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
　　　
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。