基于現場總線的罐區遠程監控系統
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1.1.1 罐區監控系統內外的發展概況及存在的問題
在煉油企業中，為了配合生產流程，要對原油、半成品油及成品油進行運輸和存儲，為此企業均建有大量的各種儲罐。由于在油品的運輸及存儲過程中油氣的揮發不可避免的，因此，罐區是比較典型的“危險區”。
企業的生產及管理部門每天都需要掌握罐內存儲介質的液位、溫度、體積和質量等重要數據，既要保證數據的準確和及時，又要確保儲罐的安全，防止意外事故的發生。罐區儲罐數的精確檢測、工藝流程的有效管理，對于相關生產裝置的安全和平穩運行具有十分重要的意義。
由于我國具體的國情，期以來對罐區的管理主要是靠工進行，并沒有形成真正意義上的“監控系統”。最初只是靠有經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視。該方法原始而又繁瑣，人為因素影響大，精度低。危險區中的有毒有害氣體對操作工的身體造成很大的危害，而且在氣候惡劣的條件下，操作工在油罐上爬上爬下很不安全。
為了提高對儲罐參數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對液位進行自動測量的儀表。該儀表一般由一次儀表和二次儀表兩部分組成。位于現場的一次儀表采集各油罐的液位參數并通過統一的模擬信號如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。但通過些二次儀表僅僅能夠對儲罐參數進行“監視”而無法實施控制，因此具體的控制工作仍需人工進行。
隨著生產規模的不斷擴大，罐區的規模也越來越大，油品的種類也不斷增加。管理人員按照由生產部門所制訂的生產計劃和常年積累下來的經驗對罐區進行監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，這對生產的安全是很不利的。
隨著計算機技術的不斷發展，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成的集中與分散相結合的集散控制系統DCS（Distributed Control System）被廣泛地應用到各行各業。因此，近年來人們開始嘗試使用計算機構成監控系統來對罐區進行綜合的管理。
由于DCS在煉油廠各裝置中的廣泛應用，廣大工程技術人員具備了較豐富的經驗，因此在構造罐區監控系統的時候紛紛參照各裝置中DCS的做法。在硬件結構方面，類似于煉油裝置，罐區現場的儀表將溫度、液位等參數轉換成統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，因此系統結構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，系統施工時要耗費大量的人力，且很難保證連接的可靠性。為數眾多的連接點及故障診斷的困難，也給日后系統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。
有關資料顯示，在發達國家中罐區監控系統已普遍使用了DCS。近年來，隨著煉油企業生產規模的不斷擴大，各企業都不斷地增加了儲罐的數量，為了將這些儲罐納入到已有的DCS中進行統一管理，需要重新進行布線。罐區系統地理分布廣、范圍大所引發的問題也越來越突出。為了解決這些問題，國外的一些專家和學者正在試圖將近年來發展很快的現場總線技術應用到罐區的管理中來。
但是，目前在石化、化工等領域中，現場總線應用的實例還不多見。這與化學工業生產過程復雜多變，并且生產環境帶有潛在爆炸危險等特殊之處有很大的關系。因為在具有潛在爆炸危險的環境中應用肯定會遇到有別于其它環境的問題。在這一領域中對基于現場總線的新型控制系統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境中生產過程的絕對安全。
2）、要有很高的可靠性，以保證數據在任何狀況下的可靠傳輸。也就是
要做到“線路冗余”。
3）、對應“連續過程”這一特點，控制系統要有處理模擬數據的能力。
并且還要滿足“在線參數化”的要求。
4）、所有現場設備可以在線插拔，而不影響系統的正常工作。
從目前現場總線在這一領域的應用來看，其遇到了如下幾個問題： （1）、危險區中的防爆問題。
如果采用隔爆或澆封的防爆形式，一方面為現場設備配電十分困難；
另一方面檢修或更換缺損部件時需要先將電源斷開，這樣做往往是不允許的。
目前普遍采用的防爆方法是本質安全。但是，由于能量方面的限制就
使得每個總線分支上允許連接的現場設備數量非常有限，這就又有駁于單一總線分支上盡可能多地連接設備的初衷。例如，FF每一個分支上允許連接的設備一般為 4到5個，而PROFIBUS-PA每一個分支上允許連接的設備一般為 8個左右。圖1-1所示為危險區中的典型總線結構。因為總線的H1網卡必須要放置在安全區，所以這樣做就要有大量的總線電纜位于安全區與危險區之間，現場總線方便接線、節省電纜的優勢就大打折扣。
（2）、現場設備可選余地小。
由于要求現場設備必須為本安且只有通過標準的總線接口才可與總線相連，但是目前滿足這一要求的現場設備的品種很少，因此可選擇的范圍很小。
（3）、難以建立起冗余系統。
出于系統連續運轉的要求，如果采用現場總線，那么，系統的連續運轉能力至少不能夠比采用傳統的控制結構低。傳統的控制結構中，某一點的故障只會影響這一個或幾個相關點的工作，不至于影響到整個的控制系統。但是這種點對點的連接（一根導線上只連接兩個點）概念與現場總線的在一根總線電纜上盡可能多地串接設備的概念是相互矛盾的。為了提高系統的連續運轉能力，就要考慮將現場總線系統設計為冗余的結構，但目前無論是FF（基金會現場總線）還是Profibus-PA總線的H1網段均不支持冗余，應該講這是一個很大的問題。
（4）、循環時間長，反應速度慢。
在滿足本安的情況下，總線的最高傳輸速率為31.25KBaud，本身速度不快。再加上采用如圖1-1所示的結構使得若組成一個較大的系統，總線對每個節點循環一周所需的時間就會比較長，因此系統的實時性相對較差。
（5）、不是所有的現場設備都可以在線插拔。
目前面臨的這些問題，給現場總線在罐區監控系統中的應用帶來了很大的障礙。如何解決這些問題，成為目前國內外工程技術人員研究的一個熱點問題。
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