【摘 要】：面對油庫傳統設備多的現實，在我國油庫自動化水平亟待提高的背景下，應用基于現場總線的Siemens自動化技術構建了油庫監控系統。介紹了PROFIBUS現場總線與AS–i總線的特點、長處以及它們在整個SCADA系統中所處的不同位置和所起的不同作用，從而兩者集成而構建的監控系統不僅使得通信、控制更趨流暢、有效，而且使得對現場安全情況的監視更加可靠，另一方面，本監控系統適合我國油庫設備現狀，并且已成功應用于油庫。 關鍵詞：油庫監控系統 PROFIBUS AS–i總線 主、從站 l 前言 油庫作為協調原油生產和加工、成品油運輸及供應的紐帶，發揮著重要的作用，其業績優劣、效率高低將直接影響到石油企業的整體效益。然而在我國，油庫自動化水平與石油能源被重視程度相比還有較大距，如：自動化設備少，生產管理過程還依賴人工監測、作業，人員龐大，效率不高；自動化程度低，設備功能單一，智能化儀表應用不夠，系統間集成困難，數據分散；采用傳統信號傳輸方式，增加了傳統儀、管線的安裝、敷設工程量，同時加大了現場維護、防爆的難度。 油庫一般位于較空曠的地方，占地面積較大，罐區分散，相距較遠，且遠離主控室，在油庫監控中需對現場層的油泵閥位進行控制以有效地控制進出油品；對于儲罐溫度以及油霧密度、罐壁壓力等有嚴格的限制，對現場進行電視監控，從而可確保工作現場的安全性。由于工作環境的分散和現場突發事件后果嚴重的特點，所以不允許太長的檢修時滯存在，這樣就制約了人工的實時檢修，也產生了我們需要的“集中管理、分散控制、及時報修”的控制系統功能要求。在輸轉油料時主要需對油庫的閥位狀態和油品流量進行檢測，在儲存期間采集油料液位、溫度、密度、壓力等參數，同時將在罐區所測的一系列物理量參數在控制室的工控機上顯示出來，輔以信息流暢通的網絡結構，構成統一的MIS系統，以利于油庫的管理。 面對日益激烈的國際能源市場競爭，在石化企業安全事故頻發的背景下，迫切要求油庫提高效率、加快周轉，加強安全管理，提高自動化水平，以油庫信息化、自動化的技術手段構建一個統一的數據采集、處理平臺，最終優化石油企業整體功能，增強其綜合競爭力。 2 油庫監控系統工程概況 2.1 油庫介紹 油庫是接卸、儲存、供應油品的基地，而原油有易爆、易燃、易揮發、易聚積靜電等屬性，所以庫 區范圍大，路線遠，從而導致監控站遠離各罐區現場的作業層，這樣就需要現場的信息能夠及時有效地傳輸到監控站，便于主站迅速給出指令。總的來講，依照工廠自動化系統的架構，整個油庫可分為3個不同層次，即底層作業層、監控層和管理層。作業層包括現場的監控設備、自動檢測、自動控制系統，具體實施包括計量、收、發油品的運作過程，油罐自動檢測控制部分、油庫現場視頻安全、油氣報警設備。監控層在網絡環境下，收集作業部分采集的數據和信息，提供系統統一監控平臺，滿足集中管理的要求，為最高部分的管理層系統提供數據，支持日常業務管理和決策。油庫管理系統結構如圖1所示。 本文所述油庫共設6×1000m3儲罐，彼此相距數百米，對于每個罐區，都有自動付油系統、罐區儲油計量系統、油氣泄漏監控報警裝置和視頻監控、噴淋降溫設備，現場的儀器儀表較為復雜。 2.2 罐區檢測設備及控制對象 如上所述，6個罐區中的每一個都具有油罐液位檢測裝置、溫度測量裝置，使用磁致伸縮式液位計測量液位，用熱電阻作為溫度感應探頭；為了避免溫度過高使油罐內的油品油質變劣和保證油霧密度在本質安全范圍內，要求溫度被控制在低于35℃，為此，設置自動噴淋裝置，同時配套電機、水池等，這些組成罐區自動測量單元；在接卸、輸送油料過程中，使用流量計精確測量油料的質量，質量流量計的精度和綜合性能較好，不僅可以測量流量和理論質量還可測量油料的密度、壓力等參數。使用數字式電磁閥控制油料收發，同時配以防溢油開關實現定量以減少油氣損耗，為防止輕質油由于氣溫變化在輸送過程中出現氣泡對儀表的測量精度和穩定性產生影響，在流量計前安裝消氣過濾器以保證測量精度，在現場還配以IC卡讀寫器進行用戶自助發油，這些組成接卸、輸送單元；在安全保護報警方面，應用防雷、防靜電接地開關。設置安全檢測裝置，在罐區、泵房、閥門間等疑似可燃氣體泄漏點加設可燃油氣報警裝置、高阻漏油檢測裝置，以消除隱患。另外罐區還有數個不同角度的攝像頭，進行動態監視，多幅視頻圖像可以通過同軸電纜與切換器、監視器相聯，這樣主控室可以全面把握各罐區現場圖像動態信息，為采取消防措施作出迅速反應，這些組成安全監控及超限報警單元。以上就是現場的一些檢測系統和執行機構，均選用較為先進的產品，并根據安裝的環境要求具有相應的防護等級。 3 油庫監控系統開發方案 3.1 現場總線 現場總線是隨數字通信網絡延伸到工業過程現場而興起的工業控制系統的新型通訊標準，它有如下優點：①數字化，用于生產管理的企業局域網與自動控制的現場總線網絡緊密銜接，數字信號精度高、抗干擾能力強，整個系統可靠性高；②全分布式，實現現場設備智能化，系統分布式控制；③自診斷多功能智能化現場儀表，避免了傳統儀表功能單一的弱點，可將自診斷信息上傳到主控室且獨立工作能力強，提高了整個系統的可靠性和容錯能力；④減少了布線工程量，設備接人總線網絡；⑤系統具有開放性和互操作性，符合國際標準的不同廠商的產品可集成使用，降低了控制系統的成本。 3.2 應用基于PROFIBUS的西門子全集成自動化技術構成監控系統 依據現場總線控制系統的特點和適用范圍，結合本工程的實際狀況和技術要求，采用PRO—FIBUS現場總線控制系統。圖2為監控系統網絡結構圖。 本系統是由一整套以PLC為核心、開放式現場總線網絡為主體架構的計算機監控網絡構成，具體分為3個層次：①管控主站層；②庫區PROFIBUS–DP主干網絡層；③執行器、傳感器層。 3.2.1 管控主站層 主站層全部采用SIEMENS PLC模塊，CPU414–DP，通過CP443–5模塊與網絡通訊。主站PLC（可以是多個不能相互控制但可以相互傳輸數據的PLC）與上層PC相聯構成主控中心，工程師站用于各個現場從站的組態和維護，操作員站完成對油罐各個部分的運行監視、數據采集和其它自動檢測系統的調度功能。主站配備打印機用于報表打印、報警打印。整體采用C/S結構，系統服務器雙機熱備以增加系統可靠性，通過工業以太網與上層通訊接入整個企業辦公管理系統。該層是整個油庫監控系統的調度核心。 3.2.2 庫區PROFIBUS–DP主干網絡層 庫區主干層采用的是PROFIBUS，選用4芯光纖，冗余連接，所有分站通過．PROFIBUS接入主站，實現數據的采集、信息的交流，每個罐區的溫度、液位、流量、管道壓力、視頻信號、電磁閥信號傳輸到主站。 3.2.3 執行器、傳感器層 AS–i即執行器—傳感器接口，是一種用于在主控制器和傳感器/執行器之間雙向交換信息的總線網絡，它屬于現場總線的底層網絡。通過網關它與PROFIBUS實現連接，網關作為上層總線的一個節點，下面可以掛接一批AS–i從站。AS–i總線主要用于具有開關量特征的傳感器/執行器系統，傳感器可以是各種遠離接近開關以及溫度、壓力、流量、液位開關等。執行器可以是各種開關閥門，聲、光報警器，也可以是其它電器。傳感器/執行器掛接在AS–i總線上的方式分為兩種，一種是帶有AS–i通信接口的智能A/S，內部裝有AS–i模塊專用芯片，直接掛接到AS–i總線上；另一種是分布式的，由專門的AS–i接口模塊和普通的A/S連接起來。AS–i電纜采用2芯扁平電纜，穿刺安裝把線壓在連接件上，簡單可靠，它是由特殊的合成橡膠作為絕緣保護層，當它被從連接件上拔下，穿孔處自動閉合，因此可反復使用，它不僅傳輸報文，還通過網絡給A/S等電路提供電源。 如圖3所示，AS–i總線通過SIEMENS DP/AS–i鏈路模塊與PROFIBUS-DP總線連接，這種耦合器是PROFIBUS-DP從控設備和AS-i的主控設備，可連接最多62個AS–i從站模塊，這些從站模塊的狀態都被DP/AS–i鏈路模塊的LED顯示。DP/AS–i鏈路模塊由AS–i扁平電纜供電，無需附加電源。圖3中K45，K60模塊是防護等級為IP65/67的現場安裝AS–i接口緊湊型模塊，有數字型、模擬型和氣動型，通過A/S連接器與傳感器/執行器相聯。 帶OLM光纖鏈路模塊的PROFIBUS-DP光纖網絡由于使用光信號傳輸，不會因為外部干擾場而受到損害，無接地問題，實現了電氣隔離，對于罐區的安全大有裨益，而且重量輕，安裝方便。OLM光纖鏈路模塊具有工業雙絞線（ITP）和FOC（光纖）接口，通過FOC接口，幾個OLM可組成如圖2的光纖環網。 3.3 PLC的選型配置 為保證技術先進，操作簡便，方便后續的擴建，設計采用西門子公司的S7-400系列PLC產品，它模塊化結構、擴展功能強，結構堅固、可靠性高、功能全面、運行速度快，具有強大的通訊能力和集成的系統功能，應用方便，適用于油庫油料流量、罐壁壓力等的監控工程。油庫數據采集和狀態監視多、程序控制較多，使用S7-400作為主站，通過CP443-5通信模塊與PROFIBUS網絡通信，現場信號通過PROFIBUS傳至主站。 S7-400可以帶電插拔輸入/輸出模塊，運行時即可更換模塊，以保證系統連續不間斷運行。S7—400主要性能指標如下：①程序運算速度，位和整數運算0.1/μs，浮點運算0.6/μs；②I/O功能，DI/DO：65536，AI/AO：4094；③用戶內存，128 kB用于程序，128 kB用于數據，可擴展至15 MB；④通用接口，多點接口MPI，PROFIBUS—DP：12Mbit/s。 3.4 軟件設置 PROFIBUS-DP總線共有7個站，其中S7-400作為Master主站，其余均為Slave從站，應用STEP7對各個站點進行地址分配，使系統組態，并且對可以設置的模塊參數化，同時還要進行通信組態，確保參數匹配正確，使網絡真正建立通信。 工控機監控軟件WinCC是基于人機交互式監控系統，運行于Windows平臺上，其強大的過程接口界面和高度的安全數據存檔特性，適合于油庫流程和控制過程的操作及監控。該軟件根據用戶建立的數據信息，把PLC信息直接連接到用戶應用圖形上。操作人員可以通過操作畫面及流程圖，監控油庫狀態和運行數據，發出控制命令，也可進行參數修改、故障處理復位、報表打印等，實現自動化管理。其主要操作畫面有：①油庫工程平面總貌布置圖；②油庫工藝流程及模擬靜態、動態圖；③油庫工程自動控制系統及電氣接線圖；④各個罐區參數顯示圖、實時及歷史趨勢圖、報警摘要列表顯示。 4 總結 現階段具有總線接口的智能儀表多為進口，而油庫傳統設備較多，全總線系統難以一蹴而就。本監控系統以PROFIBUS為系統骨干，AS–i總線為補充的集成結構一定程度上解決了這種矛盾，適合于我國油庫現狀。該系統整體性好，安全可靠，功能齊全，運行維護方便，應用后獲得了用戶的好評。整個油庫自動化是非常復雜的系統，投資大，難以一步到位，在改造、再建油庫監控系統時應整體規劃、漸進實施。 來源：電氣傳動