仓储油库自动化系统标准化建设的研究

石化仓储油库的自动化水平由于各自的经营情况和发展目标不同, 导致彼此之间存在较大的差异, 对自动化系统的建设缺少规划, 往往出现系统配套不足或过分建设的情况。在仓储自动化项目建设初期, 缺乏对未来扩展的考虑, 也将会给再建系统带来很多不必要的麻烦, 甚至需要重新建设, 造成了很大的资源浪费。因此, 对于仓储油库自动化系统建设的规划和标准化制定显得尤为重要。

仓储油库自动化系统主要功能是实现仓储油库生产管理与工艺控制的自动运行, 实现必要的安全联锁、消防措施与安防联动等。统一实时数据库系统, 对自控作业层的信息和数据进行整合, 保存仓储油库基础的生产、安防、消防作业信息, 为全面信息化管理提供基础数据。所集中的数据包括: 储罐的温度、液位、密度, 主要工艺参数, 机泵和阀门等关键设备的工作状态数据, 装卸计量数据, 质量数据, 设备信息等。统一生产数据处理过程和组织形式, 可以通过图形、报表、趋势等方式形象直观地来表现。例如库存报表、油品销售报表、损耗报表等, 使业务人员从繁重的手工报表中解放出来, 集中精力进行管理优化。以上需要业主、工程公司、供应商三方面的共同努力, 进一步提高软件精细化设计、选用设备品质、流程精细化管理等几个方面[1]。

仓储油库自动化系统的总体架构分为四层: 现场仪表设备层、自控层、制造执行系统 (MES) 层、总部层[2], 其中所涵盖的自动化子系统可以根据需求划分成27个子系统, 实施过程可根据自身实际情况选配, 各个层次的功能如图1所示。

仓储油库自控系统可分为生产监控系统、安防监控系统、消防监控系统三个部分, 每个系统由多个子系统组成, 如图2所示。各子系统应当都建立在统一的DCS/SCADA系统平台上, 相互关联, 形成仓储油库的自动化系统。该自控系统应采用统一的DCS/SCADA平台作为基础, 生产、消防、安防系统应当无缝地集成在一起。

关于操作站设置、服务器设置、系统及控制室、现场仪表、仪表电源、接地及防雷、仪表电缆敷设、生产监控系统硬件部署等要求可以结合文献[3,4,5,6]进行标准设置。

生产监控子系统的DCS/SCADA的CPU模块、电源模块、通信模块冗余配置, 具有故障自诊断功能。I/O点预留20%的余量, 并配置I/O信号的电涌模块。生产监控子系统通过I/O模块接入, 见表1所列。

在中控室机柜间设置生产监控子系统机柜, 面积较大的库区, 可以在现场机柜间设置生产监控远程机柜。控制系统采用光纤连接, 采集的监控信号进入DCS/SCADA系统中。生产监控子系统应能采集和处理库内液位、温度和压力等主要工艺参数, 具备数据存储、记录等功能;操作站上具有总貌显示、组显示、趋势显示、动态显示等画面, 可实现工艺参数实时显示和报警, 对工艺电动阀门、机泵等实现远程控制。

储罐应设置液位计、多点温度计和高精度差压变送器, 宜采用HIMS原理用于收发油计量、比对以及罐容量、剩余罐容量、库容量和剩余库容的计算。油罐计量仪表宜满足计量等级要求, 系统的准确度控制在±3‰以内。多点温度计、高精度差压变送器、液位计信号经过总线传递到专用通信接口模块中, 由通信模块接入终端服务器, 进入DCS/SCADA系统中进行监控。监控数据包括: 液位、温度、密度、体积、质量、报警状态、运行状态等[7]。

公路定量装车子系统可以实现“一卡通”装车业务。该子系统宜采用批量控制器的集散式控制方式, 集中管理、分散控制。

公路装车区出入口处宜设置IC卡读卡器票箱, 票箱中安装IC卡读卡器、LED显示屏、车辆检测器、地感线圈等设备。司机携带的IC卡, 宜与发油系统进行业务关联验证, 有发油业务或完成付油业务的才可放行。LED显示屏应能够显示相关的车辆装车信息。公路装车区出入口处应设置智能门禁道闸, 对进出车辆进行门禁控制。在特殊情况下, 可以手工控制道闸的起降。装车区出口处宜设置自动出库打印终端, 用于司机自助取得出库单。

公路装车区出口大门处宜设置1.3m高度立杆安装的车牌识别摄像头, 此摄像头应属于标清专业车牌识别摄像头, 应直接输出车牌号码给装车系统, 来判断IC卡是否与车辆信息一致: 一致则门禁系统放行;不一致则在门禁的LED屏幕上提示“车卡不统一, 无装车任务”, 并记录车辆入库时间和图像保存。

日装车量较大, 出入罐车较多的仓储油库, 应在罐车入库排队的地方设置室外LED显示屏, 用于车辆排队指引。在LED屏上提示入库车辆和车辆排队状态等信息。排队指引LED屏幕宜采用室外双色屏, 大小由仓储油库现场确定。

在整个油品配送过程中应用IC卡, 实现对配送过程中车辆、人员以及提油过程的管理及监控。配送IC卡是身份凭证, 使用IC卡提单配送纸质单据, 配送计划、发油记录等业务信息在油库资源计划系统 (ERP) 与定量装车系统间共享和自动流转, 实现配送“一卡通”与开票系统可以无缝集成, 能够减少人工操作存在的误发或多发油现象, 降低成本, 提高发油效率[8]。为了满足不同业务类型的需求, 设计三种配送IC卡类型: 配送卡 (即车辆卡) 、临租卡、临时卡。使用配送卡管理长期固定车辆;使用临租卡管理临时租用的车辆;使用临时卡管理客户自提业务。

应在装车营业室设置分区广播话筒, 用于装车营业室对装车业务的分区语音广播和指导。应在仓储油库出入口处安装室外广播音柱, 用于广播。应在仓储油库的装车区, 每两个岛共用一个室外防爆号角, 用于广播。

铁路收发子系统宜采用批量控制器的集散式控制方式, 在规模不允许的情况下, 也可采用DCS/PLC的控制方式。每个铁路鹤位宜设置远程操作按钮面板, 上有3个按钮、1个灯, 用于启动、停止、急停操作, 并以状态灯显示鹤位状态。每个铁路鹤位应设置装车静电溢油报警器, 用于安全监测和作业联动。

仓储油库应建立铁路罐车无线抄号终端, 用于操作员在铁路现场一次录入罐车车号即可。仓储油库应将铁路部门的罐表系统接入到铁路收发油系统中, 以用来自动获得装车容量。

码头收发子系统宜采用批量控制器的集散式控制方式, 在规模不允许的情况下, 也可采用DCS/PLC的控制方式。每个泊位的鹤位宜设置远程操作按钮面板, 上有3个按钮、1个灯, 用于启动、停止、急停操作, 并以状态灯显示鹤位状态[9]。每个泊位鹤位可设置防爆LED鹤位显示屏, 用于显示油品名称、作业剩余时间、作业信息等。每个泊位的鹤位宜设置装车静电溢油报警器, 用于安全监测和作业联动。

管道收发子系统宜采用DCS/PLC的控制方式, 将管道收发油泵、收发油阀门、收发油流量计接入到仓储油库生产DCS/PLC系统中, 用于收发油控制。管道收发油系统应具备与其他系统的接口功能。

各级仓储油库自动化系统的建议配置见表2所列。

对于管线复杂, 油品收、发、转、存作业较多的仓储油库, 且管线基本实现电动阀、压力检测的仓储油库可以考虑设置油品移动子系统。油品移动子系统应能够以任务的方式自动启动作业, 并自动选择路径, 执行自动化操作。油品移动子系统应能够完成油品收、发、转、存的自动化操作。该系统应能够在仓储油库工艺变化的情况下, 能改变组态画面, 不需要重新进行算法及逻辑编程。

在仓储油库的重要生产位置, 应设置生产数字视频监控子系统, 对生产过程进行监控。在发油岛, 每个岛应安装防爆枪型摄像机, 进行生产监控。生产视频摄像机一般设置在仓储油库生产区、辅助生产区的重要位置, 包括进出库大门、储罐区、油泵房 (棚) 、油品装卸区、集中阀组区、消防设施及其他重要区域等。生产视频监控子系统应具备与销售油库版块的接口功能。

仓储油库在投资、施工等多方面考虑情况下, 可以设置无线压力变送器、无线阀门定位器等多种无线仪表设备。

中控室操作人员能够利用大屏幕系统直观地观察整个灌区的工艺流程, 储罐、管线、机泵等设备的运行状态以及液位、流速、温度等参数。同时, 操作员/工程师站上的页面能够切换到大屏幕来显示。

在仓储油库的一道门及办公区出入口处, 宜设置人员出入库门禁闸机, 用于人员的进出安全验证。人员出入库配发的IC卡应与装车系统的IC卡统一标准。该系统应集成到安防监控平台中, 用于操作员监视管理。该系统应与火灾报警子系统联动, 火灾报警的时候, 门禁应处于打开状态。

在仓储油库的中心控制室宜设置门禁读卡器、出门按钮、门磁、电磁锁等门禁管理设备, 用于进出人员的安全验证。人员进出配发的IC卡应与装车系统的IC卡统一标准。在安保级别要求高的仓储油库, 门禁验证也可采用生物识别技术, 如指纹识别、人脸识别等。该系统应集成到安防监控平台中, 用于操作员监视管理。该系统应与火灾报警子系统联动, 火灾报警的时候, 门禁应处于打开状态。

安防视频摄像机一般设置在仓储油库生产区、辅助生产区的重要位置, 包括进出库大门、储罐区、油泵房 (棚) 、油品装卸区、集中阀组区、消防设施及其他重要区域等。摄像头的安装位置和数量应根据仓储油库监控区域、地形地势及周边环境统一考虑。安防视频监控画面应能够组态在仓储油库安防监控画面中, 做到无缝链接, 做到视频联锁并流畅调用。安防视频监控子系统应具备与总部视频监控系统的接口功能。该系统应集成到仓储油库安防监控平台中, 用于操作员监视管理。该系统可与周界入侵防范子系统进行视频联动。

在仓储油库大门、储罐区、油泵房 (棚) 、油品装卸区、集中阀组区、消防设施及其他重要区域等应设置广播设备, 用于语音提示和语音广播。广播播放设备的数量, 宜由仓储油库自行确定。

在仓储油库围墙界区处应设置周界入侵探测设备, 用于入侵检测。周界入侵防范子系统应与安防视频监控子系统联动。该系统应集成到安防监控平台中, 用于操作员监视管理。

操作人员可以使用无线终端设备按照预定的路线进行巡检, 巡检的时间、地点可以上传到管理数据库中。

可燃气体检测探头宜采用催化燃烧式, 在缺氧场所宜采用红外式, 防爆等级不应低于ExdⅡBT4, 露天场所宜配套遮阳罩及防雨罩。可燃气体检测探头宜采用4～20mA信号直接进入仓储油库消防监控DCS/PLC中。

可在油罐及电缆沟内设置感温光纤, 设置温度报警。感温光纤信号应采用4～20mA信号直接进入仓储油库消防监控DCS/PLC中, 不需要配置二次仪表。

火灾报警按钮按照规范在库区进行配置。火灾报警按钮宜直接接入到消防监控PLC中。在消防验收有要求的地方, 应按照规范设置火灾报警主机, 然后再通信至DCS/SCADA系统。

在综合办公楼, 库区的建筑物内设置烟感探测器和火灾报警按钮, 用于楼宇火灾报警, 并应设置火灾报警主机。楼宇火灾报警主机宜通信至DCS/SCADA系统, 将画面组态到消防监控画面中。

消防监控PLC子系统应采用SCADA软件和PLC组成。PLC系统的CPU模块、电源模块、通信模块冗余配置, 具有故障自诊断功能。I/O点预留20%的余量, 并配置I/O信号的电涌模块。消防PLC对消防水及泡沫管线设备进行监控。

作为MES的第一层, 是综合数据采集层, 应采用实时数据库管理系统来实现各类数据 (包括来自于DCS/PLC/计量仪表等系统的实时生产数据、操作数据、化验室质量数据等) 的高质量实时采集、存储、加工等[10]。该功能可以包括: 统一监控管理平台、MES高级应用、生产管理模块、电子日志管理模块、电子交接班管理模块、智能巡检模块、绩效管理模块、与总部ERP系统接口模块等。

为了达到本文对仓储油库自动化系统建设的实际规划意义, 形成一套行之有效的标准化建设路线, 根据从低到高的不同需求, 对建设方式进行分析, 然后进行自控管理系统的总体建设设计, 分步、分系统、分模块地进行投资完善和逐步发展。分步推进避免了一站式全面推进带来的负面影响和实施风险, 通过有序规划, 逐步将仓储油库自控管理系统进行变革。在逐步推进、改造的过程中, 通过初期的试点管理效果, 发挥示范效应, 总结试点过程中的经验和教训, 避免全面实施风险。

仓储油库在满足生产、消防、安防自控系统的基础上, 结合自动化整体规划架构, 根据实际需求, 可以分模块地逐步提高油库的自动化水平。

按照各类型仓储油库分为三种自控管理系统建设规模: 自控型仓储油库、自控及管理型仓储油库、管控一体化型仓储油库。各仓储油库应当评估属于何种建设规模, 再按照建设指导意见进行自控管理系统建设。

自控型仓储油库包括小规模的仓储油库、以公路装车为主的仓储油库、租赁仓储油库、参股仓储油库等。按照各仓储油库存在的作业及监控方式将现场仪表层齐备, 宜建设DCS/SCADA系统, 按照ERP接口要求与集团ERP系统接口。

该类仓储油库的建设需要将满足实际条件的现场仪表层与自动化层完善, 且各子系统可以独立设置, 并宜建立各子系统在DCS/SCADA系统的统一监控。

自控及管理型仓储油库包括自有仓储油库、托管仓储油库、租赁仓储油库、参股仓储油库等。仓储油库在偏重自控作业监控、作业执行基础上, 还有进一步的管理要求。该类仓储油库在作业方式上较全, 存在公路、铁路、码头、管道作业中的三种类型以上, 可以考虑建设成为监控与管理型仓储油库。

该类仓储油库的建设不仅需要将满足实际条件的现场仪表层与自动化层完善, 还需要建立MES模块, 以更好地辅助仓储油库管理需求。

按照各仓储油库存在的作业及监控方式将现场仪表层齐备, 须建设DCS/SCADA系统并具备MES。

管控一体化型仓储油库包括自有仓储油库、托管仓储油库、租赁仓储油库、参股仓储油库等。此类仓储油库管线复杂, 库容大, 且具有重要的地位;在偏重作业监控、作业执行的基础上, 还有更高的管理要求, 关注仓储油库管理层面。该类仓储油库在作业方式上较全, 存在公路、铁路、码头、管道作业中的三种类型以上, 可以考虑建设成为管控一体化型仓储油库。

该类仓储油库的建设不仅需要将满足实际条件的现场仪表层与自动化层完善和建立MES模块, 以更好地辅助仓储油库管理需求, 而且还需要建设智能的油品移动系统来提升仓储油库的作业效率和作业安全等级。

按照各仓储油库存在的作业及监控方式将现场仪表层齐备, 建设DCS/SCADA系统并具备MES。

仓储油库自动化系统中的生产监控系统、安防监控系统、消防监控系统都可以再次划分成多个子系统, 油库在实施过程中, 应该评估自身情况和自动化需求, 按照分批分步的路线逐步配套。