1 引言
油庫(kù)中油料儲(chǔ)存罐和輸油管道所使用的各種控制閥門是油料儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中必不可少的現(xiàn)場(chǎng)儀表，其智能化程度的高低、所含信息的多少和對(duì)故障的診斷與容錯(cuò)能力直接影響到數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和易用性。通常庫(kù)區(qū)中的控制閥數(shù)量眾多且分散，普通的控制閥所含信息量少而布線繁多，這在一定程度上使庫(kù)區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。該系統(tǒng)采用英國(guó)Rotork公司的智能電動(dòng)閥及其主站控制器和3級(jí)故障顯示報(bào)警系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化了監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜設(shè)計(jì)，而且借助其豐富的診斷信息和對(duì)故障的容錯(cuò)能力，使系統(tǒng)的可靠性得以提高。
2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)
2.1 Rotork智能閥控制設(shè)備
Rotork智能閥控制設(shè)備是一個(gè)閥門數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視與控制系統(tǒng)，它由一臺(tái)主站控制器和與它相連的現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)閥組成。主站控制器通過(guò)一條兩線電流環(huán)路可以控制掛于環(huán)路上的多達(dá)240個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制閥，該電流環(huán)路可長(zhǎng)達(dá)20
km。
現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)閥的智能化程度較高，其內(nèi)部含有豐富的數(shù)據(jù)和診斷信息。但最主要的特點(diǎn)是多個(gè)智能閥僅通過(guò)兩線互聯(lián)成一個(gè)環(huán)路，最終接入主站控制器的只有起始和末端兩線，所有閥門信息通過(guò)兩線通訊進(jìn)入主站控制器?，F(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)閥還具有線路故障屏蔽功能，當(dāng)環(huán)路出現(xiàn)開路、短路或接地故障時(shí)，智能閥可以將故障端的線路屏蔽掉，使主站控制器仍能與線路上的所有智能閥通訊而不受影響，同時(shí)將故障信息發(fā)給主站控制器。其兩線屏蔽原理如圖1所示。
圖1 故障屏蔽原理
正常操作情況下，通訊電流信號(hào)沿環(huán)路的一條線從主站控制器的端口A流出，經(jīng)該環(huán)路從端口B流回。此時(shí)，另一條線路是冗余的。當(dāng)有一處線路發(fā)生故障時(shí)，該處故障線路被閥門屏蔽，故障線路兩邊的智能閥可通過(guò)各自的環(huán)路與主站控制器通訊;當(dāng)有兩處線路發(fā)生故障時(shí)，這兩處故障之間的智能閥都被屏蔽，兩處故障之外的智能閥依然可以通過(guò)兩“臂狀”環(huán)路與主站控制器通訊。
2.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
在該系統(tǒng)中采用PLC作為控制機(jī)來(lái)完成對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣、脈沖量累計(jì)、狀態(tài)的判別、輸出控制等;采用微型計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)完成采集數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)，分析處理、狀態(tài)顯示以及打印輸出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在該系統(tǒng)中最重要的是：一方面，由PLC將采集到的各種數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠、迅速的傳送到上位機(jī);另一方面上位機(jī)的控制命令和調(diào)度命令必須準(zhǔn)確無(wú)誤的下發(fā)到PLC，而完成這兩方面工作的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)通信。主站控制器是由主CPU卡、環(huán)路通訊卡、電源、液晶顯示器和16按鈕鍵盤組成的盤裝智能儀表。它內(nèi)部有兩個(gè)固定的數(shù)據(jù)庫(kù)，一個(gè)是現(xiàn)場(chǎng)單元數(shù)據(jù)庫(kù)，負(fù)責(zé)接收并記錄從兩線環(huán)路傳來(lái)的智能閥的地址、轉(zhuǎn)矩、開度等數(shù)據(jù)，根據(jù)從上位機(jī)傳來(lái)的讀寫命令控制閥門的運(yùn)動(dòng)，該數(shù)據(jù)庫(kù)從邏輯上劃分為4個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)記錄60個(gè)閥門的數(shù)據(jù);另一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)為主站控制器狀態(tài)及自診斷數(shù)據(jù)庫(kù)，負(fù)責(zé)記錄通訊協(xié)議的有關(guān)狀態(tài)并向智能閥發(fā)布命令。通過(guò)主站控制器的按鍵和液晶顯示器，可以實(shí)現(xiàn)讀取智能閥的開度、轉(zhuǎn)矩、地址等數(shù)據(jù)，控制閥門的開閉，接收?qǐng)?bào)警信號(hào)及與PLC通訊等功能。
圖2 油料儲(chǔ)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖
2.3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖3 現(xiàn)場(chǎng)智能電動(dòng)閥監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖
該系統(tǒng)的控制部分采用美國(guó)GE Fanuc公司的HBR雙重?zé)醾湫蚉LC系統(tǒng)，通過(guò)PLC控制140個(gè)智能閥(IQ actuator)的開停閉。上位監(jiān)控站可監(jiān)視各個(gè)智能閥的閥位回信狀態(tài)、閥位值以及報(bào)警信號(hào)，并可執(zhí)行開閥、停閥和關(guān)閥操作。
Pakscan IIE主站控制器與PLC之間采用Modbus協(xié)議通訊，以port
1的RS-485接口連接。正常運(yùn)行情況下，主PLC和主控制器工作，從PLC和備控制器分別與主PLC和主控制器保持同步。智能閥將數(shù)據(jù)傳送給主控制器，主PLC通過(guò)RS-485接口從主控制器中讀取數(shù)據(jù)，并向其發(fā)布命令，主控制器再執(zhí)行命令，驅(qū)動(dòng)智能閥按命令運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)主PLC或主控制器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能分別自動(dòng)切換到從PLC或備控制器。
由于系統(tǒng)中采用的是Modbus通訊協(xié)議，一臺(tái)PLC可以連接多臺(tái)Pakscan IIE主站控制器，因此，若現(xiàn)場(chǎng)智能閥較多，系統(tǒng)可以很方便地?cái)U(kuò)展而且連線簡(jiǎn)單。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 通訊程序設(shè)計(jì)
PLC選用Modbus RTU主通訊模塊(master)。Pakscan
IIE主站控制器是一個(gè)遠(yuǎn)程終端單元，做為Modbus從設(shè)備(slave)。PLC的CPU通過(guò)Modbus
RTU主通訊模塊控制Pakscan IIE主站控制器的讀寫，被稱為Modbus host。系統(tǒng)采用單Modbus
host兩線通訊方式，該方式最多可以連接32個(gè)Pakscan IIE主站控制器。
主通訊模塊的程序設(shè)計(jì)有3部分內(nèi)容：初始化通訊模塊;讀寫Modbus/RTU數(shù)據(jù);監(jiān)測(cè)通訊狀態(tài)。
通訊模塊的初始化工作主要是配置3個(gè)初始化控制塊的參數(shù)：Slave控制塊(SCB)，信息控制塊(MCB)和通訊要求參數(shù)塊(COM_REQ)。 SCB是一個(gè)15個(gè)寄存器長(zhǎng)的數(shù)據(jù)塊，功能是定義與其通訊的Slave的型號(hào)、個(gè)數(shù)、狀態(tài)等參數(shù)，每一個(gè)Slave需要定義一個(gè)SCB塊。MCB是一個(gè)6 個(gè)寄存器長(zhǎng)的數(shù)據(jù)塊，功能是定義Master要求每個(gè)Slave執(zhí)行的命令信息，包括命令類型、RTU引用地址偏移、PLC引用地址偏移、主機(jī)號(hào)等參數(shù)，每一種命令需要定義一個(gè)MCB塊。COM_REQ是一個(gè)17個(gè)寄存器長(zhǎng)的數(shù)據(jù)塊，功能是定義通訊方式、端口控制字及監(jiān)測(cè)SCB和MCB的狀態(tài)參數(shù)等，每一端口需要定義一個(gè)COM_REQ塊。所有這些初始化參數(shù)在PLC上電或冷啟動(dòng)初始化的第一個(gè)掃描周期內(nèi)加載到RTU主通訊模塊，此后RTU主通訊模塊負(fù)責(zé)與PakscanIIE主站控制器通訊，而PLC則與RTU主通訊模塊交換數(shù)據(jù)。
讀寫Modbus/RTU數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)通訊狀態(tài)的編程相對(duì)簡(jiǎn)單，只要讀寫初始化時(shí)定義的相應(yīng)的PLC參數(shù)地址即可。
3.2 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
上位監(jiān)控站可以準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)和控制儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程的所有信息和設(shè)備。通過(guò)編程、組態(tài)、連接，形象地反映實(shí)際工藝流程、顯示動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，設(shè)置PID控制參數(shù)以及過(guò)程參數(shù)，并可以查看歷史趨勢(shì)、報(bào)警歷史報(bào)表等。
Rotork的現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)閥配置在流程的輸油管線上，通過(guò)按鈕可以人工啟動(dòng)、停止和關(guān)閉任一個(gè)閥門，并顯示任意時(shí)刻的閥門狀態(tài)和閥位值。設(shè)計(jì)良好的人機(jī)界面使操作簡(jiǎn)便、直觀。
3.3 故障報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中我們?cè)O(shè)計(jì)了3級(jí)故障顯示報(bào)警系統(tǒng)，1級(jí)設(shè)置在控制現(xiàn)場(chǎng)各控制柜面板，用指示燈指示設(shè)備正常運(yùn)行和故障情況，當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)指示燈亮，當(dāng)該設(shè)備運(yùn)行有故障時(shí)指示燈以1Hz的頻率閃爍。為防止指示燈燈泡損壞不能正確反映設(shè)備工作情況，專門設(shè)置了故障復(fù)位/燈測(cè)試按鈕，系統(tǒng)運(yùn)行任何時(shí)間持續(xù)按該按鈕3s，所有指示燈應(yīng)全部點(diǎn)亮，如果這時(shí)有指示等不亮說(shuō)明該指示燈已壞，應(yīng)立即更換，改按鈕復(fù)位后指示燈仍按原工作狀態(tài)顯示設(shè)備工作狀態(tài)。2級(jí)故障顯示設(shè)置在中心控制室大屏幕監(jiān)視器上，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，有文字顯示故障類型，工藝流程圖上對(duì)應(yīng)的設(shè)備閃爍，歷史事件表中將記錄該故障。3級(jí)故障顯示設(shè)置在中心控制室信號(hào)箱內(nèi)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，信號(hào)箱將用聲、光報(bào)警方式提示工作人員，及時(shí)處理故障。在處理故障時(shí)，又將故障進(jìn)行分類，有些故障是要求系統(tǒng)停止運(yùn)行的，但有些故障對(duì)系統(tǒng)工作影響不大，系統(tǒng)可帶故障運(yùn)行，故障可在運(yùn)行中排除，這樣就大大減少整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)間，提高系統(tǒng)可靠性運(yùn)行水平。
4 結(jié)束語(yǔ)
Rotork的智能閥控制設(shè)備與PLC的結(jié)合使得罐區(qū)儲(chǔ)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)布線簡(jiǎn)潔、控制方便，PLC的冗余以及Pakscan
IIE主站控制器的雙備保證了系統(tǒng)的高可靠性，也提高了控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。
