基于FF現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)NCS3000網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的設(shè)計

在石油化工企業(yè)中，為了配合生產(chǎn)流程，要對原材料、半成品、成品進行運輸和存儲， 為此企業(yè)均建有大量的各種儲罐。企業(yè)的生產(chǎn)及管理部門每天都需要掌握罐內(nèi)存儲介質(zhì)的液位、溫度、體積和質(zhì)量等重要數(shù)據(jù)，既要保證數(shù)據(jù)的準確和及時，又要確保儲罐的安全，防止意外事故的發(fā)生。罐區(qū)儲罐參數(shù)的精確檢測、工藝流程的有效管理，對于相關(guān)生產(chǎn)裝置的安全和平穩(wěn)運行具有十分重要的意義。

由于我國具體的國情，長期以來對罐區(qū)的管理主要是靠人工進行，并沒有形成真正意義上的“監(jiān)控系統(tǒng)”。以油罐為例，最初只是靠有經(jīng)驗的工人利用油尺通過對各油罐的液位高度進行測量（即通常所講的“人工檢尺”）的方法來對油罐進行監(jiān)視。該方法原始而又繁瑣，人為因素影響大，精度低，而且危險區(qū)中的有毒有害氣體對操作工的身體造成很大的危害，操作工在油罐上爬上爬下很不安全。為了提高對儲罐參數(shù)測量的精度以及保護工人的身體健康，減輕工人的勞動強度，到了90年代初，各油罐上基本都裝備了能夠?qū)σ何贿M行自動測量的儀表。該儀表一般由一次儀表和二次儀表兩部分組成。位于現(xiàn)場的一次儀表采集各油罐的液位參數(shù)并通過統(tǒng)一的模擬信號如4-20mA的直流電流信號或某種專用的通訊協(xié)議送往集中控制室的二次儀表。此時操作人員就可以坐在控制室里通過二次儀表縱觀各油罐的狀況了。但通過這些二次儀表僅僅能夠?qū)迏?shù)進行“監(jiān)視”而無法實施控制，因此具體的控制工作仍需人工進行。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，罐區(qū)的規(guī)模也越來越大，油品的種類也不斷增加。管理人員按照由生產(chǎn)部門所制訂的生產(chǎn)計劃和常年積累下來的經(jīng)驗對罐區(qū)進行監(jiān)視與控制的管理方式越來越顯示出其在實時性、 準確性、 合理性方面的不足。同時，由于煉油裝置的自動化水平的不斷提高對罐區(qū)的管理也提出了更高的要求，因此管理人員的責任和壓力也不斷增加，這對生產(chǎn)的安全是很不利的。

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，可靠性的不斷提高，以及價格的大幅度降低， 計算機在工業(yè)中的應用越來越普及。 可編程控制器（PLC）以及由多個計算機遞階構(gòu)成的集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）被廣泛地應用到各行各業(yè)。由于DCS在煉油廠各裝置中的廣泛應用，廣大工程技術(shù)人員具備了較豐富的經(jīng)驗， 因此在構(gòu)造罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的時候紛紛參照各裝置中DCS的做法。在硬件結(jié)構(gòu)方面，類似于煉油裝置，罐區(qū)現(xiàn)場的儀表將溫度、 液位等參數(shù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的模擬信號然后點對點地送往控制室的操作控制部分。但是，由于罐區(qū)有別于一般煉油裝置的突出特點是地理分布很廣泛，控制分散，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用與煉油裝置相同的點對點連接方式時，就需要用到比一般裝置多很多的電纜和接線端子及橋架等附件，系統(tǒng)施工時要耗費大量的人力，且很難保證連接的可靠性。為數(shù)眾多的連接點及故障診斷的困難，也給日后系統(tǒng)的檢修及維護帶來了很大的不便。并且信號長距離的傳輸使信號的精度大大降低。

當今國際上現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟，并在一些特定的應用領(lǐng)域顯示了自己的影響和優(yōu)勢?，F(xiàn)場總線是用于過程控制現(xiàn)場儀表與控制室之間的一個標準的、開放的、 雙向的多站數(shù)字通信系統(tǒng)， 儀表與控制系統(tǒng)間通過總線采用一對多的方式實現(xiàn)雙向的、全數(shù)字信號通訊，減少大量布線，易于系統(tǒng)安裝和維護，同時，將控制任務下放至本地儀表，危險徹底分散，加強系統(tǒng)的自主能力，可對現(xiàn)場變化實時作出響應。在我國，現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展才剛剛起步，特別是在罐區(qū)管理方面很少有應用，如何結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)本身的特點及我國國情，將其應用于各行業(yè)，推動我國自動化領(lǐng)域現(xiàn)代化進程，是廣大科技人員面臨的主要問題。石油化工業(yè)生產(chǎn)過程復雜多變，并且生產(chǎn)環(huán)境帶有潛在爆炸危險，在這一領(lǐng)域中對基于現(xiàn)場總線的新型控制系統(tǒng)提出了如下四個最基本的要求：

1）、要有完備的防爆保護措施，以保證在爆炸危險環(huán)境中生產(chǎn)過程的絕對安全。

2）、要有很高的可靠性，以保證數(shù)據(jù)在任何狀況下的可靠傳輸。也就是要做到“線路冗余”。

3）、對應“連續(xù)過程”這一特點，控制系統(tǒng)要有處理模擬數(shù)據(jù)的能力。并且還要滿足“在線參數(shù)化”的要求。

4）、所有現(xiàn)場設(shè)備可以在線插拔，而不影響系統(tǒng)的正常工作。

NCS3000網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是我國自主開發(fā)的基于FF現(xiàn)場總線技術(shù)的完整自動化控制系統(tǒng)，具有全數(shù)字化、智能化、 網(wǎng)絡(luò)化和開放的特點。NCS3000采用數(shù)字化信號，F(xiàn)F HSE高速總線和FF H1總線相互補充，構(gòu)成企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)平臺，現(xiàn)場總儀表、智能I/O與計算機之間通過現(xiàn)場總線連成一體，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可擴展性強，具有設(shè)備遠程調(diào)試和自診斷能力， 同時，可以集成各種流行的工業(yè)自動化設(shè)備和監(jiān)控組態(tài)軟件，是真正開放的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。

從上個世紀七八十年代開始，普遍采用安全柵使控制系統(tǒng)滿足防爆要求，這種方法一直沿用至今。但使用安全柵，無形中使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變的復雜且增加了施工的難度。 從上個世紀九十年代中期開始， 世界上各大防爆專業(yè)廠商紛紛研制將安全柵與控制器的I/O模塊集成在一起的產(chǎn)品，從而簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 一些具備防爆功能的遠程I/O產(chǎn)品相繼問世。 為了與盡量多的控制系統(tǒng)相匹配，這些廠家制造的產(chǎn)品都采用了流行的現(xiàn)場總線作為與控制器通訊的介質(zhì)。并且為了能在危險區(qū)中發(fā)揮遠程I/O的優(yōu)勢， 新型的遠程I/O產(chǎn)品通過采取一系列的防爆措施使得其自身可以直接安裝在危險區(qū)中。 隨著 IT技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展， 對控制系統(tǒng)的要求越來越高，從單純的精確控制向安全控制和監(jiān)控管理轉(zhuǎn)變。因此，基于串行通信技術(shù)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，由于兼具了分散控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，從而在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用。

NCS3000網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)由于采用現(xiàn)場總線將使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)安裝費用減少并且易于維護; 用戶可以自由選擇不同廠商、不同品牌的現(xiàn)場設(shè)備達到最佳的系統(tǒng)集成等一系列的優(yōu)點，現(xiàn)場總線技術(shù)正越來越受到人們的重視。中國科學院沈陽自動化研究所推出的NCS3000 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)具有全數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和開放的特點，以現(xiàn)場總線技術(shù)為核心，OPC技術(shù)為紐帶，將現(xiàn)場總線儀表、模擬儀表、分布式智能I/O、DCS和PLC等工業(yè)自動化設(shè)備有機地集成在一起，自動化程度和控制精度都較高， 已經(jīng)成功應用于罐區(qū)管理行業(yè)， 為企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)提供了一套完整的解決方案， 取得良好效果?！D 1所示為一種典型的遠程I/O產(chǎn)品。

圖 1 典型遠程I/O結(jié)構(gòu)圖

從圖1可以看出，該遠程I/O系統(tǒng)由母板、電源模塊、支持不同總線協(xié)議的網(wǎng)關(guān)模塊、 各種處理開關(guān)量輸入和輸出、 模擬量輸入和輸出以及溫度輸入信號的I/O模塊所組成。系統(tǒng)的工作原理為： 現(xiàn)場的各類儀表通過電線電纜與遠程I/O的I/O接口點對點地連接，信號進入系統(tǒng)后即被I/O模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)部總線（位于母板內(nèi)部）傳送到網(wǎng)關(guān)， 然后由網(wǎng)關(guān)經(jīng)母板上的總線接口將信號傳送到上一層的現(xiàn)場總線上去，最后經(jīng)總線到達控制系統(tǒng)（DCS/PLC）。 而由控制系統(tǒng)發(fā)出的信號則經(jīng)過相反的路徑進行傳輸。整個遠程I/O的供電由系統(tǒng)母板上連接的電源模塊提供，電源模塊的電源由外部的24V直流電經(jīng)增安型的接線端子供給。

該遠程I/O具有如下的幾個突出的特點： （1）可以直接應用于危險1區(qū)，從而可節(jié)省大量的線纜;（2） 通過現(xiàn)場總線進行通信，系統(tǒng)易于擴展。而且電源、網(wǎng)關(guān)、內(nèi)部/外部總線均為冗余，確保了系統(tǒng)的高度安全;（3）所有模塊均可在線插拔，極大地方便了系統(tǒng)的施工及維護;（4）無需安全柵和DCS/PLC的I/O模塊并可省去大量的電纜及附件，使系統(tǒng)的初期投資大大降低;（5）強大的診斷與自診斷功能，高效的數(shù)字化通訊，大大地提升了系統(tǒng)的先進性;（6） 可連接傳統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備且無需改變傳統(tǒng)的安裝連接方式以及支持HART協(xié)議的傳輸?shù)鹊忍攸c，為對現(xiàn)有系統(tǒng)的改造和擴展鋪平了道路。

從上面的特點可以看出，應用該遠程I/O構(gòu)成系統(tǒng)時，既發(fā)揮了現(xiàn)場總線的諸多優(yōu)點， 又克服了現(xiàn)場總線在危險區(qū)應用時所面臨的問題。

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對于石油制品的需求量也在大幅度地增長。因此，為了快速提高煉油能力，更好地滿足這些要求，我國近些年來在各地建立起了為數(shù)眾多的煉油企業(yè)，原有的煉油企業(yè)也在不斷提高其自身的煉油能力。為了生產(chǎn)的高效與安全，煉油企業(yè)對各煉油裝置以及罐區(qū)等公用工程的自動化管理水平提出了更高的要求。但是，對于國內(nèi)各大煉油廠的調(diào)查顯示，各罐區(qū)的自動化管理水平普遍很低，而且長期以來普遍存在著重視煉油裝置控制自動化水平的不斷提高而輕視對罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)自動化水平提高的情況， 　油罐的 “冒頂” 及爆炸的事故率明顯高于各裝置的事故率。 近年來， 特別是近一、 二年以來各裝置的“DCS”化改造已基本完成的情況下，對于提高各罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的自動化水平的呼聲和要求也越來越高。為此， 國內(nèi)主要從事煉油生產(chǎn)的“中石化”和“中石油”兩大公司準備拿出大量的專項資金來對各煉油廠的罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)進行改造和升級。 而采用DCS作為罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)存在上面提到的諸多的問題，國外應用現(xiàn)場總線來解決這些問題時又遇到了諸多的困難。因此，如何設(shè)計出一套適合于罐區(qū)的、先進的、高效的、功能齊全的、經(jīng)濟性好的監(jiān)控系統(tǒng)是目前國內(nèi)外工程技術(shù)人員們急需解決的一個問題。

該問題的圓滿解決必將對于提高罐區(qū)的自動化管理水平進而提高整個工廠的管理水平，降低工人的勞動強度，改善工人的工作條件，避免事故的發(fā)生，減少系統(tǒng)改造的初期投資及今后的運行費用等等方面具有十分重要的意義。

新型罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)具有如下的優(yōu)勢：

1、 分層控制及多重冗余技術(shù)的應用，系統(tǒng)更加高效、安全。

2、 系統(tǒng)軟硬件均采用當今先進的主流產(chǎn)品，用戶無今后改造升級及二次開發(fā)的后顧之憂。

3、 人機界面友好，操作簡單而直觀。

4、 現(xiàn)場總線技術(shù)、遠程I/O技術(shù)、安全柵技術(shù)的完美應用，使系統(tǒng)今后的擴展十分方便。

5、 I/O接口單元可直接放置在危險1區(qū)，從而節(jié)省大量線纜及端子、槽盒、橋架等相關(guān)的材料。

6、 大量硬件材料的節(jié)省，使施工變得非常簡單，從而節(jié)省大量的人工費用。

7、 接線點數(shù)的減少，勢必使故障點數(shù)大為減少，從而使系統(tǒng)的維護費用顯著減少。

8、 多種診斷與自診斷功能，使系統(tǒng)的故障診斷及定位十分快捷。

9、 I/O層及現(xiàn)場層支持“在線插拔”，系統(tǒng)檢修及更換缺損部件時無需停機，極大地提高了系統(tǒng)連續(xù)運轉(zhuǎn)的能力。

10、 多級安全管理措施，詳細的操作 記錄功能，使系統(tǒng)的管理工作更加科學、有效。

NCS3000網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是具有良好的性能價格比的商品化、工業(yè)級的產(chǎn)品構(gòu)件系統(tǒng)硬件平臺， 保證了系統(tǒng)的可靠性和易于操作性，系統(tǒng)規(guī)模也易于擴展。 由一臺數(shù)據(jù)庫服務器和若干臺管理用計算機組成， 來自于各個控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)（儲油庫區(qū)自動控制系統(tǒng)一級外場加油自動控制系統(tǒng)）經(jīng)過各個控制系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)實時的存儲到數(shù)據(jù)庫服務其中，保證數(shù)據(jù)的準確和完整，由數(shù)據(jù)庫服務器提供對這些數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、分析功能，并可生成各種報表，供管理分析使用。另外，通過使用專用保密線路，還可以將各個油庫、場站的數(shù)據(jù)定期自動傳送到位于油料處的中心服務其中，是油料處的管理人員直接明了的了解各個油庫、場站的各種數(shù)據(jù)。真正實現(xiàn)讓“高新技術(shù)提升部隊綜合保證能力”。 由于利用了先進的現(xiàn)場總線技術(shù)、OPC技術(shù)、信息集成技術(shù)和分布式技術(shù)，極大的減少了現(xiàn)場設(shè)備對電纜、接線端子的需求以及后期維護的工作量，并且保證了采集信號的完整性以及信號的精度，使原有的互相孤立的各種信息資源有機的集成到中心數(shù)據(jù)庫中，從而在整個庫區(qū)形成一個綜合自動化系統(tǒng)，取得良好的社會效益及經(jīng)濟效益，受到用戶好評。

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