摘 要：以西門子PCS 7全集成自動化控制技術(shù)為依托，青島大煉油成功實(shí)現(xiàn)全國首例煉油廠全廠的DCS控制。青島大煉油全廠DCS控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，不但實(shí)現(xiàn)了煉油大型化、集約化生產(chǎn)的戰(zhàn)略目標(biāo)，更在高效、節(jié)能、環(huán)保等方面做到了全方位的創(chuàng)新和領(lǐng)先，堪為新一代全廠自動化控制系統(tǒng)的價(jià)值典范。

　　關(guān)鍵詞：DCS PCS 7 全廠自動化

　　前 言

　　由于我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，汽車消費(fèi)市場成長迅速，能源的需求日益旺盛，導(dǎo)致我國成品油市場一度出現(xiàn)“油荒”現(xiàn)象。在煉油環(huán)節(jié)，我國煉油行業(yè)一直以來存在煉廠數(shù)量多、規(guī)模小、效率低下等問題，煉油行業(yè)亟需加快大型化、集約化的發(fā)展步伐。因此，近年來，千萬噸煉油、大型煉油基地成為國內(nèi)石油加工行業(yè)的熱門詞匯。

　　中石化青島大煉油是中國第一座一次建設(shè)規(guī)模達(dá)到1000萬噸煉油能力的煉油企業(yè)，投產(chǎn)后可實(shí)現(xiàn)年加工進(jìn)口原油1000萬噸，每月可為國內(nèi)市場增加成品油供應(yīng)近60萬噸，能有效緩解成品油供應(yīng)緊張的局面，降低我國高價(jià)成品油的進(jìn)口量。同時(shí)，以青島為中心的膠東半島有望成為國內(nèi)最大的石化基地。

　　作為中石化調(diào)整國內(nèi)煉化產(chǎn)業(yè)布局、打造環(huán)渤海灣煉化產(chǎn)業(yè)集群的重大戰(zhàn)略項(xiàng)目，青島大煉油主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，整體技術(shù)裝備和技術(shù)水平處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。青島煉化廠區(qū)總占地面積達(dá)到222.1公頃，但整個(gè)廠區(qū)僅需500人管理，這得力于其全廠采用了全集成的自動化控制系統(tǒng)，不但實(shí)現(xiàn)了煉油大型化、集約化生產(chǎn)的戰(zhàn)略目標(biāo)，更在高效、節(jié)能、環(huán)保等方面做到了全方位創(chuàng)新和領(lǐng)先，堪為新一代全廠自動化控制系統(tǒng)的價(jià)值典范。

　　綠色煉油

　　石油加工過程中會產(chǎn)生各種污染環(huán)境的物質(zhì)——廢水、廢氣、廢渣，這些污染物不僅污染了環(huán)境，還造成了物料和能量的大量流失與浪費(fèi)。長久以來，使得煉油項(xiàng)目在人們印象中成為了重污染、高能耗的代名詞。作為我國首個(gè)單系列千萬噸級煉油項(xiàng)目——青島大煉油，也曾受到人們的諸多質(zhì)疑。它是否能像預(yù)期的那樣：“實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益俱佳”？是否能實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)？是否能實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展模式？是否還能保持西海岸紅瓦綠樹、碧海藍(lán)天的居住環(huán)境？

　　面對質(zhì)疑，青島大煉油迎難而上，率先引入綠色煉油、清潔生產(chǎn)的理念，從原料處理、加工到產(chǎn)品精制，均采用先進(jìn)工藝技術(shù)；工藝裝置和系統(tǒng)工程，均采用集成化的節(jié)能技術(shù)；生產(chǎn)經(jīng)營管理采用全廠DCS控制系統(tǒng)，使得整個(gè)項(xiàng)目“技術(shù)先進(jìn)、環(huán)保領(lǐng)先、規(guī)模經(jīng)濟(jì)”的鮮明特征凸顯。

　　綠色煉油、清潔生產(chǎn)的核心內(nèi)容是通過全廠自動化、信息化的大力建設(shè)，促進(jìn)生產(chǎn)經(jīng)營管理過程的智能化和現(xiàn)代化，從而使得青島大煉油項(xiàng)目有效降低了成本消耗、、增加了利潤收益、優(yōu)化了資源配置、控制了環(huán)境污染。

　　綠色煉油、清潔生產(chǎn)是青島大煉油實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、提高市場競爭力、實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益“雙贏”的有效途徑。


　　不二選擇

　　青島大煉油全廠采用“常減壓＋延遲焦化＋加氫處理＋催化裂化”的加工方案，由16套工藝裝置以及油品儲運(yùn)設(shè)施、公用工程系統(tǒng)及輔助生產(chǎn)設(shè)施組成，主要工藝裝置包括：1000萬噸/ 年常減壓、250萬噸/年延遲焦化、150萬噸/年連續(xù)重整、410萬噸/年柴油加氫、200萬噸/年重油催化裂化、260萬噸/年重油加氫脫硫、260萬噸/年加氫裂化、20萬噸/年聚丙烯等等，其中，9套裝置創(chuàng)國內(nèi)之最，是目前我國單系列最大的煉油裝置。

　　青島大煉油的規(guī)模大、技術(shù)新、人員少，無疑對過程控制系統(tǒng)的可靠性、復(fù)雜性、功能的完善性、系統(tǒng)的可維護(hù)性、人機(jī)界面的友好性、數(shù)據(jù)的可分析可管理性等各個(gè)方面都提出了非常高的要求，尤其是以下三點(diǎn)，更是決定了項(xiàng)目的成敗：

　　1)控制精度。煉油過程結(jié)合了精煉和化學(xué)處理過程，原油被按分子重量分成幾個(gè)部分，這幾個(gè)部分再被熱能和催化劑作用裂解成其他更加有用的產(chǎn)品，整個(gè)煉油過程的關(guān)鍵就在于是否能實(shí)現(xiàn)對各項(xiàng)參數(shù)的嚴(yán)密高精度控制。同時(shí)，煉油廠能否盈利就要看每桶原油提煉出的高質(zhì)量產(chǎn)品的數(shù)量，而獲取每桶原油最大產(chǎn)出的有效措施也是高精度的控制系統(tǒng)。

　　2)可靠性。大煉油的石油提煉加工過程與一枚炸彈的唯一分別就是控制系統(tǒng)。石油提煉的很多工序都必須被嚴(yán)格的加以控制，以防止火災(zāi)和爆炸的危險(xiǎn)，高度可靠的控制系統(tǒng)是煉油廠正常運(yùn)行的基本保證之一。

　　3)控制性能。大煉油的全廠過程控制系統(tǒng)中有幾萬個(gè)I/O點(diǎn)，要求系統(tǒng)必須能夠在同一時(shí)間對成千上百個(gè)P I D回路進(jìn)行全部處理。高性能是大煉油DCS控制系統(tǒng)的基本要求之一。

　　經(jīng)過多方篩選和抉擇，全集成的、結(jié)構(gòu)完整、功能完善、面向整個(gè)生產(chǎn)過程的SIMATIC PCS 7過程控制系統(tǒng)，以其卓越的性能、高度的可靠性，成為了青島大煉油全廠DCS系統(tǒng)的不二選擇。談到為什么選擇PCS 7，青島大煉油機(jī)動工程部主管陳主任指出：“運(yùn)營、管理的獨(dú)到之處，控制器的強(qiáng)大、可靠，以及西門子可信賴的專業(yè)性”都是PCS 7的取勝法寶。

　　實(shí)施方案

　　全廠布局緊湊集中，生產(chǎn)裝置采用聯(lián)合布置，設(shè)一個(gè)中心控制室，生產(chǎn)裝置、公用工程及儲運(yùn)系統(tǒng)、全廠火災(zāi)、可燃?xì)怏w、有毒氣體的監(jiān)控和報(bào)警控制系統(tǒng)（F&GS）等均采用DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行集中操作、控制和管理，各裝置及關(guān)鍵設(shè)備均設(shè)置了安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)（緊急停車系統(tǒng)），充分體現(xiàn)了“集約、高效、安全、穩(wěn)定”的生產(chǎn)要求。

　　全廠DCS控制系統(tǒng)由工程師站、操作員站、中央歸檔服務(wù)器（CAS）、I/O卡、各類機(jī)柜和OPC服務(wù)器等設(shè)備組成，全廠I/O總點(diǎn)數(shù)近30000點(diǎn)。整個(gè)DCS系統(tǒng)共配置盤柜300面，操作員站61個(gè)、現(xiàn)場機(jī)柜室（FCR/FAR) 17個(gè)、中央控制室（CCR）1個(gè)。

　　在中央控制室中有108個(gè)生產(chǎn)操作臺，共排成三排，所有重要的生產(chǎn)操作流程被全程監(jiān)控，現(xiàn)場圖像也可根據(jù)需要實(shí)時(shí)顯示到監(jiān)控屏幕中。“整個(gè)大煉油工程全部實(shí)現(xiàn)自動化管理，核心管理人員僅需要500名職工。”談及全廠DCS控制系統(tǒng)中控室的徐工不無驕傲的說。按計(jì)劃，整套生產(chǎn)設(shè)備四年才需要檢修一次。



　　整個(gè)DCS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（詳見圖2）可以分為3層：控制器層，在該層實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場儀表的控制和監(jiān)測邏輯；服務(wù)器層，該層起到數(shù)據(jù)通道的作用；操作員站層，該層提供HMI便于操作員控制/監(jiān)測工藝流程。

　　系統(tǒng)的工程師站同時(shí)掛在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，即連接操作員/服務(wù)器的以太網(wǎng)和連接控制器的CPU的工業(yè)以太網(wǎng)。工程師站用于完成控制畫面和控制策略的組態(tài)。

　　在控制器層和服務(wù)器層之間是1Gbit/s的冗余環(huán)網(wǎng)，稱為系統(tǒng)總線，它連接起所有的控制器和服務(wù)器，承擔(dān)數(shù)據(jù)交換的作用。在服務(wù)器層和操作員站層之間是1Gbit/s的冗余環(huán)網(wǎng)，稱為終端總線，它連接起所有的服務(wù)器和操作員站，承擔(dān)數(shù)據(jù)交換的作用。

　　系統(tǒng)選用高性能模塊化的SCALANCE X-400交換機(jī)（圖3）構(gòu)成1Gbit/s的高速光纖冗余環(huán)網(wǎng)。當(dāng)傳輸鏈路或環(huán)網(wǎng)中的SCALANCE X-400 交換機(jī)發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)時(shí)間嚴(yán)格小于300ms，從而，大大增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。　　

　　系統(tǒng)總線通過冗余的光纜以星狀結(jié)構(gòu)拓展至各個(gè)現(xiàn)場機(jī)柜室（FCR/FAR）。現(xiàn)場控制器全部采用AS400（圖4）的高性能卡件，使組態(tài)，集成更為方便。

　　系統(tǒng)的現(xiàn)場級控制采用的是PROFIBUS現(xiàn)場總線，不僅簡單實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的冗余；同時(shí)，使得現(xiàn)場級控制網(wǎng)絡(luò)成為真正全分散、全數(shù)字化的控制網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)I/O站選用的是高密度配置的ET200M模塊，ET200M通過兩個(gè)IM153-2總線接口模塊分別連接在兩條PROFIBUS-DP總線上。每個(gè)ET200M單元均由2個(gè)IM153-2總線接口模塊和其他若干數(shù)字量、模擬量輸入輸出模塊組成。數(shù)字量、模擬量輸入輸出模塊的數(shù)量和配置由現(xiàn)場站的所需控制和采集的點(diǎn)數(shù)所決定。


　　技術(shù)優(yōu)勢

　　SIMATIC PCS 7是具有卓越系統(tǒng)特性和獨(dú)特可升級結(jié)構(gòu)的通用過程控制系統(tǒng)，它將靈活的模塊化冗余技術(shù)以及統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、通訊和組態(tài)等強(qiáng)大的性能組合在一起，是以經(jīng)濟(jì)、高效的方式組建和運(yùn)行控制技術(shù)工廠的理想基礎(chǔ)。而SIMATIC PCS 7在青島大煉油全廠DCS控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，使其優(yōu)勢更加充分的顯現(xiàn)出來：

　　1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了全集成化的思想，具有統(tǒng)一的通訊、統(tǒng)一的組態(tài)工具、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，消除了DCS和PLC系統(tǒng)間的界限，真正實(shí)現(xiàn)了儀控和電控的一體化。

　　2)系統(tǒng)的所有硬件都基于統(tǒng)一的硬件平臺；所有軟件也都全部集成在SIMATIC程序管理器下，有同樣統(tǒng)一的軟件平臺，充分保證了系統(tǒng)的一致性、可靠性、并增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

　　3)現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用。系統(tǒng)現(xiàn)場級控制采用的是PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)。現(xiàn)場總線技術(shù)的成功引入，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了成本；加強(qiáng)了現(xiàn)場設(shè)備的自治能力，全面提高了系統(tǒng)性能；增強(qiáng)了信號傳輸?shù)目煽啃院途龋煌黄屏藗鹘y(tǒng)DCS控制系統(tǒng)的限制，實(shí)現(xiàn)了真正全分散、全數(shù)字化的控制網(wǎng)絡(luò)。

　　4)大量冗余技術(shù)的采用，有效保障了系統(tǒng)的高可靠性和高連續(xù)可用性：

　　A）控制器冗余。可以實(shí)現(xiàn)雙控制器冗余切換的功能，當(dāng)主控的CPU出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)CPU自動地接替主控CPU的工作，切換時(shí)間為毫秒級。

　　B）光纖冗余環(huán)網(wǎng)。全廠控制網(wǎng)采用全光纖冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，核心層為1GB光纖接口。不僅確保網(wǎng)絡(luò)在任意一點(diǎn)的斷開都不會影響網(wǎng)絡(luò)的正常工作，而且，還大大增強(qiáng)了系統(tǒng)通訊的抗干擾能力。

　　C）通信冗余。ET200M分布式I/O卡件和控制器之間使用冗余的PRFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，任何一個(gè)控制器的停機(jī)或I/O接口卡件的損壞都不會影響系統(tǒng)對I/O的訪問。兩對冗余控制器之間的通訊也采用了冗余的通訊方式,任何1個(gè)控制器或通訊卡件的停機(jī)都不會影響通訊的正常運(yùn)行。

　　D）電源冗余。10A 直流電源冗余配置，用于CPU和模板供電。

　　5)所有模塊均有完善的自診斷功能、傳感器斷線監(jiān)測功能、在線插拔功能，保證了系統(tǒng)安全、長時(shí)間運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的可用性和可維護(hù)性。

　　6)模擬量輸入模塊是西門子DCS系統(tǒng)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，一個(gè)模擬量模塊幾乎可以覆蓋所有測量范圍，包括：電壓輸入、電流輸入、電阻輸入、熱電偶輸入，所以西門子的模擬量模塊又叫萬能卡。

　　7)系統(tǒng)的操作員站（OS）是“過程的窗口”。操作、維護(hù)以及監(jiān)控人員都可以對操作員站的過程活動進(jìn)行跟蹤，修改批量順序，編輯實(shí)際的過程數(shù)值，或同過程進(jìn)行通信。

　　8)系統(tǒng)采用符合IEC-1131-3國際標(biāo)準(zhǔn)的編程軟件和現(xiàn)場設(shè)備庫，提供連續(xù)控制、順序控制及高級編程語言。現(xiàn)場設(shè)備庫提供大量的常用的現(xiàn)場設(shè)備信息及功能塊，大大簡化了組態(tài)工作，縮短工程周期。

　　9)系統(tǒng)擁有ODBC、OLE等標(biāo)準(zhǔn)接口，并且應(yīng)用以太網(wǎng)、PROFIBUS現(xiàn)場總線等開放網(wǎng)絡(luò)，具有很強(qiáng)的開放性。

　　驕人成果

　　在西門子PCS 7過程控制系統(tǒng)的全程保駕護(hù)航下，青島大煉油順利實(shí)現(xiàn)了“當(dāng)年投產(chǎn)、當(dāng)年達(dá)標(biāo)”預(yù)期目標(biāo)，生產(chǎn)的汽柴油全部達(dá)到歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，噸油費(fèi)用、單位能耗、利潤總額等均進(jìn)入國內(nèi)煉油企業(yè)前列；不僅有效調(diào)整了國內(nèi)煉油產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高了煉化企業(yè)國際競爭力；同時(shí)，給上下游企業(yè)帶來巨大商機(jī)，對西海岸石化產(chǎn)業(yè)鏈形成有力拉動。

　　也正是在PCS 7過程控制系統(tǒng)的全面監(jiān)控下，青島大煉油成功實(shí)現(xiàn)了全流程封閉的生產(chǎn)和循環(huán)回收利用，使得各項(xiàng)環(huán)保指標(biāo)均達(dá)到國際先進(jìn)水平，污水重復(fù)利用率可達(dá)到96％以上,硫的回收率可達(dá)到98.5%以上。尾氣中二氧化硫的年排放量比一個(gè)百萬千瓦級的燃煤電廠還要低得多。西海岸上，澄澈的藍(lán)天，碧藍(lán)的海水，翻飛的鷗鳥就是最好的見證。

　　環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益“雙贏”局面的獲得，不僅使青島大煉油成為了石化領(lǐng)域跨世紀(jì)的一個(gè)樣本工程，而且，其全廠DCS控制系統(tǒng)也成為了過程控制領(lǐng)域跨世紀(jì)的一個(gè)樣本工程。同時(shí)，該項(xiàng)目的成功實(shí)施，也進(jìn)一步強(qiáng)化了西門子作為優(yōu)秀系統(tǒng)供應(yīng)商和可信任的工程承包商的市場形象。

　　為了明天

　　青島大煉油全廠DCS控制系統(tǒng)的成功實(shí)施就像“吃螃蟹”的第一人，不僅為DCS系統(tǒng)的發(fā)展帶來新的生機(jī)，更為我國煉油行業(yè)的發(fā)展踏出了一條光明的道路。

　　過程控制系統(tǒng)是流程工業(yè)的“神經(jīng)”，也是工業(yè)信息化建設(shè)的重要內(nèi)容。長期以來，我國石化等流程工業(yè)的過程控制系統(tǒng)被數(shù)家傳統(tǒng)DCS公司所壟斷。正是由于此次西門子PCS 7在青島大煉油項(xiàng)目中的成功實(shí)施，使得我國石化行業(yè)過程控制系統(tǒng)長期壟斷的堅(jiān)冰被一舉打破。原有壟斷局面的打破，不僅為我國石化行業(yè)引入了全新的控制產(chǎn)品，更引入了全新的控制理念。有了更多的產(chǎn)品選擇，有了更多的設(shè)計(jì)思路，明天的石化控制系統(tǒng)肯定有不一樣的發(fā)展。

　　由于石化行業(yè)本身的特性，傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)都是基于儀表控制系統(tǒng)的思路建立和發(fā)展起來的，因而，長期以來，西門子PCS 7處于一種比較尷尬的境地，有人說其為PLC，有人說其為DCS。而此次西門子PCS 7在青島大煉油項(xiàng)目的成功應(yīng)用，不僅充分展示了其不遜于任何頂級傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)的優(yōu)秀品質(zhì)，更展現(xiàn)了其特有的優(yōu)勢。使人們完全摒除了原有對于DCS系統(tǒng)認(rèn)識的一些陳舊觀念，這不僅為PCS 7帶來了更廣闊的發(fā)展空間，也為更多過程控制領(lǐng)域帶來了一種可靠、可信賴的新選擇。

　　青島大煉油在西門子全集成自動化過程控制系統(tǒng)的幫助下實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益的雙豐收，有利的證明了雖然污染不可能完全避免，但是，大型化、集中化的項(xiàng)目更有利于污染的監(jiān)控和治理，更有利于減低能源和資源的消耗，更有利于減低整體成本，更有利于帶動區(qū)域產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。青島大煉油的成功穩(wěn)定運(yùn)行，為我國煉油產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整打了一劑強(qiáng)心針，加快了我國煉油行業(yè)大型化、集約化的發(fā)展步伐。到2010年，如獨(dú)山子、惠州、大連石化、蘭州石化、撫順石化等大煉油項(xiàng)目在內(nèi)，我國新建、改擴(kuò)建大煉油項(xiàng)目將達(dá)到21個(gè)。

　　大系統(tǒng)最大的挑戰(zhàn)和考驗(yàn)其實(shí)是時(shí)間，青島大煉油一年多的成功穩(wěn)定運(yùn)行，不僅有賴于采用了高性能、高精度、高可靠性的PCS 7，同時(shí)，也有賴于西門子豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，以及完善、強(qiáng)大的技術(shù)支持。高質(zhì)量的產(chǎn)品、專業(yè)的現(xiàn)場技術(shù)指導(dǎo)人員，以及全球化的專家團(tuán)隊(duì)，不僅有力保證了所有設(shè)備長期安全、可靠的運(yùn)行；也為企業(yè)節(jié)省了大量的人力、物力成本，是西門子作為系統(tǒng)供應(yīng)商和可信任的工程承包商優(yōu)秀品質(zhì)的充分展現(xiàn)。“信任西門子！”話雖簡單，蘊(yùn)意無窮。面對明天的考驗(yàn)，可信賴的應(yīng)不僅僅是產(chǎn)品本身，還應(yīng)包括對企業(yè)的信賴。

　　廠區(qū)最遠(yuǎn)端的火炬可以俯瞰整個(gè)廠區(qū)，可以看到浩瀚的大海，每次巡檢的時(shí)候徐工都會爬到最頂端，看看碧海藍(lán)天，看看海鷗飛過，他說這些是他們的成績，這些是他們的責(zé)任！為了明天的碧海藍(lán)天，為了明天的紅瓦綠樹，他和他們都會以更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度去對待今天的每時(shí)每刻！