石化工业基金会现场总线技术

石化工业基金会现场总线技术应用现状与发展趋势FoundationFieldbusTechnologyApplication&DevelopmentinPetrochemicalIndustry林融LinRong北京,2009年11月5日Beijing,5November2009一、前言二、石化工业发展概况与挑战三、FF现场总线技术工程应用四、FF现场总线技术发展趋势五、结束语标题伴随着DCS、SIS、FGS、CCS、PLC等控制系统及相关自动化技术在过程自动化领域的广泛应用，现场总线技术也日益发展成熟并大量进入过程自动化领域，成为目前过程自动化领域的热点技术之一。随着世界范围内石油化工生产技术不断进步，石油化工企业正朝着大型化、一体化、智能化和清洁化等方向发展。传统的石化企业生产过程控制系统的设计理念也随之发生了改变。从工厂生产操作、管理、维护的角度出发，要求过程控制系统应具有开放性、高可靠性、互操作性和易维护性。通过生产操作自动化、经营管理信息化、生产管理与过程控制一体化，实现企业从原油选择、采购、生产加工过程到石油、化工产品出厂全过程的智能化生产及管理，使企业的利润最大化。现场总线技术的逐渐推广应用，会大大提高石油化工生产的智能化水平。一、前言二、石化工业发展概况与挑战中国经济的高速崛起推动了石化工业的迅猛发展美联储前主席艾伦·格林斯潘在其2007年9月出版的回忆录《动荡年代：新世界中的冒险》中推断：“在2030年之前，中国将是美国的主要竞争对手，中国将在2030年决定世界经济的命运”。中国在2007年底GDP超过了德国成为世界第三大经济体。外国经济学家纷纷预测：中国将在5～10年间，将迅速超越日本成为世界第二大经济体，并且同美国形成强有力的竞争。石化工业作为基础能源和原材料产业，已经成为国民经济发展中的重要支柱产业，对GDP的贡献和改善人民生活具有不可替代的作用。据2006年底统计，我国的炼油产能超过3.3亿吨，乙烯产能达到985万吨，均居世界第二位；PTA产能达到780万吨，居世界第三位。根据国家发改委石化工业“十一五”发展规划，到2010年，我国的炼油产能将达到4亿吨，重点建设海南、青岛、惠州、福建、独山子、抚顺、钦州、四川等8个千万吨级炼油厂；乙烯产能将达到1800万吨，重点建设茂名、福建、独山子、天津、镇海、武汉、抚顺、四川等8个百万吨级乙烯厂；PTA产能将达到1600万吨，重点建设仪征、扬子、济南、涪陵、大连等10个项目，产能一跃成为世界第一石化大国。二、石化工业发展概况与挑战中国经济的高速崛起推动了石化工业的迅猛发展从2008年开始，中石化准备与科威特合资建设1500万吨炼油和100万吨乙烯一体化项目（湛江）；中石油准备与卡塔尔合资建设2000万吨炼油和120万吨乙烯一体化项目（台州）。二、石化工业发展概况与挑战中国经济的高速崛起推动了石化工业的迅猛发展从2008年开始，中石化准备与科威特合资建设1500万吨炼油和100万吨乙烯一体化项目（湛江）；中石油准备与卡塔尔合资建设2000万吨炼油和120万吨乙烯一体化项目（台州）。FujianHainanTianjinDushanziHuizhouQinzhouFushunQingdaoFujianHainanTianjinDushanziQinzhouFushunQingdaoSeccoFujianTianjinDushanziHuizhouMaomingFushunBYCZhenhaiWuhan图1-1中国大型炼油项目分布图图1-2中国大型乙烯项目分布图FujianHainanTianjinDushanziHuizhouQinzhouFushunQingdaoFujianHainanTianjinDushanziQinzhouFushunQingdaoFujianHainanTianjinDushanziHuizhouQinzhouFushunQingdaoFujianHainanTianjinDushanziQinzhouFushunQingdaoSeccoFujianTianjinDushanziHuizhouMaomingFushunBYCZhenhaiWuhan图1-1中国大型炼油项目分布图图1-2中国大型乙烯项目分布图FujianHainanTianjinDushanziHuizhouQinzhouFushunQingdaoFujianHainanTianjinDushanziQinzhouFushunQingdao二、石化工业发展概况与挑战面临的挑战-后石油时代即将来临2006年我国消费石油3.47亿吨，石油消费增长量与GDP增长基本同步。原油产量为1.84亿吨，净进口石油（含石油产品）1.63亿吨，其中进口原油1.45亿吨，原油进口依存度达到47%，根据多方面预测，到2020年年进口依存度将超过60%。2004年以来，国际市场石油价格不断攀升，尽管石油价格受国际政治事件、自然灾害、投资基金炒作等多种因素影响，但最基本的影响因素是供求关系，大家都在关心石油未来的供求趋势，很多专家预测：后石油时代正在来临。面对未来的石油供应形势，我们必须重视石油的优化利用和节约使用。什么是“后石油时代”？美国著名地质学家马里恩.金.休伯特1956年提出石油开采将遵循钟型曲线规律。即产量先升，达到一个平台后逐渐下降。他推算美国1970年达到生产曲线的顶峰，事实上美国石油产量的最高点出现在1971年，休伯特的预测非常准确。同样，世界石油产量将会在今后某一时间达到高峰，随之是石油产量下降（如图1所示）。二、石化工业发展概况与挑战面临的挑战-后石油时代即将来临供应出现短缺之时则是后石油时代开始之日。也可以认为世界石油产量达到高峰之时是后石油时代开始之日（如：图1中所示的2020年之后）。190019401980202020602100时间/年石油供应量图2-1世界石油产量与需求趋势示意图产量需求二、石化工业发展概况与挑战面临的挑战-后石油时代即将来临煤化工、天然气化工及生物质化工发展迅猛。工业与民用燃料天然气石油生物质能煤炭GTLCTLBTL运输燃料石化原料发电供热汽油柴油航煤船油乙烯丙烯芳烃其它有机化学品图2-2含碳能源利用图二、石化工业发展概况与挑战面临的挑战-后石油时代即将来临中国石化工业的平均能耗居高不下！12.041.672.143.4210.213.6702468101214中国日本德国美国印度世界平均(单位：万吨标准煤/亿美元GDP；资料来源：《自然辩证法》2003年第8期朱训“关于中国能源战略的辩证思考”)图2-3中国与世界部分国家能源效率对比图二、石化工业发展概况与挑战面临的挑战-后石油时代即将来临1.原油资源短缺，依靠进口原油加工；2.原油资源劣质化，原油加工难度大；3.炼油及石化原料需求矛盾越来越突出；4.原油价格波动，生产成本提高，经营风险加大；5.世界著名石化公司在中国建厂，市场竞争激烈；6.安全、节能、减排、环保等规范要求更加严格。（1997年12月，中国成为“京都议定书”缔约国）二、石化工业发展概况与挑战当前我国石化工业的发展趋势石化工业的产业链长，产品附加值高，对相关产业的带动面大，而且国内缺口大。因此许多地区将石油、石化项目作为发展重点，争相上马。但必须看到，面对国际、国内两个复杂多变的市场，石化工业也面临着严峻的挑战和沉重的压力。而且石化是资金密集、技术密集的企业，项目建设必须十分慎重。关注以下几个石化工业发展中的趋势，可能有助于一些地区对发展石化工业的思考：1.提高企业集成度，向炼油化工大型化、一体化、智能化、清洁化等方向发展；2.提高石化企业对全球市场的适应性；3.在炼油化工一体化企业中炼油厂需要多产石化原料（宜烯则烯，宜芳则芳）；4.C3、C4产品需求增长快于乙烯，增产C3、C4产品的各种新技术受到高度重视；5.开发精细化工产品链，提高石化产品的附加值；6.煤化工、天然气化工及生物质化工正在蓬勃兴起；二、石化工业发展概况与挑战当前我国石化工业发展中值得关注的趋势7.重视原油资源研究，建立安全可靠的原油供应体系；8.加快石化工业结构调整，实施炼油化工一体化项目；9.加大科技创新，优化工艺流程，提高加工深度和产品质量；10.应用信息化与自动化集成技术，提升现代企业管理水平；11.安全、节能、降耗、环保优先；12.新能源、新工艺、综合利用开发研究，促进制造行业发展；13.降低工厂生命周期成本，提高石化企业管理水平。国家发改委提出：新建炼油项目产能应在800万吨以上；新建乙烯项目产能应在80万吨以上；新建PX项目产能应在70万吨以上。中石化科技发展部提出：新建项目要符合“大型化，一体化，高科技”的方针。三、FF现场总线技术工程应用3.1工业自动化仪表及控制系统发展进程气动仪表3-15PSI20-100KPa50’s信号与协议特征与功能隔爆型仪表/本质安全型仪表/无火化型仪表4-20mA70’s远程调校仪表依赖不同的协议智能型HARTDEBRAIN80’s现场总线IEC61158良好的互操作性90’s电子仪表模数混合仪表全数字仪表无线数字仪表10-50mA0-20mA60’s现场调校气动电动电Ⅲ型模拟量模拟量混合型数字型无线数字型无线仪表IEC无线HARTISA100.11a良好的扩展性21cn气动单元组合仪表DCS电动单元组合仪表DCS/FCSDCS/FCS/WCS图3-1工业自动化仪表及控制系统发展进程三、FF现场总线技术工程应用3.2FF现场总线技术概览现场总线技术是20世纪80年代在国际自动化控制领域兴起的一项突破性技术。它集网络技术、通信技术、计算机技术、智能化仪表技术和自动控制技术之大成，组成双向、多节点、全数字的开放式通讯系统。FCS位于PCS网络结构的底层（ISA-95智能工厂模型的1层），并直接与过程控制对象相连接。根据IEC61158定义，现场总线（Fieldbus）是“安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线”。或者说，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。其中，“生产过程”应包括间歇生产过程和连续生产过程两类。现场设备/仪表指位于现场层的传感器、变送器、执行机构等设备。因此，现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术。基于这项技术的自动化系统称为现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）。三、FF现场总线技术工程应用3.2FF现场总线技术概览现场总线控制系统（FCS）是继分散控制系统（DCS）之后的新一代控制系统，是过程控制领域的一个重要分支，但它不会完全取代DCS。FCS具有下列显著特点：•FCS具有开放性、互操作性和互用性；•FCS具有现场设备智能化和功能自治化；•FCS具有功能高度分散化；•FCS具有高准确性和高可靠性；•FCS可节省安装材料和减少调试工作量；1.FCS可节省维护费用，使系统生命周期成本降低。现场总线控制系统（FCS）同传统的分散控制系统（DCS）相比有如下显著优点：三、FF现场总线技术工程应用特性分散控制系统（DCS）现场总线控制系统（FCS）备注传输信号模拟信号或模、数混合信号全数字信号通信方向单向双向连接方式点对点多节点常规控制在DCS控制器内-集中在现场设备内-分散故障诊断基本诊断先进诊断（带故障预报）测量精度一般（≤0.2%FS）高（≤0.1%FS）测量参数少多（更有利于工厂信息化）系统扩容需修改组态，离线下装即插即用，系统自动识别##需DD文件互操作性一般很好硬件数量100%30%~50%据ARC报告电缆配线100%30%~50%据ARC报告安装成本100%约91%据ARC报告维护成本100%约80%据ARC报告三、FF现场总线技术工程应用3.2FF现场总线技术概览基于H1的FF现场总线技术具有以下几点基本特征：1）执行标准：IEC61158-2；2）通讯信号：曼彻