石油化工仪表与控制系统的应用

    随着计算机技术迅速发展，石油化工仪表自控系统也逐渐向数字化、网络化、模型化，智能化方向发展。石化企业在发展现有信息系统的基础上，不断深化企业综合自动化系统，加强安全控制系统的应用，提高企业基础自动化和先进控制水平，以增强企业的市场竞争力。 
一、新型自动检测与分析仪的应用
    国内外仪表系统向数字化、智能化、网络化、微型化的发展，使石化企业提高了自动检测仪表的应用水平。
    为适应现场总线控制系统要求，现场总线型变送器获得了迅速发展。此变送器是全数字式，结构简单，分辨力和稳定性都高于一般智能型变送器。由于现场总线数字仪表产品日趋完善，并具有可靠性高、可互操作性（即可将不同品牌产品集成组态）等特点，在石化过程控制领域将会得到更多应用。
    国内外商业贸易的发展，要求提高商品交割计量精确度，石化出厂计量应用的质量流量计精确度为±0.1%或更高。
    石化企业为加强产品质量管理，也促进了在线分析仪表的应用。它会直接影响到石化企业产品质量及先进控制应用的水平，因此得到了石化系统的积极推广，主要包括在线油品质量分析仪，在线气相或液相色谱仪及其他物理特性分析仪等。
    最新的在线多路近红外（NIR）光谱分析仪已应用于石化企业炼油调合系统并取得较好效果。新一代实验室低成本汽油质量指标快速测定仪已成功应用于中石化杭州炼油厂等单位，受到了用户的好评。软测量技术发展也很快，主要用于解决石化企业部分分析检测难题。
    由于环境保护要求越来越高，环保仪表应用也增多，如在线烟气分析、综合水质分析仪、在线COD分析仪、DO分析仪及PH分析仪等。
    目前，石化企业在线分析仪表的需求很大，国产在线分析仪表与国外产品相比，存在一定差距。现在应用的大多数在线分析仪表是进口产品。
    石化对工厂维护工作越来越重视，特别是对预测维护保养问题更感兴趣。有些公司要求提供在线联机和实时传感系统，用于监控热交换器和加热炉的效率，振动和腐蚀及评估“健康“状况的指示器。采用具有诊断和 预测维护保养能力的仪表与系统，可使现有设备的生产潜力增长1%～3%，同时非计划的维护保养费用可降低10%～30%。
二、DCS与FCS应用水平有很大提高
    据不完全统计，我国石化、石油和化工系统共使用了近3000多套DCS，石化用的DCS约占近50%；由于计算机技术迅速发展，国内外出现了新一代DCS，其主要特点是采用开放性系统、容错的工业以太网和OPC等技术，从而解决了不同生产厂家DCS的互联，并可组成大规模的网络控制系统。据国外ARC公司最新调研的结果：全球 DCS市场年增长率为6%。
    （一）新一代DCS系统
    其主要特点如下：
    1．开放的网络结构
    采用Windows NT标准操作系统，支持DDE/OPC。既可直接使用PC机通用的MS-Excel，Visual Basic编制报表，也可同在UNIX上运行的大型Oracle数据库进行数据交换。此外，还可提供系统接口和网络接口用于与不同厂家产品管理系统、设备管理系统和安全管理系统进行通信。
    2．高可靠性
    控制站采用多CPU冗余容错技术，可实现在任何故障及随机错误产生的情况下连续不间断控制；机柜采用微正压结构设计；I/O模件采用表面封装技术，具有1500VAC/分抗冲击性能。
    3．控制网络是容错以太网
    容错以太网特点是：在容错以太网节点间有4个通信路径、允许有1个通信路径故障、快速（1秒）检测和恢复时间、可在线增加和减少节点、对应用PC机完全透明、允许正常以太网结点接入、完全分布式结构没有主结点、快速100Mbps性能、传输介质为同轴电缆或光纤。
    4．可扩展性
    具有构造大型实时过程信息网的拓扑结构，可构成多工段，多集控单元，全厂综合管理与控制综合信息自动化系统。
    石化企业的常减压、催化裂化、加氢裂化等炼油生产装置及乙烯装置均采用了DCS控制系统。全厂各生产装置的监视、控制与操作都集中在一个中心控制室内。
    油品储运系统是炼油厂生产过程中最后一道工序，炼油装置生产的成品及半成品油品经调合，最后要出厂。为加强管理和控制，石化企业的油品贮运系统也采用了DCS控制系统。
    石化企业的主要生产装置已采用DCS，新建装置采用了新一代DCS。有些石化企业其DCS的功能并未得到充分的利用，因此，很有必要进一步提高DCS应用水平，积极开展DCS先进控制的应用，以充分发挥DCS的作用，取得更大的经济效益。
    国产新一代DCS发展也很快，并配备了适合石化生产用的软件， 国产DCS的功能会不断增强，其可靠性也会进一步提高，将会在石化企业中得到更多应用。
    （二）现场总线控制系统
    现场总线控制系统（FCS）具有开放性、全数字化和互操作性的特点，已成为新型工业控制系统发展方向之一。随着FCS技术完善和国际标准统一，其应用将日益增加，现场总线控制系统的应用有很大进展，石化系统已有近百家企业用FCS来控制生产装置或罐区系统等。FCS主要特点如下：
    1．开放式系统
    现场总线工作站同时挂在现场总线和局域网两层网络，通过后者可与其他计算机系统或网络进行高速信息交换，以实现资源共享。另外，现场总线的技术标准是对所有制造商和用户公开的，可实现技术共享。
    2．全数字化通信
    FCS智能型现场仪表传感器及其Ａ/D转换器其数字信号在传送出仪表之前可得到补偿，因此，提高了系统的测量和控制精确度。由于采用双向数字通信，不仅系统的可靠性高，而且系统组态和调试也很方便。
    3．可互操作性
    现场总线智能仪表按统一的技术标准，不同厂家的产品，只要遵守相同的现场总线标准就可互连互换，统一组态，即插即用，以方便设备更新或系统扩展。
    4．控制分散度高
    现场总线智能仪表除具有基本功能外，还有控制和运算等功能，可实现彻底分散控制。每条总线连接多台现场仪表，可节省电缆，大幅度节省了用于系统安装、调试和维修的费用。
    石化系统的大型项目也有采用FCS进行生产过程控制，如，赛科90万吨乙烯裂解装置的FCS是国内外最大的现场总线系统。该系统包括4.7万个控制回路、4万台仪表和与世界最大基金会现场总线设备联网的1.3万台智能设备（10套自动化控制系统），这10套装置由一个中心控制室进行高度集中控制。现场总线的PID控制功能在阀门控制器实现，实现集散控制，提高了可靠性，极大降低了自动控制系统和现场控制设备间数据通信负载，增强了系统可靠性。
    石化企业主要控制系统的自控率可达98%，据统计，用DCS与FCS控制取得的经济效益可占整体效益的60%，投资回收期平均为1～2年。
    现场总线FCS的国际标准趋于统一，技术性能提高，可靠性提高，因而市场占有率将大幅度提高。但因FCS尚无统一的国际标准，配套的仪表产品有待进一步完善。而DCS发展很快，完备的功能和广泛的应用而占据不可替代的地位，预计今后很长一段时间，DCS与FCS将共存和互补。
    另外，监控和数据采集系统（SCADA）在国内外已得到广泛的应用，取得了明显的经济效益。石化输油管道控制系统及数据采集系也应用了SCADA。SCADA主要由远程终端设备（RTU）、主站计算机（包括硬件和软件）、操作人员数据显示和控制盘及有关的外围设备等部分组成。该系统是一个分级控制系统。这一系统将仪表、计量，大罐检测及各类控制阀门通过RTU就地控制结合在一起，另外还包括在主站计算机与公司总部的数据处理计算机之间建立接口及配有应用软件。
三、企业综合自动化发展较快
    随着信息技术和控制技术的发展，有些石化企业已建立了综合自动化系统，并取得了较为明显的效果。因此，今后将进一步推广企业的综合自动化系统，提高经济效益。
    企业综合自动化系统是采取ERP/MES/PCS三层结构系统，过程控制层（PCS），制造执行层（MES），经营管理层（ERP）集成的现代化系统，可对生产经营进行科学地分析、评价和预测，对生产计划和经营策略及时进行调整，以适应多变的市场要求。
    ERP是一种现代企业先进管理方法，采用企业资源计划（ERP）系统，将使企业获得最大的经济效益。2002～2005年，石化系统经试点，现已有20多家公司的ERP系统投入运行。正在全面推广的ERP系统，实施面约占60%以上。
    MES是企业综合自动化系统的中心环节，在ERP/MES/PCS整个系统中起到承上启下的作用。MES主要完成生产计划的调度与统计、生产过程成本控制、产品质量控制与管理、物流控制与管理、设备安全控制与管理、生产数据采集与处理等功能。MES将生产过程控制、生产过程管理和经营管理活动中产生的诸多信息进行转换、加工、传递，是生产过程控制与管理信息集成的重要桥梁。
    石化企业积极开展MES技术的应用，并推广实时数据库系统、物料平衡系统、炼油生产动态调度系统、实验室管理信息系统等，为企业ERP建设打下良好的数据基础；制造执行层MES的优化管理和控制，为企业增效节能、降低成本，取得了良好经济效益。
    近年来，石化企业在推广应用ERP的基础上，积极开展MES、先进控制、供应链技术等信息系统应用工作。使石化企业管控一体化系统快速发展，提升了石化企业的竞争力、增强了市场应变能力和提高了经济效益。
四、先进控制及优化的应用
    先进控制技术用来处理常规PID控制效果不好，甚至无法控制复杂工业过程控制的问题。通过实施先进控制，可达到增强装置运行稳定性和安全性、提高产品质量和收率、增加装置处理量、降低运行成本、带来显著经济效益。
    目前，一些先进控制技术已比较成熟，其中应用比较成功的是鲁棒PID控制和多变量预测控制技术。在多变量预测控制方面的先进控制软件产品，国外的有美国Honeywell公司的RMPCT、美国Aspen Tech公司的DMC Plus等，国内的有APC-HIECON（浙大中控）、SMART（清华大学）等多家软件。至今石化企业中已有几十套装置应用了先进控制，并取得了显著的经济效益。
    在石化企业推广先进控制软件，主要生产装置已投入使用。石化系统齐鲁石化公司炼油厂、大庆石油化工总厂、燕山石化公司引进Honeywell公司RMPCT先进控制软件用于常减压装置成功；兰炼常减压装置也应用了先进控制。齐鲁石化公司炼油厂还引进了美国Setpoint公司的多变量预测控制技术（IDCOM-M） 并成功用于催化裂化装置。大庆石油化工总厂、 兰州炼油化工总厂、前郭炼油厂、抚顺石化公司炼油一厂、燕山石化公司、乌鲁木齐石化总厂、荆门石化总厂等企业也从国外引进先进控制系统并合作开发应用于催化裂化装置，均取得了较好的经济效益。
    广州石油化工总厂连续重整装置，采用美国Setpoint公司的多变量预估软件SMCA；金陵石化公司炼油厂连续重整和抽提装置，采用Honeywell公司的鲁棒多变量预估控制器RMPCT；镇海炼化股份有限公司炼油厂连续重整装置，采用美国Aspen公司DMCplus先进控制软件。扬子石化公司、上海石化、齐鲁石化公司、燕山石化公司等在聚丙烯装置实施先进控制技术，都获得了明显经济效益。
    国内开发的催化裂化装置先进控制系统，已用于福建炼油厂、洛阳石油化工总厂、茂名石化公司炼油厂；国内开发的多变量约束控制软件包MCC，是一个处理约束的多变量、多目标、多控制模式和模型预测的最优控制器，已成功应用于石家庄炼化公司催化裂化装置，取得了较为明显的经济效益。
五、安全控制系统的应用
    由于现代化石化企业装置规模大、工艺过程复杂、易燃、易爆，对设备的安全性、可靠性和有效性的要求比较高。安全控制技术对石化企业的生产是至关重要的，紧急停车系统ESD 在避免工业灾难、减少工业事故损失方面起到了积极和重要的作用。
    （一）紧急停车系统（ESD）
    为适应这种要求，紧急停车系统（ESD）和压缩机组综合控制系统（ITCC）相继诞生。90年代国外一些大公司推出三重化（TMR）、冗错功能的系统。如美国Woodward公司的Micro Net TMR系统、Triconex公司的Tricon系统、Honeywell公司的FSC系统、英国ICS Triplex公司的Regent系统Trusted系统等。有些公司总结多年对压缩机的控制经验开发了应用软件，提高了压缩机组的控制应用水平。
    现以TRICONEX公司TRICON为例，说明其ESD主要特点如下：
    1．TRICON系统有三个主处理器，每一个主处理器的CPU 32位、50MHZ，32M RAM。其32 位浮点协处理器的使用得到了TUV 6级的安全认证。
    2．系统中所有的I/O信号都要经过硬件的三取二表决。数字量输入信号在DI模件中被分成隔离的三路，通过三个独立的通道分别被送到三个主处理器中进行三取二表决；同样，模拟量输入信号在AI模件中被分成隔离的三路，通过AI模块上每一个分电路的模数转换器把模拟量转换成12位的数字量，用32位的协处理器进行处理，每个主处理器采用选取中间值的算法读取正确值，并纠正任何分电路中的偏差，主处理器输出的模拟量信号在AO模块中的模拟输出选择器中进行选择，以确保输出信号的准确。
    3．DI、DO 模件均采用光电隔离方式。AI 模拟量输入卡件每个通道都A/D转换器（12位），精确度高达0.15%。TRISTATION 1131有支持TRICON过程控制和火灾&可燃气功能块图库，这些功能块包括：模拟输入、指数滤波、PID、超前滞后、积分、中值选择、模拟输出、气体检测器、在线监视、打印及其他TRICON特殊的功能块，如防喘振控制模块、调速控制模块等。
    4．TRISTATION 1131提供的用户编程语言：功能块图（FBD）、梯形图（LD）、结构性文本（ST）。
    5．TRICON 系统具有容错控制能力。控制系统可以识别控制系统元件的故障，自动把故障的元件加以排除，并允许在继续完成指定任务的同时，对故障元件进行在线修复而不中断过程的操作。TRICON系统这种高级别的系统容错功能极大地提高了系统及工艺过程的安全性和可用性。
    6．TRICON系统具有灵活可变的规模，系统的扩展性及通信功能很强，一套主控制系统最多可连接14个扩展或远程机架，最远距离12公里及多达4500个的I/O点数。
    7．提供OPC连接。
    炼油加氢裂化、催化裂化等装置的联锁系统及乙烯装置包括裂解炉、急冷、压缩、分离和公用工程等5个生产单元，其中压缩和分离单元的联锁系统由ESD系统实现，压缩机组的控制系统由ITCC系统实现。
    （二）生产装置健康监控技术
    石化企业加强对生产设备的监测，尤其是对强腐蚀设备、高速旋转设备等高危设备，实现在线精确测量，这是故障预测和诊断的关键。开发故障预测和诊断模型及方法，提高故障检测的及时性和鲁棒性，以及故障定位的准确性，防止误报和漏报，及时消除隐患，以提高系统的可靠性和安全性。采用设备管理系统和多元统计过程监控（MSPM）对高压、强腐蚀、高速旋转等设备进行在线监测和分析，有利于设备的安全运行。
    （三）安全仪表系统发展迅速
    国外推出了最新的SIS智能安全仪表管理方案，将传感器数字智能和诊断技术运用到逻辑控制器中实施最终控制，也是首次通过采用整体安全回路的方式来进行控制。使得因仪表控制系统故障引起非计划停车减至最少。
    为保证安全生产，在危险场所设置了可燃气体或有毒气体检测与报警系统，全厂还设置了火灾报警控制系统，并与可燃气体报警系统集成综合安全检测与报警系统。对于重要的工艺装置也开展了控制与检测的安全等级评估工作。
    现代石化企业中的安全控制系统将向着仪表控制、安全仪表及信息管理系统一体化的方向发展。智能化安全仪表控制系统将会得到广泛应用。