(中國石油 慶陽石化公司,甘肅 慶陽 745002)
中央控制室新模式及其應(yīng)用
任禮道,劉克誠,劉珊,李瑋
(中國石油 慶陽石化公司,甘肅 慶陽 745002)
介紹了采用集散控制方式,以中央控制室模式為全廠控制一體化的理念,實(shí)現(xiàn)了對(duì)全廠所有裝置的分散控制、集中管理和信息資源共享。
分散;集中;操作;控制;系統(tǒng)
慶陽石化分公司2010年擴(kuò)能改造建成煉化生產(chǎn)裝置15套和油品儲(chǔ)運(yùn)、動(dòng)力站、輔助設(shè)施等全廠工程。新廠設(shè)計(jì)采用集散控制方式,設(shè)一個(gè)中央控制室,實(shí)現(xiàn)。中央控制室位于安全區(qū)域,還具有各裝置技術(shù)人員、管理人員集中辦公功能。
中央控制室的設(shè)計(jì)貫徹了人性化的設(shè)計(jì)原則,最大限度的降低了操作人員的疲勞感,創(chuàng)造了安全、高效生產(chǎn)的條件,全公司22名內(nèi)操人員完成了全廠裝置及公用工程系統(tǒng)操作監(jiān)控。整個(gè)項(xiàng)目16個(gè)月時(shí)間完成建設(shè),用半個(gè)多月時(shí)間全面打通所有系統(tǒng)流程,實(shí)現(xiàn)了一次開車成功,創(chuàng)造了綜合性煉廠建設(shè)和開工的新紀(jì)錄。2011年完成原油加工量350.01萬噸,產(chǎn)品質(zhì)量合格,環(huán)保達(dá)標(biāo)。
1.1技術(shù)路線
按照“整體規(guī)劃、技術(shù)集成、著力創(chuàng)新、精品煉廠、國內(nèi)一流”的原則和“目前先進(jìn)、五年不落后、十年不淘汰、三年一大修、十年不改造”的目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)。
以經(jīng)濟(jì)效益為中心,自動(dòng)化儀表的設(shè)立必須有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量,挖掘設(shè)備潛力,節(jié)能降耗,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,有良好投資回報(bào)率。
控制系統(tǒng)的總體原則為分散控制、集中操作、集中管理[1]。根據(jù)全廠工藝特點(diǎn),采用一個(gè)中央控制室(CCR)對(duì)全廠進(jìn)行控制、操作和監(jiān)視,確保生產(chǎn)裝置、公用工程及輔助設(shè)施在自動(dòng)化控制和操作管理上統(tǒng)一協(xié)調(diào)。
控制系統(tǒng)與管理信息系統(tǒng)(MIS) 配有通訊接口,為實(shí)現(xiàn)企業(yè)管控一體化創(chuàng)造了條件。
采用以集散控制系統(tǒng)(DCS)為主體的自動(dòng)控制系統(tǒng),另設(shè)安全儀表系統(tǒng)(SIS)和可燃?xì)怏w檢測系統(tǒng)(GDS),大型機(jī)組設(shè)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)(MCS)和機(jī)組診斷系統(tǒng)(MDS), 儀表設(shè)備管理系統(tǒng)(AMS),在中央控制室建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與工廠局域網(wǎng)相連。
在全廠的工藝裝置或單元集中的地點(diǎn),設(shè)置9個(gè)現(xiàn)場機(jī)柜室。控制站安裝在現(xiàn)場機(jī)柜室內(nèi),通過冗余的鎧裝光纜與中央控制室的操作站進(jìn)行通訊連接。控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通過OPC技術(shù)連接到工廠局域網(wǎng)和其他有關(guān)網(wǎng)絡(luò)。
中央控制室采用抗爆結(jié)構(gòu),防火等級(jí)按二級(jí)設(shè)計(jì)[2]。本著以人為本的原則,采取減少噪音干擾措施,照度分布合理,光色宜人,沒有眩光干擾,在操作室等人員集中的場合設(shè)置接近自然的光照,使人視覺舒適,不宜疲勞。控制室設(shè)事故照明和中央空調(diào)系統(tǒng),保持室內(nèi)基本恒溫、恒濕;對(duì)空氣進(jìn)行過濾、除塵、殺菌,保持較高的新風(fēng)置換率,營造了安全、健康的工作環(huán)境,適宜在封閉環(huán)境下工作[3]。
中央控制室設(shè)置感煙報(bào)警器,機(jī)柜間、UPS 間設(shè)自動(dòng)滅火系統(tǒng)[4],除常規(guī)的行政、調(diào)度電話和無線對(duì)講機(jī)外,還設(shè)置了擴(kuò)音對(duì)講等完善的通訊系統(tǒng),為使內(nèi)操人員能夠?qū)ΜF(xiàn)場情況有直觀的了解,設(shè)有閉路電視監(jiān)視和大屏幕顯示系統(tǒng), DCS 與大屏幕顯示系統(tǒng)通訊。
1.2 DCS系統(tǒng)配置
全廠控制系統(tǒng)有18000多個(gè)I/O監(jiān)控點(diǎn),主裝置DCS采用ABB IndustrialIT AC800F綜合型DCS控制系統(tǒng),公用工程采用浙江中控ECS-100系統(tǒng)。
AC800F DCS控制系統(tǒng),將DCS和PLC功能之優(yōu)點(diǎn)融為一體,并入現(xiàn)場總線技術(shù)和設(shè)備管理控制一體化思想,由過程控制和過程管理系統(tǒng)組成。過程控制系統(tǒng)完成設(shè)備控制、監(jiān)測、操作等功能, 過程管理系統(tǒng)采用IndustrialIT G800軟件平臺(tái)完成系統(tǒng)過程管理,包括趨勢記錄、報(bào)表打印、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫建立、工廠調(diào)度等功能。
1.2.1 DCS系統(tǒng)的主要特點(diǎn)
集DCS & PLC & FieldBus功能于一體的混合式控制器,系統(tǒng)最大容量可以掛接100對(duì)冗余的控制器和100個(gè)操作員站;系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)設(shè)備與資產(chǎn)的監(jiān)視和管理功能,能對(duì)符合HART協(xié)議的儀表進(jìn)行設(shè)備信息管理。
系統(tǒng)支持多種現(xiàn)場總線,如Profibus、FF總線、HART、CAN ,具有這些標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)備可以無縫與系統(tǒng)通信,網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng),遵循TCP/IP協(xié)議;工程師站及操作員站支持微軟 Windows XP操作系統(tǒng);具備DDE,OPC,API等標(biāo)準(zhǔn)開放接口;Peer-to-Peer網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)可隨意出入;現(xiàn)場控制器、I/O站可任意擴(kuò)展。
系統(tǒng)OPC服務(wù)器接口即支持OPC DA數(shù)據(jù)服務(wù)器,也支持OPC AE事件和報(bào)警服務(wù)器功能。它即可以做OPC Server,也可以作為第三方OPC Server的客戶端,能非常方便的將其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成到AC800F系統(tǒng)中。支持OPC Client 及OPC Server 兩種數(shù)據(jù)訪問方式。
1.2.2 系統(tǒng)配置
1)可靠性
全廠DCS為一套系統(tǒng),其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用典型的分散控制模式,各裝置既有獨(dú)立性、又能相互聯(lián)系。各裝置控制單元獨(dú)立設(shè)置,以保證在正常生產(chǎn)和開、停工過程中互不干擾,減少關(guān)聯(lián)影響。各裝置或單元的DCS控制站安裝在現(xiàn)場機(jī)柜室,I/O卡件獨(dú)立設(shè)置,以便維護(hù)。
2)操作性
全廠所有工藝裝置均在中央控制室集中監(jiān)控。分為聯(lián)合裝置區(qū),在現(xiàn)場機(jī)柜室設(shè)置一臺(tái)現(xiàn)場工程師站和1~2個(gè)操作員站,正常情況下設(shè)定為僅具備顯示功能,開停工時(shí)可設(shè)定為具備顯示操作功能。
3)擴(kuò)展性
系統(tǒng)主干網(wǎng)采用冗余的以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng),并結(jié)合分布式星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),可以方便地增加網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn),最多可掛接100個(gè)操作員站,100個(gè)現(xiàn)場控制器,主干網(wǎng)(以太網(wǎng), TCP/IP協(xié)議)通訊速率為100MB/s;ProfiBus DP總線通訊速率為12MB/s,一條 ProfiBus DP總線上最多可掛接126個(gè)從站。
4)安全性
控制系統(tǒng)設(shè)置用戶數(shù)據(jù)訪問權(quán)限管理,系統(tǒng)可設(shè)16個(gè)用戶組,1000個(gè)用戶的權(quán)限。系統(tǒng)還能有效防止病毒的侵入。

圖1 全公司的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Full monitoring network of the company
5)冗余原則
系統(tǒng)有完備的設(shè)備和工作性能冗余,網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備和部件、控制站和檢測站的處理器等功能卡、電源設(shè)備和部件、多通道控制及聯(lián)鎖回路的I/O卡1:1冗余;操作站具備工作冗余的功能;能在線診斷、報(bào)警、自動(dòng)切換及維修。
6)通訊網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備
由于各個(gè)裝置離中央控制室有300-1300米的距離,采用了100/1000MB/s光纖傳輸,TCP/IP協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu),遵循IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn),控制器與操作員站之間通訊采用的是對(duì)等模式,而非Server/Client結(jié)構(gòu)。
7)時(shí)鐘同步
本系統(tǒng)在中央控制室配置一臺(tái)時(shí)鐘,時(shí)鐘接收 GPS(全球定位系統(tǒng))衛(wèi)星信號(hào),通過以太網(wǎng)向SIS、MCS、GDS、BMS、MDS等其它系統(tǒng)提供時(shí)鐘同步信號(hào)和同步服務(wù)。并通過光隔長線收發(fā)器分別向全廠各個(gè)控制區(qū)域的DCS控制器提供時(shí)鐘同步信號(hào)。
8)DCS與其它控制系統(tǒng)的通訊連接
AC800F DCS提供多種與第三方設(shè)備的通訊, DCS配備與SIS、MCS、可燃GDS、電氣綜保、機(jī)組狀態(tài)檢測、專有設(shè)備、多點(diǎn)溫度采集器等控制系統(tǒng)的冗余通訊接口,通過組態(tài)在DCS的操作站上能夠顯示所要顯示的數(shù)據(jù)。
9)工廠管理網(wǎng)接口
AC800F DCS設(shè)置一個(gè)與工廠管理網(wǎng)的雙向接口OPC服務(wù)器,基本方式為DCS配備網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,掛接在DCS的局域通訊網(wǎng)上,通過該服務(wù)器把DCS與工廠管理網(wǎng)相連,把DCS中的過程數(shù)據(jù)傳送到全廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。
10)中央控制室設(shè)置
DCS在中央控制室設(shè)有34臺(tái)操作站,每個(gè)操作站連接兩個(gè)顯示器,可同時(shí)監(jiān)視兩個(gè)畫面;設(shè)有兩臺(tái)歷史記錄工作站,接在過程管理網(wǎng)絡(luò)上,用于全廠DCS過程參數(shù)、給定值、調(diào)節(jié)器輸出的的存儲(chǔ)與管理;還設(shè)有兩臺(tái)設(shè)備管理站,用于所有HART設(shè)備的監(jiān)管;生產(chǎn)調(diào)度室內(nèi)設(shè)置兩臺(tái)只讀顯示操作站,作為調(diào)度監(jiān)控站;會(huì)議室設(shè)一臺(tái)監(jiān)控站。
為了便于全廠生產(chǎn)控制、監(jiān)視、操作和管理,將全廠控制系統(tǒng)的操作站按總流程和總平面劃分成若干個(gè)操作區(qū)(一聯(lián)合、二聯(lián)合、聚丙烯、三聯(lián)合、儲(chǔ)運(yùn)、公用工程操作區(qū)),布置在中央控制室內(nèi)。裝置內(nèi)操在中央控制室集中操作,現(xiàn)場外操室保留單屏DCS操作站只作顯示用,特殊情況下啟用為操作站。
1.3其它控制系統(tǒng)設(shè)置
SIS、MCS、GDS、MDS獨(dú)立于DCS 單獨(dú)設(shè)置,方案基本一致;SIS 在中央控制室設(shè)置輔助報(bào)警燈屏和輔操臺(tái)。
機(jī)組診斷系統(tǒng)(MDS)的狀態(tài)監(jiān)測站放在現(xiàn)場機(jī)柜間,通過冗余的光纜或局域網(wǎng)絡(luò)連接到中央控制室設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器,通過終端計(jì)算機(jī)顯示相關(guān)的信息。對(duì)大型機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析和診斷,實(shí)現(xiàn)故障預(yù)維護(hù)。MDS 系統(tǒng)與工廠網(wǎng)絡(luò)(PWN)通訊傳輸數(shù)據(jù),便于管理維護(hù)人員及時(shí)了解設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況。
GDS為獨(dú)立設(shè)置的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程I/ O 站的結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)場機(jī)柜室FCR 設(shè)遠(yuǎn)程I/O 站,控制器設(shè)在CCR機(jī)柜間。遠(yuǎn)程I/O 站與控制器通過冗余的鎧裝光纜進(jìn)行通訊。在CCR 內(nèi)按區(qū)設(shè)公共GDS 顯示站。在每個(gè)FCR 內(nèi)設(shè)1 個(gè)GDS 顯示站。顯示站用于可燃?xì)怏w及有毒氣體濃度指示、超限報(bào)警、測點(diǎn)位置顯示。GDS 通過OPC 服務(wù)器與工廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、DCS、CCTV 系統(tǒng)通訊。
AMS在中央控制室設(shè)兩個(gè)儀表設(shè)備管理站,用于現(xiàn)場儀表運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、組態(tài)、調(diào)校。建立了現(xiàn)場儀表信息數(shù)據(jù)庫,將與DCS、SIS、MCS 等系統(tǒng)相連的智能儀表(HART協(xié)議)信息集中。
在中央控制室設(shè)置一套仿真培訓(xùn)系統(tǒng)(OTS),作為催化裝置、加氫裝置、重整裝置、聚丙烯裝置操作人員不同工況操作和異常情況的處理模擬培訓(xùn)考核。利用OTS可進(jìn)行自動(dòng)連鎖關(guān)系試驗(yàn)。
全廠控制系統(tǒng)設(shè)統(tǒng)一的控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,全廠的DCS、SIS、MCS、GDS、SCADA 等系統(tǒng)信息全部通過OPC技術(shù)進(jìn)入該數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫作為全廠網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)終端,廠內(nèi)的各個(gè)終端或用戶可以通過公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)權(quán)限調(diào)用數(shù)據(jù)庫的相關(guān)內(nèi)容。
DCS、SIS、F&GS、CCTV作為基礎(chǔ)監(jiān)控層,向全廠數(shù)據(jù)庫提供基礎(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),供其它系統(tǒng)調(diào)用。全廠自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分層:
第一層:常規(guī)過程控制層。由現(xiàn)場儀表及DCS、SIS等控制系統(tǒng)組成,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程檢測、控制機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算、人機(jī)對(duì)話等。
第二層:先進(jìn)控制和優(yōu)化控制層。由DCS的上位計(jì)算機(jī)完成,以實(shí)現(xiàn)工藝裝置的進(jìn)一步穩(wěn)定操作和經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的最優(yōu)控制。
在以上兩層之上還有一層為信息管理層,由全廠管理信息系統(tǒng)(CIMS)實(shí)現(xiàn),用以完成全廠生產(chǎn)經(jīng)營和生產(chǎn)調(diào)度。該層由常規(guī)過程控制層提供接口,與CIMS系統(tǒng)通訊,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)共享。目前聲場系統(tǒng)的班組一體化等系統(tǒng)完全調(diào)用相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),為有效監(jiān)控裝置的運(yùn)行提供可能[5]。如圖1所示。
煉油裝置工藝復(fù)雜、工段多,控制系統(tǒng)種類多,不同控制系統(tǒng)間硬件、軟件平臺(tái)均不同,容易引發(fā)硬件不兼容,且不同系統(tǒng)之間通訊方式不同,存在通訊不能實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)阻塞。本項(xiàng)目系統(tǒng)選型力求統(tǒng)一,硬件及軟件為統(tǒng)一版本,避免了硬、軟件不兼容問題。且系統(tǒng)間相互獨(dú)立,又具有統(tǒng)一性、開放性、可靠性、互聯(lián)(備)性,滿足了不同控制的要求,必要的信號(hào)通過通訊方式相互關(guān)聯(lián),做到了數(shù)據(jù)的共享[6]。
設(shè)置有OPC數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,由DCS等系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),滿足其它系統(tǒng)使用。設(shè)置了可靠的網(wǎng)關(guān)和防火墻,保證網(wǎng)絡(luò)的可靠和控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
各裝置內(nèi)操在控制中心集中操作,上下游緊密協(xié)作,確保生產(chǎn)裝置、公用工程及輔助設(shè)施在自動(dòng)化控制和操作
管理上統(tǒng)一和協(xié)調(diào),減少了人員配置,確保應(yīng)急處理和快速響應(yīng)能力,提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。
設(shè)有一套OTS系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了模擬培訓(xùn)。操作人員了解、學(xué)習(xí)不同工況操作和異常情況處理,避免失誤,減少事故和風(fēng)險(xiǎn)。
AMS建立現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)庫,將與DCS、SIS、MCS等系統(tǒng)相連的智能儀表(HART 通訊協(xié)議)信息集中管理維護(hù)。
有效實(shí)施內(nèi)外操分離和全公司集中管理,在裝置故障狀態(tài)下最大限度的保證人身安全,為有效快捷處置各種故障提供協(xié)作條件。
如今煉化裝置朝著大型化發(fā)展,分散控制、集中操作、集中管理控制策略下的中央控制室,上下游緊密協(xié)作,控制和管理統(tǒng)一和協(xié)調(diào),營造了安靜、優(yōu)美、安全、健康的工作環(huán)境。隨著自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)及通訊技術(shù)的迅速發(fā)展,集散控制系統(tǒng)在控制精度、可靠性、智能化、靈活性、方便操作及開放性等方面都有了很大發(fā)展,更適合大型聯(lián)合生產(chǎn)裝置群的集中控制和管理。
控制系統(tǒng)全面計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化,不僅能完成常規(guī)控制、又能完成先進(jìn)控制、優(yōu)化控制、全廠信息化,便于集中操作、管理和信息資源共享,節(jié)省了投資成本,大型煉化對(duì)資源利用率要求高,如水、電、氣、原料等,每個(gè)工段對(duì)上下游都有明顯的影響,采用中央控制室模式,便于優(yōu)化整體運(yùn)行控制,避免浪費(fèi)。全廠控制系統(tǒng)設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫,作為全廠網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)終端,廠內(nèi)的各個(gè)終端或用戶可通過公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)權(quán)限調(diào)用數(shù)據(jù)庫的相關(guān)內(nèi)容為其它系統(tǒng)使用。
分散控制、集中操作、集中管理控制策略下的中央控制室模式在煉油、化工、發(fā)電、水泥等流程生產(chǎn)控制具有巨大的推廣前景,便于操作管理上統(tǒng)一協(xié)調(diào),資源共享,信息化管理、快速應(yīng)急處理和響應(yīng),提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,有效提升管控水平。
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h實(shí)-----------補(bǔ)償后液位值
ρ實(shí)---------補(bǔ)償后的儀表密度值
ρ1t1----------補(bǔ)償下限的溫度和密度
ρ2t2----------補(bǔ)償上限的溫度和密度
通過以上溫度補(bǔ)償,可以減少0.8%左右的誤差,這對(duì)于一個(gè)量程在25m左右的液位測量,實(shí)際效果是十分明顯的。與磁性浮子液位計(jì)現(xiàn)場比對(duì)基本沒有偏差,與進(jìn)罐質(zhì)量流量計(jì)的比對(duì)差值在0.1%以內(nèi)。
對(duì)LPG的液位測量方法是多種的,特別是由于當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展、先進(jìn)手段的運(yùn)用,這似乎不是什么難題,但對(duì)于年久的球罐,如何運(yùn)用好當(dāng)今的技術(shù),因地制宜地搞好技術(shù)升級(jí),尤其是充分利用好現(xiàn)有的先進(jìn)控制系統(tǒng),在測量補(bǔ)償方面做一些改進(jìn),如以上提到的輔以溫度補(bǔ)償3051S ERS方法,將大幅度提高現(xiàn)場測量的效果,提高測量精度,將起到事半功倍的效果。
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[3]王永紅.劉玉梅.自動(dòng)檢測技術(shù)與控制裝置[M].北京:化學(xué)反應(yīng)出版社,2006.
收稿日期:2014-04-14
作者簡介:王明虎,男,江蘇淮安人,副總工程師。主要從事石油化工過程控制、供配電、動(dòng)設(shè)備的技術(shù)管理。
The new Model and its Application of the Central Control Room
Ren Lidao, Liu Kecheng, Liu Shan, Li Wei
(China Petroleum Qingyang Petrochemical Company,Gansu Qiangyang 745002 China)
the author introduces the adoption of distributed control system based on the concept of central control room, achieving distributed control and centralized management over all the device in the plant and the sharing of information resources.
distributed; centralized; operation; control; system
TP29
B
Doi:10.3969/j.issn.1671-1041.2014.03.017
2014-03-17
任禮道,男,儀表工程師,技術(shù)專家,從事石油煉化儀表及自動(dòng)化專業(yè)。