1.前言
海南煉化30萬噸級原油碼頭和10萬噸級成品油碼頭由1個原油泊位和4個成品油泊位組成，是目前國內(nèi)規(guī)模最大，技術(shù)水平最高的輸油碼頭，承擔(dān)了海南煉化原材料輸入和最終產(chǎn)品輸出的任務(wù)。輸油碼頭屬于危險防爆2區(qū)裝置，設(shè)備分布非常分散，主要控制的對象有溫度、壓力、流量、閥門等，這就要求其控制方案必須有一套完善的控制、聯(lián)鎖、報警和急停系統(tǒng)去完成工藝參數(shù)的采集與監(jiān)控。
海南煉化在新建油品碼頭過程中，針對裝置的防火防爆要求，以及設(shè)備分布較分散，控制對象要求較高等情況，選用了GE Fanuc公司的MOST開放式控制系統(tǒng)，收到控制效果好、精度高和投資省的較好結(jié)果，滿足了海南煉化油口碼頭的生產(chǎn)要求。
2. 控制系統(tǒng)硬件配置設(shè)計
海南煉化原油和成品油碼頭各自采用獨立的控制系統(tǒng)，共由5個現(xiàn)場控制站組成。其中原油碼頭占用2個控制站，成品油碼頭占用3個控制站，原油和成品油碼頭控制室各設(shè)1個操作站和1個工程師站組成。控制站與操作站相互之間采用百兆級冗余以太網(wǎng)連接，組成一個完整的控制系統(tǒng)，如圖1所示。
2.1控制站
原油碼頭控制系統(tǒng)中包括2個控制站、1臺操作站、1臺工程師站兼操作員站。其中1#控制站放置在1#原油泊位現(xiàn)場控制室內(nèi)，原油引橋控制站則直接放置在距離控制室兩千米左右的裝置現(xiàn)場，因此對硬件系統(tǒng)的防爆性能、通訊系統(tǒng)、工作范圍、可靠性、魯棒性以及防腐蝕能力要求較高。每個控制站均采用冗余控制器、冗余電源、冗余網(wǎng)絡(luò)的原則進行配置，其中1#控制站由4個電源模塊、2個控制器、24個I/O模塊組成，原油引橋控制站由2個電源模塊、2個控制器、8個I/O模塊組成。
成品油碼頭控制系統(tǒng)中包括3個控制站、1臺操作站、1臺工程師站兼操作員站。其中2#泊位控制站放置在2#泊位現(xiàn)場控制室內(nèi)，4#泊位控制站放置在4#泊位控制室成品油碼頭控制系統(tǒng)中包括3個控制站、1臺操作站、1臺工程師站兼操作員站。其中2#泊位控制站放置在2#泊位現(xiàn)場控制室內(nèi)，4#泊位控制站放置在4#泊位控制室小、2個控制器、24個I/O模塊組成，4#泊位控制站由2個電源模塊、2個控制器、60個I/O模塊組成，消防泵房控制站由2個電源模塊、2個控制器、16個I/O模塊組成。
其中原油碼頭1#泊位控制站與成品油碼頭2#泊位控制站提供冗余的Modbus接口與海南煉化罐區(qū)DCS系統(tǒng)進行通訊，便于罐區(qū)操作人員及時掌握碼頭生產(chǎn)操作的運行狀態(tài)。/
成品油碼頭裝船時需要對油品進行計量，因此對計量系統(tǒng)的要求非常高，因此2#泊位控制站和4#泊位控制站除了接收現(xiàn)場質(zhì)量流量計的4~20mA瞬時流量信號，同時提供冗余的Modbus接口與質(zhì)量流量計進行RS485通訊，接收瞬時流量、密度、累積量等信息。正常情況下以通訊值為準，通訊中斷時以4~20mA信號為準，實現(xiàn)多方案對油口輸出裝船計量進行監(jiān)控。
2.2 控制器
根據(jù)碼頭裝置生產(chǎn)的特點，CPU模塊選擇了MOST混合控制器，該控制器具有高度靈活的數(shù)據(jù)采集輸入輸出和控制功能，可實現(xiàn)常規(guī)控制、邏輯控制和順序控制。控制器采用266MHz 32位微處理器，25M內(nèi)存，雙以太網(wǎng)和雙串行通訊接口，支持API、現(xiàn)場總線、ModBus、HART、點對點通訊以及OPC，可以實現(xiàn)冗余配置，可直接安裝在危險2區(qū)。一個控制器最多可安裝64個I/O模塊，支持熱插拔。雙路電源供電。
冗余控制器配置中，冗余控制器互為備用，同步接收輸入信號數(shù)據(jù)，同步執(zhí)行控制計算，同時互相傳送計算結(jié)果。當一個控制器監(jiān)測到錯誤時，無故障的控制器可以立刻接著進行控制，實現(xiàn)無擾動切換。
2.3 IO模塊
MOST系統(tǒng)的電源、控制器和I/O模塊可以直接安裝危險2區(qū)，部分I/O模塊內(nèi)置本質(zhì)安全型安全柵，無需額外安裝安全柵，通道隔離、監(jiān)測以及LED指示，支持多種信號類型，支持在線熱插拔。模擬量輸入A/D轉(zhuǎn)換分辨率達到16位，模擬量輸出A/D轉(zhuǎn)換分辨率達到12位，能夠?qū)ΜF(xiàn)場回路進行檢測，內(nèi)置輸入變量線性化、工程單位轉(zhuǎn)換、開平方濾波、報警及冷端溫度補償運算功能。IO卡件具備最快20ms模擬量調(diào)節(jié)功能，10ms數(shù)字量控制功能和1msSOE控制功能。
3. DCS系統(tǒng)軟件設(shè)計
MTL公司提供整個區(qū)域的系統(tǒng)軟件，主要包括MOST系統(tǒng)組態(tài)、控制策略軟件WorkBench和人機界面HMI軟件。
3.1 系統(tǒng)組態(tài)和控制軟件
系統(tǒng)使用Workbench進行系統(tǒng)硬件和控制策略的組態(tài)。整個控制軟件涵蓋了閥門控制回路、報警聯(lián)鎖回路、計量累積回路，馬達控制回路等全部的油品碼頭生產(chǎn)自控程序。
所有的回路控制和聯(lián)鎖功能在現(xiàn)場控制站獨立運行。通過控制站的網(wǎng)絡(luò)功能，控制站與控制室的操作站進行通訊聯(lián)系。操作人員的操作控制指令由操作站通過網(wǎng)絡(luò)下達至控制站。
3.2 人機界面軟件
操作站人機界面(HMI)軟件應(yīng)是基于Windows XP操作系統(tǒng)的軟件。可以創(chuàng)建強大的、功能齊全的監(jiān)控系統(tǒng)，充分利用Microsoft Windows的先進功能，包括ActiveX控件、OLE、圖形、網(wǎng)絡(luò)等。還可以通過添加自定義ActiveX控件、向?qū)А⒊Ｒ?guī)對象、以及創(chuàng)建來擴充的功能。操作站人機界面(HMI)軟件主要完成實時監(jiān)控、歷史記錄，數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)報警及打印報表等重要功能。
采用高性能計算機作為監(jiān)控系統(tǒng)支撐硬件平臺，以Windows XP和組態(tài)軟件構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)運行平臺。提供友好的人機交互界面功能、圖形處理功能、報表處理功能、報警處理功能、查詢功能、用戶權(quán)限管理功能等。
3.3 文件資料
整個DCS系統(tǒng)文件資料包括：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、系統(tǒng)配置圖、IO清單、機柜布置圖、電源分配圖、接線圖、控制回路圖、邏輯聯(lián)鎖圖等。
4. 控制系統(tǒng)實施
通過對DCS系統(tǒng)配置的審查，最終確定以上整體方案。DCS系統(tǒng)的組態(tài)、現(xiàn)場設(shè)備安裝、調(diào)試和投用過程大約花費了60個工作日。由于使用了Workbench的Strategy進行組態(tài)，整個組態(tài)過程相當方便、快捷。出錯率也相當?shù)汀Ｕ麄€系統(tǒng)一次開車成功。
5. 控制系統(tǒng)性能分析與改進
對于使用于防爆2區(qū)的控制系統(tǒng)，MOST控制系統(tǒng)相比其他廠商的DCS系統(tǒng)來說相對較便宜。其節(jié)省投資的部分主要來自于節(jié)省了危險／安全區(qū)安全柵的設(shè)備投資。其次，由于控制站可以安裝在控制現(xiàn)場，一次儀表只須連接到現(xiàn)場控制站而非全部連接到中央控制室。這樣就節(jié)省了信號電纜，這對控制裝置分布較散、區(qū)域較大的控制系統(tǒng)來說，就顯得尤為重要，可節(jié)省大量的電纜投資。碼頭裝置屬于典型的分散性裝置。
原油碼頭和成品油碼頭控制系統(tǒng)自2006年7月開始投入運行，運行情況良好。迄今為止，DCS系統(tǒng)已經(jīng)安全、無故障運行長達16000小時。其間經(jīng)歷了一個夏季高溫的考驗。在夏季高溫時期，機柜內(nèi)部最高溫度62℃。經(jīng)過三個夏季的考驗，證明MOST系統(tǒng)可耐較高的氣溫。沒有發(fā)生過控制器因高溫而中止運行或復(fù)位重啟等故障現(xiàn)象。
MOST系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡潔，安裝方便，接線故障率少，可靠性較高。軟件的組態(tài)也較方便，花費時間少，維護方便、直觀。圖形化的編程方式給用戶的組態(tài)，調(diào)試和維護有很大的幫助。在線調(diào)試功能使監(jiān)控數(shù)據(jù)一目了然，方便查找編程錯誤。提供的功能模塊能滿足自控系統(tǒng)的要求，組態(tài)調(diào)用很方便。
目前碼頭控制系統(tǒng)只能夠?qū)崿F(xiàn)單純的開關(guān)閥門，無法實現(xiàn)定量開閥和定量裝船。可以將每條輸油管線的最后一個閥門改為調(diào)節(jié)閥，即可實現(xiàn)定量開閥和定量裝船。此外，整個碼頭的調(diào)度位于成品油碼頭，無法從操作站看到原油碼頭的實時信息。如果能夠?qū)⒊善酚秃驮痛a頭網(wǎng)絡(luò)連成一個網(wǎng)絡(luò)，就可以實現(xiàn)上述要求。但是由于兩個碼頭距離在八千米左右，光纜的成本會非常高。目前已有可以直接安裝在防爆2區(qū)的無線以太網(wǎng)交換機進入市場，可以選擇無線交換機實現(xiàn)兩個碼頭網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。
