基于現(xiàn)場總線的電動執(zhí)行機構(gòu)應用實例

　　隨著對過程控制系統(tǒng)安全性要求的不斷提高，現(xiàn)場總線控制方案正逐漸取代傳統(tǒng)控制方案，成為越來越多工程的常規(guī)控制手段之一。作為重要控制終端之一的電動執(zhí)行機構(gòu)也要不斷適應現(xiàn)場總線技術變化的需求。文章通過一工程實例，概述如何選取適合項目的現(xiàn)場總線方案，保證系統(tǒng)安全、可靠、高效運行。

1、現(xiàn)場總線簡介

　　計算機及其網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展給自動控制領域帶來了巨大進步�，F(xiàn)場總線概念于1982年首先由歐洲提出，到1999年國際電工委員會制定出了IEC61158現(xiàn)場總線國際標準�，F(xiàn)場總線控制技術是當前控制領域里發(fā)展十分迅速并逐漸成熟的一門技術，它使用全數(shù)字化的傳輸技術取代傳統(tǒng)現(xiàn)場儀表一對一的4~20mA電流信號連接技術，給自動控制技術帶來了全新的觀念，其發(fā)展的結(jié)果必將是取代DCS系統(tǒng)孤立、開放程度低的現(xiàn)狀，建立起不依賴任何廠商的開放式控制系統(tǒng)，并建立統(tǒng)一的工廠底層信息網(wǎng)絡，任何遵守相同標準的不同廠家生產(chǎn)的設備均可即插即用并與之連接進行信息交換和操作，實現(xiàn)完全的分散式控制系統(tǒng)。根據(jù)IEC61158標準，有8種類型的現(xiàn)場總線成為國際標準現(xiàn)場總線。Profibus、DeviceNet、FoundationFieldbus等都是符合國際標準的主流現(xiàn)場總線。

2、電動執(zhí)行機構(gòu)上應用現(xiàn)場總線的優(yōu)勢

　　石油化工行業(yè)的過程控制是連續(xù)的，電動執(zhí)行機構(gòu)的作用是將各種標準控制信號，如開、關、停信號及閥門開度模擬量信號(0/4~20mA，0~10V，0~5V等)和數(shù)字量信號，轉(zhuǎn)化成相應的輸出動作位移。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在接收到傳感器的流量或壓力或溫度信號后，根據(jù)工藝要求，電動執(zhí)行機構(gòu)接收到聯(lián)鎖指令及位置信號后，經(jīng)功率控制模塊或伺服放大模塊驅(qū)動電動執(zhí)行機構(gòu)運行走到相應位置，電動執(zhí)行機構(gòu)在整個控制系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，它的好壞，將直接影響著過程控制工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量、安全、環(huán)境保護、能源消耗等。

　　由于電動執(zhí)行機構(gòu)具有多個控制輸入/輸出信號，需要約7~14根控制線才能將執(zhí)行機構(gòu)的參數(shù)傳遞到控制系統(tǒng)的控制模板上。而采用現(xiàn)場總線，一個環(huán)路中的所有執(zhí)行器被一根屏蔽雙絞線串聯(lián)起來，所有控制及反饋信息均通過這根雙絞線進行傳輸，完全取代傳統(tǒng)的多芯電纜。當需要增加執(zhí)行器時，只需一根雙絞線和上級控制裝置的一個串口，并不需要對每個執(zhí)行器都單獨增加多芯電纜，更不需要增加系統(tǒng)大量的I/O接口，可大大節(jié)約投資。

　　采用現(xiàn)場總線的執(zhí)行機構(gòu)具有雙向通訊功能，操作人員在控制室既可對現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)進行標定、參數(shù)設置、功能組態(tài)，還可在線監(jiān)測裝置的工作情況、運行故障診斷和事故預測、實施狀態(tài)維修，可以最大限度地縮短檢修時間，提高檢修質(zhì)量，降低檢修費用。當出現(xiàn)一些在現(xiàn)場無法解決的難題時，還可以通過總線接口來進行遠程通信實施遠程技術支持，不再需要像過去一定要到現(xiàn)場去。由于執(zhí)行機構(gòu)時刻處于被監(jiān)控狀態(tài)，因此使用和維護十分方便。

　　此外，現(xiàn)場總線輸出為數(shù)字信號，比起傳統(tǒng)模擬式傳輸，不僅減少了信號在傳輸過程中的失真，且增加了抗干擾能力，傳輸信號穩(wěn)定、可靠。

3、工程實例概況

　　中油惠印石化倉儲基地為中國石油天然氣股份有限公司廣東銷售分公司在廣東惠州市大亞灣經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)的一級成品油商業(yè)儲備庫，主要功能是為中國石油成品油銷售提供倉儲。項目新建共6臺30，000m3/罐的成品油儲罐，已于2011年春節(jié)前通過整體驗收。

　　該項目采用雙重熱備PLC系統(tǒng)，CPU、電源、通訊模塊等1∶1冗余。項目現(xiàn)場一期共使用電動閘閥46臺，以后將擴展到72臺。考慮到安裝維護及日后擴展的便捷性，選擇帶現(xiàn)場總線的智能電動執(zhí)行機構(gòu)。

4、總線方案選取

　　實例項目選取某國外知名品牌的智能型電動執(zhí)行機構(gòu)。該產(chǎn)品默認拓撲結(jié)構(gòu)通過執(zhí)行機構(gòu)控制器(MasterStation)運行內(nèi)部總線協(xié)議并組建雙線環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以RS485(Modbus協(xié)議)接口與PLC通訊(見圖1)。該結(jié)構(gòu)下所有執(zhí)行機構(gòu)通過2根2芯屏蔽雙絞線為媒介串接成環(huán)形，且雙線環(huán)網(wǎng)具有雙向傳輸通訊特性，即總線信號可經(jīng)控制器A端口發(fā)出，按執(zhí)行機構(gòu)物理連接順序1#，2#，...N-1#，N#巡檢，再由B端口接收;也可以反向由B端口發(fā)出，按順序N#，N-1#，...2#，1#巡檢，由A端口接收。當控制環(huán)路中某一執(zhí)行機構(gòu)故障時，故障點從控制鏈路上自動脫離，控制器信號可同時從A端口及B端口發(fā)出，保證控制鏈路在不受故障影響下繼續(xù)運行;當故障閥門維護完畢可重新掛上網(wǎng)絡，系統(tǒng)恢復常態(tài)運行。

　　然而，此拓撲結(jié)構(gòu)需要額外增加執(zhí)行機構(gòu)控制器(MasterStation)，且控制器沒有備用接口連接PLC冗余通訊模塊，沒有充分利用雙重熱備系統(tǒng)的冗余性。要達到完全冗余則需要增加兩套MasterStation，將大大增加項目成本。

　　現(xiàn)場總線相對于整個電動執(zhí)行機構(gòu)來講是一個部件，即通訊接口卡。不同的現(xiàn)場總線要采用不同的通訊控制卡，如果是Modbus或Profibus現(xiàn)場總線，就必須分別采用能夠與Modbus或Profibus總線進行通訊的通訊卡，不同的現(xiàn)場總線由于標準不同，不能相互兼容。在使用過程中，只有具有遵循同一總線要求的設備才能相互通訊。

　　Profibus系統(tǒng)有三種總線拓撲結(jié)構(gòu)：RS485(Profibus-DP)連接、符合IEC1158-2(Profibus-PA)連接、以及光纖連接。RS485連接是一個兩端有有源終端的線性拓撲結(jié)構(gòu)，稱為RS485總線段，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信，分主、從站結(jié)構(gòu)。主站向從站以令牌傳遞方式訪問，通訊距離100~1200m，傳輸速率介于9.6kbit/s~12Mbit/s。兩個總線站之間的最大傳輸距離與設定速率有關。Profibus-PA為底層通訊協(xié)議，專為自動化過程而設，可連接現(xiàn)場各傳感器、變送器等。Profibus-PA具有樹狀、鏈狀、星形、點對點等多種拓撲結(jié)構(gòu)，傳輸速率為31.25kbit/s。特殊情況下，Profibus還可以選擇采用光纖連接的拓撲結(jié)構(gòu)。

圖1 雙線環(huán)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

　　結(jié)合實例項目現(xiàn)場情況，各電動閥之間距離不超過200m，且最近點與控制室距離不超過150m。每個電動執(zhí)行機構(gòu)可通過加裝總線通訊板使之等同于一個從站結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可通過PLC作主站，向各從站發(fā)出巡檢信號，且此方案比增加執(zhí)行機構(gòu)控制器(MasterStation)更經(jīng)濟，也不會增加施工難度。因此設計最終放棄選擇增加執(zhí)行機構(gòu)控制器并組建雙線環(huán)網(wǎng)的方案，改而選擇Profibus-DP結(jié)構(gòu)。

　　Profibus-DP網(wǎng)絡冗余性能(見表1)將直接影響該網(wǎng)絡的安全性、可靠性以及日后維護的便捷性�？紤]到項目使用雙重熱備型PLC系統(tǒng)，結(jié)合儲備油庫的戰(zhàn)略定位，設計最終選擇采用方案4的雙總線冗余結(jié)構(gòu)，即執(zhí)行機構(gòu)使用冗余通訊卡與PLC端作冗余連接。并將傳輸速率設定為1.5Mbit/s。

5、雙總線方案描述

　　雙總線回路與執(zhí)行機構(gòu)的聯(lián)接方式見圖2。電動執(zhí)行機構(gòu)的冗余通訊接口卡安裝后掛于Profibus-DP網(wǎng)絡上，每個執(zhí)行機構(gòu)在總線中都獲分配唯一地址，對PLC發(fā)出的控制信號做出響應。通訊電纜可采用專用總線電纜或全屏蔽雙絞線，在所有應用中具有易安裝、易維護、低成本和高效率的優(yōu)點�？偩�A與總線B分別從互相冗余的主PLCA和從PLCB的通訊模塊中引出，兩路總線電纜分別按物理連接順序與每一執(zhí)行機構(gòu)串接，最終止于總線終端電阻。形成一對平行的雙總線回路。因為每臺現(xiàn)場設備都是同時連接兩條通訊回路，由此構(gòu)成了一個冗余的通信線路。

圖2 雙總線冗余網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

　　正常工作時，設定其中一PLC為主處理器和主熱備通訊模塊，另一PLC為從處理器和從熱備通訊模塊，并保持與主處理器的實時同步�？偩�信號沿工作鏈路的通訊模塊端口傳輸，當有一處線路或執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生故障時，系統(tǒng)巡檢異常并通知主處理器故障位置，使該處故障線路從系統(tǒng)上脫離，同時系統(tǒng)將自動切換至熱備處理器工作，使總線信號沿另一鏈路傳輸，此時主、從處理器互換，故障所在鏈路切換為從處理鏈路，從而實現(xiàn)可靠的冗余功能。當故障修復后設備重新掛上系統(tǒng)，重新開啟熱備功能。

　　當主處理器發(fā)生故障時，監(jiān)視處理器工作狀態(tài)的主熱備通訊模塊迅速將自己的內(nèi)部接點斷開，而從熱備通訊模塊迅速閉合自己的內(nèi)部接點，從而完成移交對網(wǎng)絡和I/O框架控制權的過程，使原來的從處理器和從熱備通訊模塊轉(zhuǎn)變?yōu)橹魈幚砥骱椭鳠醾渫ㄓ嵞�塊。當處理器故障修復后重新掛上系統(tǒng)，并成為從處理器繼續(xù)工作。

6、結(jié)束語

　　隨著各種過程控制要求的不斷提高，作為用于過程控制的電動執(zhí)行機構(gòu)也要能夠不斷適應這種情況。只有不斷適應現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(FieldbusControlSystem)的要求，電動執(zhí)行機構(gòu)才能更好地發(fā)揮其應有的優(yōu)勢。

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