超越控制——青岛大炼油的全集成自动化过程控制系统

　　　
  摘要：以西门子PCS 7全集成自动化控制技术为依托，青岛大炼油成功实现全国首例炼油厂全厂的DCS控制。青岛大炼油全厂DCS控制系统的成功应用，不但实现了炼油大型化、集约化生产的战略目标，更在高效、节能、环保等方面做到了全方位的创新和领先，堪为新一代全厂自动化控制系统的价值典范。
  关键词：DCS  PCS 7  全厂自动化
  前言
　　由于我国工业经济快速发展，汽车消费市场成长迅速，能源的需求日益旺盛，导致我国成品油市场一度出现“油荒”现象。在炼油环节，我国炼油行业一直以来存在炼厂数量多、规模小、效率低下等问题，炼油行业亟需加快大型化、集约化的发展步伐。因此，近年来，千万吨炼油、大型炼油基地成为国内石油加工行业的热门词汇。
  　　中石化青岛大炼油是中国第一座一次建设规模达到1000万吨炼油能力的炼油企业，投产后可实现年加工进口原油1000万吨，每月可为国内市场增加成品油供应近60万吨，能有效缓解成品油供应紧张的局面，降低我国高价成品油的进口量。同时，以青岛为中心的胶东半岛有望成为国内最大的石化基地。
  　　作为中石化调整国内炼化产业布局、打造环渤海湾炼化产业集群的重大战略项目，青岛大炼油主要技术经济指标均达到国内先进水平，整体技术装备和技术水平处于国内领先地位。青岛炼化厂区总占地面积达到222.1公顷，但整个厂区仅需500人管理，这得力于其全厂采用了全集成的自动化控制系统，不但实现了炼油大型化、集约化生产的战略目标，更在高效、节能、环保等方面做到了全方位创新和领先，堪为新一代全厂自动化控制系统的价值典范。
  绿色炼油
　　石油加工过程中会产生各种污染环境的物质--废水、废气、废渣，这些污染物不仅污染了环境，还造成了物料和能量的大量流失与浪费。长久以来，使得炼油项目在人们印象中成为了重污染、高能耗的代名词。作为我国首个单系列千万吨级炼油项目--青岛大炼油，也曾受到人们的诸多质疑。它是否能像预期的那样：“实现经济效益和环境效益俱佳”？是否能实现规模经济？是否能实现循环经济的发展模式？是否还能保持西海岸红瓦绿树、碧海蓝天的居住环境？
  　　面对质疑，青岛大炼油迎难而上，率先引入绿色炼油、清洁生产的理念，从原料处理、加工到产品精制，均采用先进工艺技术；工艺装置和系统工程，均采用集成化的节能技术；生产经营管理采用全厂DCS控制系统，使得整个项目“技术先进、环保领先、规模经济”的鲜明特征凸显。
  　　绿色炼油、清洁生产的核心内容是通过全厂自动化、信息化的大力建设，促进生产经营管理过程的智能化和现代化，从而使得青岛大炼油项目有效降低了成本消耗、、增加了利润收益、优化了资源配置、控制了环境污染。
  　　绿色炼油、清洁生产是青岛大炼油实施可持续发展战略、提高市场竞争力、实现环境效益和经济效益“双赢”的有效途径。
  
  不二选择
　　青岛大炼油全厂采用“常减压＋延迟焦化＋加氢处理＋催化裂化”的加工方案，由16套工艺装置以及油品储运设施、公用工程系统及辅助生产设施组成，主要工艺装置包括：1000万吨/ 年常减压、250万吨/年延迟焦化、150万吨/年连续重整、410万吨/年柴油加氢、200万吨/年重油催化裂化、260万吨/年重油加氢脱硫、260万吨/年加氢裂化、20万吨/年聚丙烯等等，其中，9套装置创国内之最，是目前我国单系列最大的炼油装置。
  　　青岛大炼油的规模大、技术新、人员少，无疑对过程控制系统的可靠性、复杂性、功能的完善性、系统的可维护性、人机界面的友好性、数据的可分析可管理性等各个方面都提出了非常高的要求，尤其是以下三点，更是决定了项目的成败：
  　　1) 控制精度。炼油过程结合了精炼和化学处理过程，原油被按分子重量分成几个部分，这几个部分再被热能和催化剂作用裂解成其他更加有用的产品，整个炼油过程的关键就在于是否能实现对各项参数的严密高精度控制。同时，炼油厂能否盈利就要看每桶原油提炼出的高质量产品的数量，而获取每桶原油最大产出的有效措施也是高精度的控制系统。
  　　2) 可靠性。大炼油的石油提炼加工过程与一枚炸弹的唯一分别就是控制系统。石油提炼的很多工序都必须被严格的加以控制，以防止火灾和爆炸的危险，高度可靠的控制系统是炼油厂正常运行的基本保证之一。
  　　3) 控制性能。大炼油的全厂过程控制系统中有几万个I/O点，要求系统必须能够在同一时间对成千上百个P I D回路进行全部处理。高性能是大炼油DCS控制系统的基本要求之一。
  　　经过多方筛选和抉择，全集成的、结构完整、功能完善、面向整个生产过程的SIMATIC PCS 7过程控制系统，以其卓越的性能、高度的可靠性，成为了青岛大炼油全厂DCS系统的不二选择。谈到为什么选择PCS 7，青岛大炼油机动工程部主管陈主任指出：“运营、管理的独到之处，控制器的强大、可靠，以及西门子可信赖的专业性”都是PCS 7的取胜法宝。
  实施方案
　　全厂布局紧凑集中，生产装置采用联合布置，设一个中心控制室，生产装置、公用工程及储运系统、全厂火灾、可燃气体、有毒气体的监控和报警控制系统（F&GS）等均采用DCS控制系统进行集中操作、控制和管理，各装置及关键设备均设置了安全联锁保护系统（紧急停车系统），充分体现了“集约、高效、安全、稳定”的生产要求。
  　　全厂DCS控制系统由工程师站、操作员站、中央归档服务器（CAS）、I/O卡、各类机柜和OPC服务器等设备组成，全厂I/O总点数近30000点。整个DCS系统共配置盘柜300面，操作员站61个、现场机柜室（FCR/FAR) 17个、中央控制室（CCR）1个。
  　　在中央控制室中有108个生产操作台，共排成三排，所有重要的生产操作流程被全程监控，现场图像也可根据需要实时显示到监控屏幕中。“整个大炼油工程全部实现自动化管理，核心管理人员仅需要500名职工。”谈及全厂DCS控制系统中控室的徐工不无骄傲的说。按计划，整套生产设备四年才需要检修一次。
  
  　　整个DCS控制系统的结构（详见图2）可以分为3层：控制器层，在该层实现对现场仪表的控制和监测逻辑；服务器层，该层起到数据通道的作用；操作员站层，该层提供HMI便于操作员控制/监测工艺流程。
  　　系统的工程师站同时挂在两个网络上，即连接操作员/服务器的以太网和连接控制器的CPU的工业以太网。工程师站用于完成控制画面和控制策略的组态。
  　　在控制器层和服务器层之间是1Gbit/s的冗余环网，称为系统总线，它连接起所有的控制器和服务器，承担数据交换的作用。在服务器层和操作员站层之间是1Gbit/s的冗余环网，称为终端总线，它连接起所有的服务器和操作员站，承担数据交换的作用。
  　　系统选用高性能模块化的SCALANCE X-400交换机（图3）构成1Gbit/s的高速光纤冗余环网。当传输链路或环网中的SCALANCE X-400 交换机发生故障时，网络重构时间严格小于300ms，从而，大大增强了网络的可靠性。
  　　系统总线通过冗余的光缆以星状结构拓展至各个现场机柜室（FCR/FAR）。现场控制器全部采用AS400（图4）的高性能卡件，使组态，集成更为方便。
  　　系统的现场级控制采用的是PROFIBUS现场总线，不仅简单实现了控制系统的冗余；同时，使得现场级控制网络成为真正全分散、全数字化的控制网络。系统I/O站选用的是高密度配置的ET200M模块，ET200M通过两个IM153-2总线接口模块分别连接在两条PROFIBUS-DP总线上。每个ET200M单元均由2个IM153-2总线接口模块和其他若干数字量、模拟量输入输出模块组成。数字量、模拟量输入输出模块的数量和配置由现场站的所需控制和采集的点数所决定。
  
  
  技术优势
　　SIMATIC PCS 7是具有卓越系统特性和独特可升级结构的通用过程控制系统，它将灵活的模块化冗余技术以及统一的数据管理、通讯和组态等强大的性能组合在一起，是以经济、高效的方式组建和运行控制技术工厂的理想基础。而SIMATIC PCS 7在青岛大炼油全厂DCS控制系统中的应用，使其优势更加充分的显现出来：
  　　1) 系统设计充分体现了全集成化的思想，具有统一的通讯、统一的组态工具、统一的数据库，消除了DCS和PLC系统间的界限，真正实现了仪控和电控的一体化。
  　　2) 系统的所有硬件都基于统一的硬件平台；所有软件也都全部集成在SIMATIC程序管理器下，有同样统一的软件平台，充分保证了系统的一致性、可靠性、并增强了系统的可维护性。
  　　3) 现场总线技术的应用。系统现场级控制采用的是PROFIBUS现场总线技术。现场总线技术的成功引入，大大简化了系统结构，降低了成本；加强了现场设备的自治能力，全面提高了系统性能；增强了信号传输的可靠性和精度；突破了传统DCS控制系统的限制，实现了真正全分散、全数字化的控制网络。
  　　4) 大量冗余技术的采用，有效保障了系统的高可靠性和高连续可用性：
  　　　A） 控制器冗余。可以实现双控制器冗余切换的功能，当主控的CPU出现故障时，另一个CPU自动地接替主控CPU的工作，切换时间为毫秒级。
  　　　B） 光纤冗余环网。全厂控制网采用全光纤冗余网络结构，核心层为1GB光纤接口。不仅确保网络在任意一点的断开都不会影响网络的正常工作，而且，还大大增强了系统通讯的抗干扰能力。
  　　　C） 通信冗余。ET200M分布式I/O卡件和控制器之间使用冗余的PRFIBUS-DP网络，任何一个控制器的停机或I/O接口卡件的损坏都不会影响系统对I/O的访问。两对冗余控制器之间的通讯也采用了冗余的通讯方式,任何1个控制器或通讯卡件的停机都不会影响通讯的正常运行。
  　　　D） 电源冗余。10A 直流电源冗余配置，用于CPU和模板供电。
  　　5) 所有模块均有完善的自诊断功能、传感器断线监测功能、在线插拔功能，保证了系统安全、长时间运行，提高了系统的可用性和可维护性。
  　　6) 模拟量输入模块是西门子DCS系统的一个突出优点，一个模拟量模块几乎可以覆盖所有测量范围，包括：电压输入、电流输入、电阻输入、热电偶输入，所以西门子的模拟量模块又叫万能卡。
  　　7) 系统的操作员站（OS）是“过程的窗口”。操作、维护以及监控人员都可以对操作员站的过程活动进行跟踪，修改批量顺序，编辑实际的过程数值，或同过程进行通信。
  　　8) 系统采用符合IEC-1131-3国际标准的编程软件和现场设备库，提供连续控制、顺序控制及高级编程语言。现场设备库提供大量的常用的现场设备信息及功能块，大大简化了组态工作，缩短工程周期。
  　　9) 系统拥有ODBC、OLE等标准接口，并且应用以太网、PROFIBUS现场总线等开放网络，具有很强的开放性。
  骄人成果
　　在西门子PCS 7过程控制系统的全程保驾护航下，青岛大炼油顺利实现了“当年投产、当年达标”预期目标，生产的汽柴油全部达到欧Ⅲ标准，吨油费用、单位能耗、利润总额等均进入国内炼油企业前列；不仅有效调整了国内炼油产业结构、提高了炼化企业国际竞争力；同时，给上下游企业带来巨大商机，对西海岸石化产业链形成有力拉动。
  　　也正是在PCS 7过程控制系统的全面监控下，青岛大炼油成功实现了全流程封闭的生产和循环回收利用，使得各项环保指标均达到国际先进水平，污水重复利用率可达到96％以上,硫的回收率可达到98.5%以上。尾气中二氧化硫的年排放量比一个百万千瓦级的燃煤电厂还要低得多。西海岸上，澄澈的蓝天，碧蓝的海水，翻飞的鸥鸟就是最好的见证。
  　　环境效益和经济效益“双赢”局面的获得，不仅使青岛大炼油成为了石化领域跨世纪的一个样本工程，而且，其全厂DCS控制系统也成为了过程控制领域跨世纪的一个样本工程。同时，该项目的成功实施，也进一步强化了西门子作为优秀系统供应商和可信任的工程承包商的市场形象。
  为了明天
　　青岛大炼油全厂DCS控制系统的成功实施就像“吃螃蟹”的第一人，不仅为DCS系统的发展带来新的生机，更为我国炼油行业的发展踏出了一条光明的道路。
  　　过程控制系统是流程工业的“神经”，也是工业信息化建设的重要内容。长期以来，我国石化等流程工业的过程控制系统被数家传统DCS公司所垄断。正是由于此次西门子PCS 7在青岛大炼油项目中的成功实施，使得我国石化行业过程控制系统长期垄断的坚冰被一举打破。原有垄断局面的打破，不仅为我国石化行业引入了全新的控制产品，更引入了全新的控制理念。有了更多的产品选择，有了更多的设计思路，明天的石化控制系统肯定有不一样的发展。
  　　由于石化行业本身的特性，传统DCS系统都是基于仪表控制系统的思路建立和发展起来的，而此次西门子PCS 7在青岛大炼油项目的成功应用，不仅充分展示了其不逊于任何顶级传统DCS系统的优秀品质，更展现了其特有的优势。使人们完全摒除了原有对于DCS系统认识的一些陈旧观念，这不仅为PCS 7带来了更广阔的发展空间，也为更多过程控制领域带来了一种可靠、可信赖的新选择。
  　　青岛大炼油在西门子全集成自动化过程控制系统的帮助下实现了经济效益与环保效益的双丰收，有利的证明了虽然污染不可能完全避免，但是，大型化、集中化的项目更有利于污染的监控和治理，更有利于减低能源和资源的消耗，更有利于减低整体成本，更有利于带动区域产业链的发展。青岛大炼油的成功稳定运行，为我国炼油产业结构的调整打了一剂强心针，加快了我国炼油行业大型化、集约化的发展步伐。到2010年，如独山子、惠州、大连石化、兰州石化、抚顺石化等大炼油项目在内，我国新建、改扩建大炼油项目将达到21个。
  　　大系统最大的挑战和考验其实是时间，青岛大炼油一年多的成功稳定运行，不仅有赖于采用了高性能、高精度、高可靠性的PCS 7，同时，也有赖于西门子丰富的工程经验，以及完善、强大的技术支持。高质量的产品、专业的现场技术指导人员，以及全球化的专家团队，不仅有力保证了所有设备长期安全、可靠的运行；也为企业节省了大量的人力、物力成本，是西门子作为系统供应商和可信任的工程承包商优秀品质的充分展现。“信任西门子！”话虽简单，蕴意无穷。面对明天的考验，可信赖的应不仅仅是产品本身，还应包括对企业的信赖。
  
　　厂区最远端的火炬可以俯瞰整个厂区，可以看到浩瀚的大海，每次巡检的时候徐工都会爬到最顶端，看看碧海蓝天，看看海鸥飞过，他说这些是他们的成绩，这些是他们的责任！为了明天的碧海蓝天，为了明天的红瓦绿树，他和他们都会以更加严谨的工作态度去对待今天的每时每刻！