自動化控制系統在煉油廠的應用
對美國猶他州石油煉造業而言，企業只有“自動化”或“死亡”兩種選擇，但傳統集散控制系統DCS過于昂貴，猶他州的Flying J公司因而轉向TCS系統。結果，每年節省2百萬美圓的顯著業績令人信服地表明了控制效果。
Flying公司是一家資產近十億美元、垂直型組織形式、產業涵蓋加油站、汽車旅店到油田的石油公司。1986年Flying J收購了北部鹽湖城煉油廠作為行業擴張的舉動之一。
Flying J煉油廠生產能力每天2700噸（約每年100萬噸）成品泊，煉油廠每年從猶他州、懷俄明州和克羅拉多州的油田運來原油、天然氣和其他原料，加工成汽油、柴油、丙皖、航空汽油和特種石蠟產品。其中一部分燃料柴油和汽油通過公司自己的銷售渠道銷售，而其余的燃料柴油和汽油通過對外公開市場銷售。
Flying J公司因是貨車泊車行業的龍頭企業，故在燃料柴油供應公司中特別有競爭力，對于自動化控制系統的需求是由于想在煉油廠安裝一套脫硫裝置以提高柴油產量而產生的。
1992年，也就是準備在煉油廠配備柴油脫硫裝置時，Flying J公司決定提升現有的煉油廠子工控制系統為自動控制系統，但是與此同時他們發現了一個問題，煉油所需自動化設備通常由DCS供應投標商如霍尼韋爾和羅斯蒙特等公司提供，這些供應商對于各種不同規模系統需求只能提供一種一成不變的設計方案，而對于Flying J公司這種規模的煉油廠（日產2千多噸成品油）情況而言，其控制系統的規模要小于霍尼韋爾和羅斯蒙特等公司的DCS系統適用的規模，從經濟上看浪費太大，使DCS解決方案對于象Flying J公司的中小型規模的煉油廠不可行。
雖然Flying J公司不在DCS系統經濟性合理范圍規模內，但實際對煉油行業而言，和Flying J公司相近規模的煉油廠并不少，在今天全世界700多家煉油廠當中，有60%（420家）
煉油廠與FlyingJ煉油廠規模相當，所有這些廠家都處在這個為難的兩難境地。
問題是，根據過程控制工程師卡爾-居迪肯先生長年工作經驗，不進行煉油自動化決不是一個好的解決方法。他認為：“如果下個十年你要在這個行業生存競爭下去，就必須搞過程控制自動化，否則就退出這個行業競爭”。
傳統的DCS是分散控制，但這是與過去由一臺大型計算機控制運行的高度集中化生產廠情況對比而言的。DCS設計是圍繞一個小型機而配置的（實際是相對集中），這種傳統的DCS也是極端昂貴、專用和不靈活的，一家大型DCS投標商對Flying J公司煉油廠開出的DCS系統報價為800萬美元。
“這就是說使用那套系統根本得不到回報”。換句話說，煉油廠難以因使用該DCS系統而收回在該系統上所花費的錢。
另一個關于DCS系統的問題是在它的技術支持費用，使用DCS系統的大多數煉油廠至少要有一名系統供應商派來的維護人員常駐以維護設備，加上各項費用后，總的費用就相當昂貴了。
很清楚，傳統的DCS對Flying J煉油廠是不適合的，現在還有其他可用的辦法嗎?為找到答案，公司決定返回最初階段一切從頭考慮，重新選擇方案并檢驗選擇的正確性。
一 工藝情況：
石油煉制行業在美國是一項競爭異常激烈的行業。
一個煉油廠代表了一個嚴密控制各項參數的工程。這個控制過程結合了精練和化學處理過程，原油被按分子重量分成幾個部分，這幾個部分再被熱能和催化劑作用裂解成其他更加有用的產品。
例如，Flying J煉油廠取來丁炕（一種用來加熱和燒食用品的氣體），通過一種加工設備把它加工成一種叫固丁燒的液體，這種液體是汽油中重要的添加劑。
在這個行業保持競爭力的取決于“一桶原油中最后那10%”。換句話說，一家煉油廠能否贏利取決于對每桶原油提煉出的高質量產品的數量（行業術語為“收率勺”。加強控制是獲取每桶原油的最大產出的重要措施之一。
“反應的動力原理是真正動態變化”的，過程控制師卡爾居迪肯先生解釋說，用行話講就是如果溫度、壓力和其他反應生產工藝條件不能被仔細嚴密地加以控制，你不會得到最大收率的。
高收率是煉油廠自動化所希翼達到的重要目標，原煉油廠生產能力局限于低效手工控制系統。Flying J公司想達到對過程更好的控制，用煉油和工程部總經理溫瑟.默蒙特的話來說：“我們不得不與我們的同行保持同等水平，而且最好比他們領先一步”。
同時也有安全因素的考慮，石油提煉加工廠和一枚大炸彈的唯一分別就是控制系統。石油提煉的有些工序必須被嚴格的加以控制，以防止火災和爆炸的危險。高度可靠性還是運行壽命的保證。
所有過程實施起來是有一定規模的。在一個煉油廠的過程控制系統中有幾千個I/O點，系統必須能夠在同一時間對幾百個P I D回路進行全部處理。由于過程特性需求，在諸如P I D環路等基本的控制性能不能因為UO點增多而降低。而TCS控制系統的設計特點是，最大效率地使用前端智能單元（一種分布式I/O處理器），這一設計能允許諸如P I D環路、流量測量等基本功能在I/O模件級上進行，這樣就從根本上杜絕規模增加而引起系統控制反饋所需的時間太長的問題。另一方面，Flying J公司的咨詢顧問們也發現基于P L C系統的解決方案也不能構建成支持煉油加工環境的要求，并且一旦使用會使Flying J公司所需的P I D回路控制陷入泥潭。
二 解決方案：
Flying J公司指示它的顧問公司FBU公司越過常規DCS系統來源去尋找更好的解決辦法，在尋遍市場情況后，FBU發現只有一種控制系統能結合低成本、高性能、高可靠性三個特長——TCS。
“顧問公司沒有花很多時間找到了TCS，因為這是唯一最好的解決方案”。
但風險并不是不存在，就日前Flying J公司所知，還沒那家煉油廠以前使用過基于TCS自動化控制系統。雖然Flying J公司所需求的要降低成本很迫切，但基于P C的控制系統能滿足煉油廠所需的控制系統的要求嗎?
即使是該系統能達到節省成本的要求，那它所需成本多少?一旦系統開發制造完成好后，系統維護所需費用會合理有效嗎?一開始，Flying J公司沒有答案，而F B U咨詢公司也不知道。
“我們給了對方一些必須達到的技術指標，我們要形成滿足公司自身控制需求的系統，而不是象其他煉油廠那樣只是買了一套控制系統機架麗對工藝沒有根本改善”。總經理認為：“我們要確定答案，而我們的顧問們一直給不出。”
包括Flying J和顧問們都認為在行動前必須確信他們做了正確的選擇。因為Flying J正在開始一項以前沒有人試過的事業。公司決定對TCS解決方案進行廣泛調查，顧問們配備有廣泛經驗的專家組，他們包括煉油、化工、數控、計算機、通訊和系統安裝等各項領域專家，緊接后，他們建立一個專門場所對硬件實物進行模擬運行試驗和測試。
經過幾個月的測試過程后，顧問們和Flying J公司都感到滿意。TCS系統能以相當低的成本勝任傳統DCS系統的工作。不僅系統硬件能處理3000多個I/O點，且滿足反應速度所需要，而且TCS的軟件被證明是一項好的選擇。工程師們發現，使用TCS軟件，他們能很快確定在煉油過程控制中出現的任何問題的地點和原因。
另一項TCS的長處即模塊化設計，它使得煉制過程能被逐個裝置地予以自動化調試（從而不影響整個工序）。首先進行調試的是重整裝置，這個單元包含200個I/O點，由于工序的連續性要求，安裝在線進行而不允許停產——即“熱切換”，為此新系統的切換被限于一次一個控制回路。
在對這種開通工作準備之前，控制設備先經過并現場模擬運行，每個I/O點都被從硬件上模擬在人機界面顯示屏上，以確保程序控制是正確的。這要感謝TCS程序語言具有自歸檔的特性，使得對控制軟件的檢查和確認都容易。
憑借TCS硬件的強大和TCS的編程軟件靈活編程語言，每天開通的控制回路僅產生非常少的干擾。
這種開通方法雖然使得該項目的預算增加了15%，但卻極大的增加了TCS系統技運的可靠性，而且避免了停產損失。到最后TCS控制系統硬件價格僅為DCS硬件價格的25%，而總價則為傳統DCS系統的35%。
三 結論：
自從1993年以來，公司分階段陸續投運TCS系統，每次開通一部分，94年公司己有五套TCS控制器，它們被安裝運行在煉油廠和其他煉油廠灌區的各個不同備件上。另有兩套煉油生產裝置在1996年也使用了TCS系統。
系統廣泛地使用TCS的前端智能單元作分布式控制使用。
在設計上，一塊νo導軌上的P I D回路通常不多于4個，這能使控制過程快速且高度分散從而帶來安全上的好處。因為主要的控制發生在UO導軌一級的模塊上，因此，一個基本過程控制失靈僅被局限在單獨的UO點上而不至于影響其他的點。
現在，在Flying J公司有兩個TCS控制器用于柴油脫硫裝置，兩個用于原油處理裝置，一個用于重整裝置。控制器將數據送到煉油廠的控制室中人機界面的486和奔騰系統個人計算機中。由于TCS的系統開放式結構，Flying J能夠用人機界面方式和另一種Wonderware的軟件交互使用，這是TCS對第蘭方軟件開放的另一個佐證。
TCS系統的使用每年正在使Flying J煉油廠節約資金約2百萬美圓，系統在頭14個月運行里就賺回了成本。除了降低生產成本之外，TCS系統也極大地改進了 Flying J公司的過程控制水平。
“有些改進甚至是我們沒有想到我們能取得的，”居迪肯工程師這樣說，“比如說，重整裝置中有一加熱爐，當我們以前用于動控制時爐溫波動幅度是20華氏度，現在我們一般能控制在1℉最多不越過5℉；”其結果是更完善的過程控制和一致性更好的優良產品。“當您能使溫度保持穩定時，在煉油反應中分子動力學過程是完全不同的，我們現在能在99%的時間內保證產品的參數在要求的控制精度內。”
Flying公司是一家資產近十億美元、垂直型組織形式、產業涵蓋加油站、汽車旅店到油田的石油公司。1986年Flying J收購了北部鹽湖城煉油廠作為行業擴張的舉動之一。
Flying J煉油廠生產能力每天2700噸（約每年100萬噸）成品泊，煉油廠每年從猶他州、懷俄明州和克羅拉多州的油田運來原油、天然氣和其他原料，加工成汽油、柴油、丙皖、航空汽油和特種石蠟產品。其中一部分燃料柴油和汽油通過公司自己的銷售渠道銷售，而其余的燃料柴油和汽油通過對外公開市場銷售。
Flying J公司因是貨車泊車行業的龍頭企業，故在燃料柴油供應公司中特別有競爭力，對于自動化控制系統的需求是由于想在煉油廠安裝一套脫硫裝置以提高柴油產量而產生的。
1992年，也就是準備在煉油廠配備柴油脫硫裝置時，Flying J公司決定提升現有的煉油廠子工控制系統為自動控制系統，但是與此同時他們發現了一個問題，煉油所需自動化設備通常由DCS供應投標商如霍尼韋爾和羅斯蒙特等公司提供，這些供應商對于各種不同規模系統需求只能提供一種一成不變的設計方案，而對于Flying J公司這種規模的煉油廠（日產2千多噸成品油）情況而言，其控制系統的規模要小于霍尼韋爾和羅斯蒙特等公司的DCS系統適用的規模，從經濟上看浪費太大，使DCS解決方案對于象Flying J公司的中小型規模的煉油廠不可行。
雖然Flying J公司不在DCS系統經濟性合理范圍規模內，但實際對煉油行業而言，和Flying J公司相近規模的煉油廠并不少，在今天全世界700多家煉油廠當中，有60%（420家）
煉油廠與FlyingJ煉油廠規模相當，所有這些廠家都處在這個為難的兩難境地。
問題是，根據過程控制工程師卡爾-居迪肯先生長年工作經驗，不進行煉油自動化決不是一個好的解決方法。他認為：“如果下個十年你要在這個行業生存競爭下去，就必須搞過程控制自動化，否則就退出這個行業競爭”。
傳統的DCS是分散控制，但這是與過去由一臺大型計算機控制運行的高度集中化生產廠情況對比而言的。DCS設計是圍繞一個小型機而配置的（實際是相對集中），這種傳統的DCS也是極端昂貴、專用和不靈活的，一家大型DCS投標商對Flying J公司煉油廠開出的DCS系統報價為800萬美元。
“這就是說使用那套系統根本得不到回報”。換句話說，煉油廠難以因使用該DCS系統而收回在該系統上所花費的錢。
另一個關于DCS系統的問題是在它的技術支持費用，使用DCS系統的大多數煉油廠至少要有一名系統供應商派來的維護人員常駐以維護設備，加上各項費用后，總的費用就相當昂貴了。
很清楚，傳統的DCS對Flying J煉油廠是不適合的，現在還有其他可用的辦法嗎?為找到答案，公司決定返回最初階段一切從頭考慮，重新選擇方案并檢驗選擇的正確性。
一 工藝情況：
石油煉制行業在美國是一項競爭異常激烈的行業。
一個煉油廠代表了一個嚴密控制各項參數的工程。這個控制過程結合了精練和化學處理過程，原油被按分子重量分成幾個部分，這幾個部分再被熱能和催化劑作用裂解成其他更加有用的產品。
例如，Flying J煉油廠取來丁炕（一種用來加熱和燒食用品的氣體），通過一種加工設備把它加工成一種叫固丁燒的液體，這種液體是汽油中重要的添加劑。
在這個行業保持競爭力的取決于“一桶原油中最后那10%”。換句話說，一家煉油廠能否贏利取決于對每桶原油提煉出的高質量產品的數量（行業術語為“收率勺”。加強控制是獲取每桶原油的最大產出的重要措施之一。
“反應的動力原理是真正動態變化”的，過程控制師卡爾居迪肯先生解釋說，用行話講就是如果溫度、壓力和其他反應生產工藝條件不能被仔細嚴密地加以控制，你不會得到最大收率的。
高收率是煉油廠自動化所希翼達到的重要目標，原煉油廠生產能力局限于低效手工控制系統。Flying J公司想達到對過程更好的控制，用煉油和工程部總經理溫瑟.默蒙特的話來說：“我們不得不與我們的同行保持同等水平，而且最好比他們領先一步”。
同時也有安全因素的考慮，石油提煉加工廠和一枚大炸彈的唯一分別就是控制系統。石油提煉的有些工序必須被嚴格的加以控制，以防止火災和爆炸的危險。高度可靠性還是運行壽命的保證。
所有過程實施起來是有一定規模的。在一個煉油廠的過程控制系統中有幾千個I/O點，系統必須能夠在同一時間對幾百個P I D回路進行全部處理。由于過程特性需求，在諸如P I D環路等基本的控制性能不能因為UO點增多而降低。而TCS控制系統的設計特點是，最大效率地使用前端智能單元（一種分布式I/O處理器），這一設計能允許諸如P I D環路、流量測量等基本功能在I/O模件級上進行，這樣就從根本上杜絕規模增加而引起系統控制反饋所需的時間太長的問題。另一方面，Flying J公司的咨詢顧問們也發現基于P L C系統的解決方案也不能構建成支持煉油加工環境的要求，并且一旦使用會使Flying J公司所需的P I D回路控制陷入泥潭。
二 解決方案：
Flying J公司指示它的顧問公司FBU公司越過常規DCS系統來源去尋找更好的解決辦法，在尋遍市場情況后，FBU發現只有一種控制系統能結合低成本、高性能、高可靠性三個特長——TCS。
“顧問公司沒有花很多時間找到了TCS，因為這是唯一最好的解決方案”。
但風險并不是不存在，就日前Flying J公司所知，還沒那家煉油廠以前使用過基于TCS自動化控制系統。雖然Flying J公司所需求的要降低成本很迫切，但基于P C的控制系統能滿足煉油廠所需的控制系統的要求嗎?
即使是該系統能達到節省成本的要求，那它所需成本多少?一旦系統開發制造完成好后，系統維護所需費用會合理有效嗎?一開始，Flying J公司沒有答案，而F B U咨詢公司也不知道。
“我們給了對方一些必須達到的技術指標，我們要形成滿足公司自身控制需求的系統，而不是象其他煉油廠那樣只是買了一套控制系統機架麗對工藝沒有根本改善”。總經理認為：“我們要確定答案，而我們的顧問們一直給不出。”
包括Flying J和顧問們都認為在行動前必須確信他們做了正確的選擇。因為Flying J正在開始一項以前沒有人試過的事業。公司決定對TCS解決方案進行廣泛調查，顧問們配備有廣泛經驗的專家組，他們包括煉油、化工、數控、計算機、通訊和系統安裝等各項領域專家，緊接后，他們建立一個專門場所對硬件實物進行模擬運行試驗和測試。
經過幾個月的測試過程后，顧問們和Flying J公司都感到滿意。TCS系統能以相當低的成本勝任傳統DCS系統的工作。不僅系統硬件能處理3000多個I/O點，且滿足反應速度所需要，而且TCS的軟件被證明是一項好的選擇。工程師們發現，使用TCS軟件，他們能很快確定在煉油過程控制中出現的任何問題的地點和原因。
另一項TCS的長處即模塊化設計，它使得煉制過程能被逐個裝置地予以自動化調試（從而不影響整個工序）。首先進行調試的是重整裝置，這個單元包含200個I/O點，由于工序的連續性要求，安裝在線進行而不允許停產——即“熱切換”，為此新系統的切換被限于一次一個控制回路。
在對這種開通工作準備之前，控制設備先經過并現場模擬運行，每個I/O點都被從硬件上模擬在人機界面顯示屏上，以確保程序控制是正確的。這要感謝TCS程序語言具有自歸檔的特性，使得對控制軟件的檢查和確認都容易。
憑借TCS硬件的強大和TCS的編程軟件靈活編程語言，每天開通的控制回路僅產生非常少的干擾。
這種開通方法雖然使得該項目的預算增加了15%，但卻極大的增加了TCS系統技運的可靠性，而且避免了停產損失。到最后TCS控制系統硬件價格僅為DCS硬件價格的25%，而總價則為傳統DCS系統的35%。
三 結論：
自從1993年以來，公司分階段陸續投運TCS系統，每次開通一部分，94年公司己有五套TCS控制器，它們被安裝運行在煉油廠和其他煉油廠灌區的各個不同備件上。另有兩套煉油生產裝置在1996年也使用了TCS系統。
系統廣泛地使用TCS的前端智能單元作分布式控制使用。
在設計上，一塊νo導軌上的P I D回路通常不多于4個，這能使控制過程快速且高度分散從而帶來安全上的好處。因為主要的控制發生在UO導軌一級的模塊上，因此，一個基本過程控制失靈僅被局限在單獨的UO點上而不至于影響其他的點。
現在，在Flying J公司有兩個TCS控制器用于柴油脫硫裝置，兩個用于原油處理裝置，一個用于重整裝置。控制器將數據送到煉油廠的控制室中人機界面的486和奔騰系統個人計算機中。由于TCS的系統開放式結構，Flying J能夠用人機界面方式和另一種Wonderware的軟件交互使用，這是TCS對第蘭方軟件開放的另一個佐證。
TCS系統的使用每年正在使Flying J煉油廠節約資金約2百萬美圓，系統在頭14個月運行里就賺回了成本。除了降低生產成本之外，TCS系統也極大地改進了 Flying J公司的過程控制水平。
“有些改進甚至是我們沒有想到我們能取得的，”居迪肯工程師這樣說，“比如說，重整裝置中有一加熱爐，當我們以前用于動控制時爐溫波動幅度是20華氏度，現在我們一般能控制在1℉最多不越過5℉；”其結果是更完善的過程控制和一致性更好的優良產品。“當您能使溫度保持穩定時，在煉油反應中分子動力學過程是完全不同的，我們現在能在99%的時間內保證產品的參數在要求的控制精度內。”
文章版權歸西部工控xbgk所有，未經許可不得轉載。
服務咨詢