石化仪表控制系统的应用与发展

一 在线质量分析与环保安全仪表控制系统

1. 在线质量分析仪表

　　在线质量分析仪表的应用是实现工艺过程先进控制和优化控制的有效手段。在线质量分析仪表在装置调节控制、产品质量控制、节能控制和环保等方面得到广泛的应用。
　　在国外，使用在线质量分析仪表参与控制很普遍。据统计，仅常压蒸馏装置的在线质量分析仪表就有295台套，其中34台套实现了闭环回路控制。菲利浦斯石油公司8座分馏塔采用计算机和气相色谱仪参与过程控制，使8座塔平均节能24.7%。
　　近红外(NIR)分析仪发展很快，它是利用全息干涉栅扫描光谱技术实现的。新近出现的固态传感器光源效率高，而且体积小，没有活动部件，它能够快速扫描整个所需求的区域。NIR通过Michelson干涉仪得到中频IR光谱(2～25mm)，并利用快速傅立叶变换，以得到更高的分辨力，今后NIR将发展更精确的定位滤镜，研究所需检测物质的光谱带，开发新的传感器。NIR分析仪已应用于炼油厂油品分析与控制汽油辛烷值。

2. 环境监测仪表

　　随着石化工业的发展，石化装置对环境的污染越来越引起人们的注意。当前，国内外都在积极发展在线分析仪和计算机监控的环保自动化技术。日本出光兴产石油公司千叶炼油厂的污水排放监视系统中设置了pH、油分、DO、COD等仪器，可集中监视并记录。国内污水处理系统也采用了这些环保仪表。美国联碳公司得克萨斯城石油化工厂采用了总碳分析仪和计算机控制污染物的分析系统，对工厂的污水排放口进行监控。美国马拉松石油公司加利维尔炼油厂为了控制排气污染，采用了先进的UV自动过程分析仪和分散控制系统，大大降低了烟气中SO2的排放量，同时使操作和维修费用节约了60%。

3. 放射性仪表

　　随着计算机技术的发展，工业放射性仪表正不断完善功能，向智能化、高精确度、高可靠性方向发展，以适应生产自动采集、处理与生产过程闭环控制的要求。放射性工业仪表是实现生产自动化、产品无损检测的重要仪表。
　　放射性仪表的特点是不接触被检测对象，特别是在高温、高压、高黏度、高腐蚀性和毒性的情况下可对容器内的物料或密度等参数进行测量，实现生产过程闭环控制；有些企业除使用国产放射性仪表外，还引进了国外的放射性仪表，如上海石化总厂引进成套设备中配置了40多台放射性仪表。

4. SIS智能安全仪表 

　　国外推出了最新的SIS智能安全仪表管理方案，这是工业领域中将传感器数字智能和诊断技术运用到逻辑控制器中实施最终控制，也是首次采用整体安全回路的方式来进行控制。SIS智能安全仪表管理方案具有自动安全回路测试等功能，在降低设备使用周期成本的同时提高了系统的可用性，简化了符合法规的程序。SIS智能安全仪表管理方案提供SIL3的安全保证，它包括变送器和阀门控制器的IEC61508认证和SIL3的安全系统认证。
　　SIS智能安全仪表管理方案则可方便有效地进行过程设备的安全管理，可实现对安全回路中的传感器、逻辑控制器和最终控制元件进行连续地、有针对性地诊断，以确保这些设备符合运行要求。

二 FCS与DCS共存

　　FCS是在DCS的基础上发展起来的，代表潮流与发展方向，国内有的大型项目已采用FCS，如上海赛科乙烯、南海石化项目等，上海赛科乙烯的FCS已投运，今后会有更多的项目采用FCS。但是，在现阶段，FCS尚没有统一的国际标准，而DCS应用很广，技术成熟，发展很快，因此，实际上，DCS仍占有不可替代的地位，预计在今后很长一个时期，DCS与FCS将相互兼容、并存。另外，也有的大型工程项目采取FCS和DCS混用方式，以发挥各自的优势。
　　国内外大公司的DCS应用领域广，已具有完备的功能并不断采用新技术，向开放性、网络化方向发展。如美国Emerson公司的PlantWeb DeltaV、Honeywell公司的Experion PKS、Yokogawa公司的CS-3000、Foxboro公司新的I/A系统、ABB公司的工业IT过程控制系统等。
　　美国Honeywell的DCS——Experion PKS是过程知识系统，技术先进。其特点如下：具有先进的DCS功能和开放式体系结构。它允许多个Experion PKS系统如同一个系统一样运行；系统包含了异常状态管理(ASM)、安全管理和信息管理技术，支持多种现场总线的连接；系统配有容错以太网控制网络，它采用商业流行的以太网设备，可组成全厂性的大型网络控制系统；FSC——安全联锁控制系统与Experion PKS可无缝地集成一系统；HMI Web技术在单一人机界面中，可集成全厂范围中的过程、应用和商业数据；Profit Suite应用组件提高企业优化水平，Shadow Plant PKS实现影子工厂仿真；与原有系统兼容。通过INTEGRATER NOTE接点实现与老系统TPS、TDC-3000连接。
　　Experion PKS系统功能完备。它的网络由控制网络——容错以太网(FTE)和工厂管理网(PIN)组成。控制网挂有C200控制器、FSC故障安全控制器、EWS工程师工作站、OPS操作员工作站、APP应用工作站和e Server工作站。PIN工厂管理网连接工厂管理、商业运作的计算机网络。
　　(1)容错以太网(FTE)
　　容错以太网FTE的硬件交换机是Cisco公司的商业流行产品，而容错逻辑软件是Honeywell公司的专利。特点如下：在FTE接点间有4个通信路经、允许有1个通信路经的故障、快速(1s)的检测和恢复时间、可以在线增加和减少接点、对应用PC机完全透明、允许正常的以太网节点接入、完全分布式的结构没有主节点、快速100Mb/s性能、传输介质为同轴电缆或光纤。
　　FTE可以构成全厂性的网络，在集中控制室设骨干网的交换机，下连各单元的组交换机而构成。
　　FTE有专利容错逻辑；多容错节点间的多通信路径；快速切换到最小系统分裂；系统诊断减少维护费和故障时间。
　　(2)操作站和控制站
　　操作站HMI硬件采用标准的工业PC工作站。HMI Web是最新的人机接口技术，它采用Web技术和HTML语言，可以观察标准Web浏览器或用户站的窗口。HMI Web提供大于300页的标准系统显示画面。控制站是冗余的系统。
　　(3)工程师站
　　工程师站在系统中的作用是服务器，一般冗余配置。软件有Experion PKS服务器软件、Microsoft Windows 2000服务器软件和控制生成、显示生成、快速生成组态软件。
　　(4)eServer工作站
　　它是一个OPC服务器，采用eServer软件。可在网络远方操作员站上看到所有应用和实时数据；所有趋势/组/系统显示/操作显示；报警和事件显示；历史数据；分组报表和显示等。
　　(5)应用工作站
　　应用工作站可配置不同的软件，构成不同的应用工作站。如先进控制、资产和异常状态管理、影子工厂仿真等。

三 石化企业全厂高度集中控制

　　根据石化工业向大型化发展的需求，全厂生产过程实现高度集中控制，全厂设置一个中心控制室用 DCS/FCS/ESD对10套或20套以上生产装置进行集中控制、监测、报警及操作。
　　乙烯、炼油等大型工程项目的DCS/FCS一般就有近5万个I/O点或3～4千个控制回路，属大规模DCS/FCS控制系统。DCS/FCS的规模可达上百万个工号，并配有大规模DCS/FCS网络系统。
　　目前，DCS/FCS控制系统发展迅速，各大公司不断推出新的控制系统. 新的控制系统技术先进，但必须成熟、可靠。乙烯、炼油等联合工程是我国大型工业生产项目，要求DCS/FCS高可靠性是第一位的，以保证乙烯、炼油等联合大型工厂安全运行。

四 先进控制的应用

　　石化企业生产装置采用先进控制，可以提高装置运行的稳定性和安全性、提高产品的质量和收率、增加装置处理量、降低运行成本、带来明显的经济效益。目前一些先进控制技术已成熟，应用比较成功的有鲁棒PID控制和多变量预测等控制技术。先进控制的主要特点如下：
　　(1)它是基于模型的控制策略。如：模型预测控制和推断控制等。目前，基于知识的控制如智能控制和模糊控制正成为先进控制的一个重要发展方向。
　　(2)先进控制通常用于处理复杂的多变量过程控制问题。如大时滞、多变量耦合、被控变量与控制变量存在各种约束等。先进控制是建立在常规单回路控制之上的动态协调约束控制，可使控制系统适应实际工业生产过程动态特性和操作要求。
　　(3)先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持平台，可以在上位机或DCS/FCS中实现。
　　国外开发先进控制的公司很多，主要有美国Honeywell公司的控制器  PROFIT、美国AspenTech公司的控制器DMC-PLUS、美国ABB公司的控制器STAR、美国Foxboro公司的控制器CONNOISSUR、日本Yokogawa公司的控制器SMOC。国内，主要是清华大学和浙大中控等单位进行开发，并取得成功。
　　石化系统与美国Honeywell公司合作，成功地实施了催化裂化装置先进控制。至今中石化、中石油两大股份公司已有几十套装置成功运行了先进控制，主要有常减压、催化裂化、柴油加氢、延迟焦化、乙烯裂解、聚丙烯、聚乙烯等，取得了显著的经济效益。

五 制造执行系统(MES)

　　近年来，石化企业采用ERP/MES/PCS三层管理与控制系统，这已是自动化技术的发展趋势。
　　从石化企业推广应用ERP的经验可知：只上ERP没有配套的MES，很难取得预期的效果。因此，现已开发了MES并加大MES应用的力度，采用MES技术使企业信息系统取得了较好的效果。据美国ARC公司调查统计，如果应用MES，产品质量可以提高19.2%，劳动生产率提高13