基于通信實(shí)現(xiàn)DCS對(duì)電動(dòng)閥的可靠控制
控制閥是石油儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中必不可少的現(xiàn)場(chǎng)儀表，對(duì)其控制通常采用硬接線方式，閥門(mén)較多的場(chǎng)合不僅需要大量電纜，而且占用較多的控制系統(tǒng)資源。某原油罐區(qū)基于通信方式，成功實(shí)現(xiàn)了DCS對(duì)大量電動(dòng)閥的可靠控制，取得了滿意的效果。主要描述了DCS和電動(dòng)閥控制單元的硬件設(shè)計(jì)，通信和組態(tài)軟件實(shí)施，以及實(shí)際應(yīng)用效果。實(shí)踐證明基于通信實(shí)現(xiàn)DCS對(duì)大量電動(dòng)閥的控制是可靠和令人滿意的，對(duì)大型石化罐區(qū)及電動(dòng)閥應(yīng)用較多的場(chǎng)合具有一定的參考意義。
石化罐區(qū)中原油儲(chǔ)罐和輸油管道所使用的各種控制閥不僅分散而且數(shù)量眾多，主要為大口徑閥門(mén)，采用氣動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通常是通過(guò)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)或DCS直接對(duì)閥門(mén)進(jìn)行控制，除了開(kāi)閥、關(guān)閥和急停控制外，一般還需要將閥門(mén)開(kāi)度、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、遠(yuǎn)程/就地、各種報(bào)警等閥門(mén)信息引入系統(tǒng)。一個(gè)閥門(mén)至少有六七個(gè)以上不同類(lèi)型的參數(shù)，閥門(mén)較多的場(chǎng)合，不僅需要大量的電纜，而且占用較多的系統(tǒng)I/O卡件和通道資源。通常的概念，純監(jiān)視數(shù)據(jù)可以接受通信方式來(lái)完成采集，涉及控制的參數(shù)一般不使用通信方式而采用硬接線，但近年來(lái)隨著通信功能的完善及其可靠性的進(jìn)一步提高，使用通信來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的控制越來(lái)越多地得到了應(yīng)用。某1×106m3原油罐區(qū)采用ECS-700DCS，通過(guò)與Pakscan電動(dòng)閥控制單元的Modbus通信，成功實(shí)現(xiàn)了DCS對(duì)大量電動(dòng)閥的可靠控制。
1、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1、DCS
ECS-700DCS按照可靠性設(shè)計(jì)原則，在充分保證系統(tǒng)安全可靠的基礎(chǔ)上，不僅使系統(tǒng)規(guī)模能充分滿足大型聯(lián)合生產(chǎn)裝置的需求，還具有故障安全設(shè)計(jì)、單點(diǎn)在線下載、多工程師協(xié)同工作、分域管理、離線仿真調(diào)試等特點(diǎn)，同時(shí)融合了最新的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，支持Profibus，Modbus，F(xiàn)F，HART等多種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線的接入和多種第三方設(shè)備的綜合集成，并且與這些第三方設(shè)備的集成均可提供接口與線路的冗余配置。
1.2、電動(dòng)閥控制單元
電動(dòng)閥控制單元由一臺(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(總線)控制掛于環(huán)路上的多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制閥，該電流環(huán)路可長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里。多個(gè)電動(dòng)閥僅通過(guò)兩條總線互聯(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總線，所有閥門(mén)信息通過(guò)兩總線通信進(jìn)入主站控制器，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都具備兩個(gè)方向上冗余的通信通道，這樣提高了線路故障時(shí)的通信可用性。Pakscan現(xiàn)場(chǎng)控制模塊可以安裝RotorkIQ，IQT，AQ，Q和A系列執(zhí)行器內(nèi)，而通用現(xiàn)場(chǎng)控制模塊可以連接其他廠家的設(shè)備，如泵、電磁閥、電動(dòng)閥等。
主站控制器不斷采集來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)控制模塊的信息，實(shí)現(xiàn)讀取智能閥的開(kāi)度、轉(zhuǎn)矩、地址、報(bào)警等數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，隔離現(xiàn)場(chǎng)故障設(shè)備，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的ModbusRTU等協(xié)議與DCS通信，上送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，接受閥門(mén)控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)多種智能閥門(mén)和設(shè)備的控制。為了增加可靠性，采用冗余主站控制器，與DCS的通信接口和線路也是冗余配置的。在進(jìn)行通信方式控制的同時(shí)，電動(dòng)閥等執(zhí)行器也可以使用就地控制、硬接線遠(yuǎn)程控制及輔助輸入，大大提高了控制的可靠性和配置的靈活性。
1.3、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
電動(dòng)閥控制單元的主站控制器安裝在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間的輔助機(jī)柜中，通過(guò)冗余的通信總線接入DCS的冗余串口通信模塊COM741基座中，實(shí)現(xiàn)可靠的通信。一對(duì)冗余的通信模塊有4個(gè)接口，可以通過(guò)硬件跳線配置成RS-485或RS-232通信接口，實(shí)現(xiàn)與多個(gè)電動(dòng)閥控制單元的連接。因?yàn)镸odbusRTU等協(xié)議已是廣泛應(yīng)用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，因此在各類(lèi)電動(dòng)閥控制單元中均得到支持，DCS種類(lèi)豐富的通信模塊可與各類(lèi)支持這些標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的電動(dòng)控制閥實(shí)現(xiàn)通信。該項(xiàng)目中罐區(qū)100多個(gè)常規(guī)信號(hào)則通過(guò)I/O模塊直接進(jìn)入DCS控制站，其中硬接線與通信點(diǎn)數(shù)之比為1：15。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
2、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1、通信程序編制
DCS與電動(dòng)閥主站控制器采用ModbusRTU協(xié)議進(jìn)行通信，在DCS實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，不需要編制程序，僅填寫(xiě)簡(jiǎn)單的表格(其中大多數(shù)項(xiàng)選擇合適的參數(shù)即可)即可完成通信配置和程序設(shè)計(jì)。然后需根據(jù)參數(shù)類(lèi)型添加若干個(gè)讀寫(xiě)命令，再掃描硬件自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的內(nèi)部變量，用來(lái)存放電動(dòng)閥的開(kāi)停閉命令和狀態(tài)參數(shù)，這樣就完成了通信組態(tài)工作。該項(xiàng)目中DCS作為主站，采用RS-485接口，傳輸速率為9600bit/s，8位數(shù)據(jù)位，奇校驗(yàn)，1位停止位。
2.2、電動(dòng)閥控制程序編制
電動(dòng)閥控制單元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(kāi)度、報(bào)警等數(shù)據(jù)，根據(jù)從DCS傳來(lái)的讀寫(xiě)命令控制閥門(mén)的動(dòng)作，因此控制閥門(mén)的程序是在DCS中完成的，其中包括開(kāi)停閉閥門(mén)邏輯及故障判斷、輸出信號(hào)類(lèi)型、行程時(shí)間的設(shè)置等。使用DCS提供的閥門(mén)控制功能模塊Valve，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)的控制程序編制，使用起來(lái)相當(dāng)方便，只需在用戶程序中對(duì)控制模塊進(jìn)行引用，并對(duì)其中操作和配置參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置即可。同時(shí)系統(tǒng)還提供了Valve功能塊相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)閥門(mén)操作面板，可供操作員在操作站監(jiān)控軟件中使用。當(dāng)然，若標(biāo)準(zhǔn)閥門(mén)面板不能滿足要求，可以自定義所需要的操作面板。圖2是閥門(mén)控制模塊Valve引用的一個(gè)實(shí)例，其中Flag是閥門(mén)控制模塊質(zhì)量碼，用來(lái)在監(jiān)控軟件中顯示閥門(mén)的各種狀態(tài)。
圖2 閥門(mén)控制模塊Valve的引用實(shí)例
2.3、監(jiān)控軟件制作
該項(xiàng)目中需要控制電動(dòng)閥近200臺(tái)，每臺(tái)電動(dòng)閥均有開(kāi)閥、關(guān)閥、急停、開(kāi)到位、關(guān)到位、過(guò)扭矩報(bào)警、綜合報(bào)警7個(gè)信號(hào)。每一幅畫(huà)面上都有大量閥門(mén)，操作界面設(shè)計(jì)的好壞將直接影響到操作效率與安全，利用DCS軟件的強(qiáng)大功能，閥門(mén)利用顏色的變化清晰準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出了閥門(mén)的開(kāi)啟、閉合、行程、故障、報(bào)警等狀態(tài)。若對(duì)閥門(mén)進(jìn)行操作，點(diǎn)擊閥門(mén)則會(huì)彈出閥門(mén)操作面板，來(lái)供操作員進(jìn)行開(kāi)停閉的閥門(mén)操作。
3、結(jié)束語(yǔ)
基于通信實(shí)現(xiàn)了DCS對(duì)大量電動(dòng)閥的實(shí)時(shí)控制，使得罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)布線簡(jiǎn)潔，大大減少了電纜和DCS部件，減少了安裝調(diào)試工作量和成本，關(guān)鍵部件和通信全環(huán)節(jié)的冗余配置又保證了系統(tǒng)的高可靠性;同時(shí)罐區(qū)數(shù)據(jù)直接進(jìn)入DCS，既便于在中心控制室對(duì)整個(gè)罐區(qū)進(jìn)行監(jiān)視和控制，也為罐區(qū)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理和企業(yè)的信息化管理帶來(lái)了方便。該罐區(qū)投用半年以來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，控制方便可靠，實(shí)踐證明基于通信實(shí)現(xiàn)DCS對(duì)大量電動(dòng)閥的控制是可靠和令人滿意的，對(duì)大型石化罐區(qū)及電動(dòng)閥應(yīng)用較多的場(chǎng)合具有一定的參考意義。
參考文獻(xiàn)：
[1]李衛(wèi)成.電動(dòng)閥門(mén)執(zhí)行器現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)及應(yīng)用[J].天然氣與石油，2007，(6)：28-32.
[2]鄭水成，董愛(ài)娜.油品儲(chǔ)運(yùn)自控系統(tǒng)及過(guò)程儀表的設(shè)計(jì)[J].石油化工自動(dòng)化，2006，(6)：11-13.
[3]蘇夢(mèng)，馮達(dá)，陸朝榮，等.基于PLC的油料儲(chǔ)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(9-1)：49-50.
[4]黃春燕.某原油商業(yè)儲(chǔ)備庫(kù)設(shè)計(jì)資料[G].中國(guó)石油華東勘察設(shè)計(jì)研究院，2009.
[5]浙江中控技術(shù)股份有限公司.ECS-700控制系統(tǒng)手冊(cè)[G].浙江中控技術(shù)股份有限公司，2010.
[6]陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.
[7]國(guó)家石油和化學(xué)工業(yè)局.SH3005-1999石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)石化出版社，1999.
