石油化工罐区自动化系统的设计及应用

王笑

(中石化第十建设有限公司，山东 淄博 255438)

随着石油化工企业的发展和国家原油战略储备库项目的实施，大型石化企业均建有大量的各种储罐。储罐是企业生产、储存、运输过程中的重要环节，具有占地面积广、布置密集和储存量大等显著特点。因其储存的物质大多具有易燃、易爆、有毒等特性，将其划为高危险性的操作单元。由于罐内储存的介质都具有较高的挥发性，一旦发生泄漏事故，挥发出的油气随风可弥散数千米的区域，如遇明火或高温物体，就有可能引发火灾或爆炸事故。因此，储油罐区一般是油库内的高危险区域[1]，罐区自动化监控显得十分重要。

1 罐区计量概况

20世纪90年代之前，大多数炼油企业采用“人工检尺”的方法进行计量，油罐测量始于人工检尺，这种方法目前仍广泛使用，并且作为校验其他液位计性能的工具之一[2]。

20世纪90年代开始，逐渐采用现场仪表和仪表盘对油罐进行监控和计量。现场检测仪表主要包括以下几类：

1) 浮子钢带液位计(包括光导电子式)。该机械式测量仪表的典型精度是10 mm，由于滑轮、盘簧机构与机械计数器之间存在摩擦力，其可靠性较差。

2) 伺服式液位计。该液位计在浮子驱动式液位计的基础上有了较大改进，由精巧的浮子取代以前大而重的浮子，由电动伺服马达取代盘簧机构来升降浮子。该液位计不仅可以测量液位，也可测量油水界位。

3) 雷达液位计。利用雷达波测量油罐液位，是一项新技术，雷达液位计无可动部件，只需将天线伸进罐中，故维护费用低。

4) 静压式液位测量。静压测量法(HTG)内置微处理器件可以对温度影响和系统偏差给予补偿，HTG系统的一个优越性是可以对油罐进行连续质量测量。

5) 混合式计量管理系统。该计量管理系统结合现代化油罐液位测量技术与HTG，可以提供一个全液位范围的平均密度测量值，进而测算质量。通过测量温度计算在参考温度下的标准体积和密度。伺服或雷达液位计可以直接与智能变送器通信，成为一个非常完善的计量系统，提供液位、油水界位、体积、质量、平均密度、平均温度、蒸汽温度等参数[3]。

20世纪90年代中后期至今，罐区自动监控系统基于PLC，DCS，现场总线和各种测量仪表实现对阀门、泵的自动控制，同时自动收发系统也逐步实现。当前，利用信息化技术和网络技术将罐区中各个设备集成到一个网络中实现罐(库)区管理和控制功能，这是罐区自动化发展的必然趋势。

目前，国内仍有部分储罐停留在人工抄数的水平，加之各种设备及储罐已运行近几十年，设备逐渐老化，安全事故频现。另外中国在该领域的发展相对国外还有很大差距，普遍存在产品性能指标低、仪表可靠性低、企业技术力量及装备差等问题。因此，对于这些运行时间长的储罐系统的更新改造迫在眉睫，应用先进的储罐自动化先进技术和设备，提高国内罐区生产技术及安全管理水平，努力营造低碳环保安全高效的生产环境。

2 罐区自动化系统的整体功能层次结构

罐区自动化系统属于信息化管理系统，按功能可将其整体分为两层，即： 监控层和管理层。工业以太网将监控层和管理层联系起来，结构如图1所示。

图1 罐区自动化系统功能结构示意

2.1 监控层

监控层按功能可分为生产调度监控系统和安全监控系统。

2.1.1生产调度监控系统

生产调度监控系统主要由储罐数据实时在线监控系统、储罐计量系统、定量收付系统以及现场仪表组成。储罐数据实时在线监控系统根据生产需要对储罐的液位、压力、温度、进出流量、阀门开关以及各种泵进行监控。储罐计量系统对涉及进出厂的储罐进行监控，并记录储罐的液位(储量)变化，确认收付量。定量收付系统涉及进出厂的贸易交接，与进出厂的其他系统关联，例如进出厂质量流量计、进出厂批次计量数据实时比对，当比对数据超出设定的误差范围时自动报警。

2.1.2罐区安全监控系统

罐区安全监控系统由消防监控系统、视频监控系统、巡检系统、一卡通系统以及现场仪表组成。消防监控系统主要由现场可燃有毒气体检测探头、消防手动报警按钮、感温感烟探头、现场声光报警器、各种消防炮以及消防喷淋等设备，消防监控主机和监控计算机等组成。视频监控系统主要实现罐区现场视频实时传输，火灾、消防联动视频自动切换等功能。巡检系统是对罐区主要设备进行人工巡检维护的系统。主要由点检手持设备以及现场各重要设备旁边安装的点检点等组成。一卡通系统主要实现操作人员进入现场作业时的门禁系统，只有符合权限的人员才能进入相应的区域进行作业。

2.2 管理层

管理层是通过工业以太网与罐区监控层连接起来的上层管理系统。主要包括MES罐区接口、企业门户平台罐区接口、关系型数据库罐区接口以及防火墙及数据备份等系统。管理层实际还包含Internet相关的应用，主要包括客户查询、海关接入以及异地终端等系统。由于管理层的应用比较广泛，相应的各种系统已经比较成熟，因而本文不再赘述。

3 罐区自动化系统的基本功能

3.1 罐区自动化系统组成

典型的罐区自动化组成主要包括四部分： 现场仪表、PLC系统、网络系统、上位监控系统。现场仪表主要由储罐的各种液位、温度、压力等现场仪表组成。以下主要介绍PLC系统、网络系统及上位监控系统。罐区自动化系统的结构如图2所示。

图2 系统功能分层结构示意

PLC系统主要由CPU(主控制器)、I/O站、网络等组成[4]，现场I/O站可以集中安装在机柜室内或安装在罐区现场。

3.2 罐区平衡

罐区平衡是企业物料平衡的重要组成部分，从物流的角度反映生产装置运行状态，为调度安排生产提供储运系统支持，同时能够充分利用有限储罐，满足因提高加工量对库存空间的需求，包括： 单罐、罐区、全厂罐区平衡。罐区平衡目标： 确认移动罐量与装置的原料、产品收付量一致；确认半成品罐调和、倒油记录一致；确认产品出厂量和库存量对应；确认产品的交库量和库存量；确认各产品的盈亏量。

3.3 监控功能概述

流程图工艺参数实时显示和记录功能。液位、温度、压力、体积、质量、运行状态等储罐信息显示，油泵工作状态显示，电控阀门状态显示，可燃气体/毒性气体体积分数显示，管网运行状态显示。

实时控制功能。包括所有电控阀门、油泵远程电动控制，泵运行状态设定等。

报警功能。包括储罐高低液位开关报警功能、温度报警、油泵压力报警、罐区可燃气体报警、电控阀门过扭力报警等。

趋势和记录功能。包括所有实时参数的实时趋势曲线、历史趋势曲线；报警记录和操作记录，所有的记录均能提供分类查询。

统计和管理功能。实时提供储罐当前介质的体积和质量计算，并可对特定时间段进出的油品数据以及库存数量进行统计，归档历史数据并形成各种类型统计[5]。

3.3.1过程画面显示

储罐的液位、温度、压力等参数值以及相应实时和历史趋势；单个储罐的状态——静状态、动状态；工艺管道的阀门状态，流体流向等；机泵的状态等。

3.3.2远程操作

具有授权的操作人员对电控阀门和机泵进行远程操作。根据要求实现高级控制功能，如自动调和油品、油品输送流程选择控制等。

3.3.3过程事件报警显示功能

所有检测点，如液位、温度、压力等越限报警功能；过程事件的显示功能，如机泵、阀门的动作记录；可燃气体报警仪等保护措施报警显示；系统软硬件诊断报警显示，如CPU故障信息、I/O模块故障以及仪表故障等。

3.3.4报表功能

基于罐区的主要参数的班报/日报/月报；统计报表： 库存量统计报表、流量统计报表等。

3.3.5安全登录

采用分级用户权限管理，不同的用户具有不同的操作权限。

3.3.6工程师站的功能

在工程师站上安装编程软件，对PLC的硬件故障进行诊断；在线监控用户程序，在线修改程序；监控画面修改，使其更加符合现场情况；常规维护： 包括点检、预见性维修；其他如数据库维护等。

3.3.7Web服务器功能

在监控层可以配置Web服务器的功能——给远程用户提供系统监视接口。

4 结束语

该系统的设计符合现场总线控制系统(FCS)，实现了分布式数据采集、集中监控管理控制，大幅提高了系统的稳定性、可靠性。系统是一个集成的、标准化的、易于扩充的、易于与工业控制系统形成一个整体的、技术成熟的系统，具有开放性网络结构，支持OPC开放标准，支持TCP/IP协议标准，操作和工程技术环境标准化，可靠性高。既具有先进可靠的硬件和软件系统，又有成熟、有效的高级应用软件，可满足罐区的过程监视、实时控制及生产管理等需要[4]。

近年来，国内许多炼油企业已实施了企业资源计划系统(ERP)、原油选择与分配系统、生产制造执行系统(MES)、高级计划系统等信息化管理系统(CRM)。根据国际顶级石油公司的经验，通过实施油品调和与罐区自动化系统，组分油被炼制出来之后，炼油厂还可获得显著的经济效益。

参考文献：

[1] 孟凡华.基于光纤传感的油品罐区监控系统的研究[D].武汉： 武汉理工大学，2006.

[2] 肖素琴.油品计量员读本[M].2版.北京： 中国石化出版社.2007.

[3] 刘笃仁，韩保君.传感器原理及应用技术[M].北京： 机械工业出版社，2003.

[4] 何小阳.计算机监控原理及技术[M].重庆： 重庆大学出版社，2003.

[5] 傅伟庆，武铜柱，许莉.大型浮顶油罐技术发展[J].化工设备与管道，2013，50(04)： 1-5.

[6] 冯翠翠，任军芳，贾聪颖.雷达液位计在某油库的应用与故障解决方式[J].化工自动化及仪表，2012，39(06)： 802-804.

[7] 秦瑞昌.储油罐的自振特性与抗震性能分析[J].化工设备与管道，2013，50(04)： 36-40.