罐區(qū)、八罐區(qū)共58臺儲罐，室內(nèi)監(jiān)控以盤裝二次表為主。其中，四罐區(qū)、五罐區(qū)、六罐區(qū)地理位置相對集中，八罐區(qū)距離四罐區(qū)、五罐區(qū)、六罐區(qū)約1000m。每臺潤滑油罐設(shè)置1臺音叉開關(guān)進行高液位報警；設(shè)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(shè)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(lián)鎖和控制回路。根據(jù)這些特點，選擇了分區(qū)域布置現(xiàn)場防爆柜，柜內(nèi)安裝G3控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場儀表電纜匯入現(xiàn)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(jié)構(gòu)，包含兩路以太網(wǎng)接口、若干個可插拔式端子、一組撥碼開關(guān)以及若干個指示燈。G3系列有4種配置，分別為GCU321、GCU322、GCU323、GCU324，區(qū)別是其集成的I/O點配置不同。本次潤滑油罐區(qū)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(qū)內(nèi)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(tǒng)進行擴展。在項目實施過程中，設(shè)計院和系統(tǒng)成套商的分工與G5系列相同?，F(xiàn)場防爆柜由系統(tǒng)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(qū)網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖3所示。

通過圖3可以看出，各系統(tǒng)之間僅需要敷設(shè)單根通訊光纜即可。

圖3 潤滑油罐區(qū)網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.3 Network diagram of lubricating oil tank farm

1.3 G3和G5系列的特點及區(qū)別

通過上述2個罐區(qū)不同系統(tǒng)的應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，G3和G5系列最大的區(qū)別在于其結(jié)構(gòu)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(lián)鎖回路較多的場合更加可靠；G3系列在監(jiān)控回路較多的場合用起來更加經(jīng)濟、實惠。其結(jié)構(gòu)圖分別如圖4所示。

圖4 G3和G5系列結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of G3 and G5 series

G3和G5系列的網(wǎng)絡(luò)拓撲規(guī)范都支持菊花鏈型、星型、環(huán)形。本次改造均采用了環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其好處是：其中一段網(wǎng)絡(luò)故障時，不影響到系統(tǒng)的正常工作。在遇到不同的情況時，可以根據(jù)需求選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)[2]。不同的是G3系列網(wǎng)絡(luò)做不到冗余配置。

2 EMERSON無線適配器在實際工程中的應(yīng)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(shè)備通訊，采集現(xiàn)場儀表的HART信號[3]，轉(zhuǎn)為無線WirelessHART（IEC62591工業(yè)標準）信號傳輸。通過智能無線網(wǎng)關(guān)1420接受無線信號，并通過RS485通訊至控制系統(tǒng)。

無線WirelessHART（IEC62591工業(yè)標準）網(wǎng)絡(luò)可自組織、自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)路徑選擇，設(shè)備自動尋找最佳通訊路徑。網(wǎng)絡(luò)會持續(xù)監(jiān)控路徑性能是否下降，并自我修復(fù)，無需人工干預(yù)，支持星狀和網(wǎng)狀拓撲。

2.2 EMERSON無線適配器在石蠟罐區(qū)的應(yīng)用

荊門石化九罐區(qū)和十罐區(qū)為石蠟裝置罐區(qū)，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(xiàn)有DCS控制系統(tǒng)，罐區(qū)儀表改造采用無線通訊網(wǎng)絡(luò)，雷達液位計配智能無線適配器THUM及智能無線網(wǎng)關(guān)1420進行數(shù)據(jù)傳輸和接收；智能無線網(wǎng)關(guān)1420輸出RS485信號至石蠟DCS系統(tǒng)；現(xiàn)場溫度變送器、音叉開關(guān)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(nèi)配1個罐區(qū)操作站，石蠟DCS新增1塊RS-485通訊卡，通訊卡與智能無線網(wǎng)關(guān)1420之間通過對絞通訊電纜連接。網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖5所示。

圖5 石蠟罐區(qū)網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.5 Schematic diagram of paraffin tank farm network

溫度變送器、音叉開關(guān)均選用了羅斯蒙特?zé)o線變送器，電源為現(xiàn)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(dǎo)波雷達液位計的場合，電源也可選擇鋰電池供電。根據(jù)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(shè)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(jiān)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(qū)控制系統(tǒng)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(tǒng)。因為每個罐區(qū)的實際情況各有不同，所以共選擇了3種控制系統(tǒng)。每種控制系統(tǒng)這里僅舉例了其中一個罐區(qū)來與大家分享，關(guān)于如何選擇合適的控制系統(tǒng)，大致可以從以下幾個方面來考慮：①罐區(qū)地理分布；②儲罐現(xiàn)場儀表類別；③生產(chǎn)對罐區(qū)的控制需求；④罐區(qū)現(xiàn)有自動化水平；⑤系統(tǒng)槽盒路由的實際情況；⑥投資成本的控制。

4 罐區(qū)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和展望

罐區(qū)控制系統(tǒng)解決方案在實際工程中的應(yīng)用還有很多，如傳統(tǒng)的DCS控制系統(tǒng)以及現(xiàn)場總線技術(shù)在罐區(qū)中的應(yīng)用[3]。自動化行業(yè)本身就是一個技術(shù)更新速度較快的行業(yè)，新的技術(shù)能給大家提供更多的控制解決方案。希望隨著國內(nèi)技術(shù)水平的提高，更多的技術(shù)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。