摘　要 　　文中介紹了基于PLC 的石油儲(chǔ)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、系統(tǒng)組成、控制方式與通訊網(wǎng)絡(luò),闡述了采用Pakscan 主站控制器控制的智能電動(dòng)閥的特點(diǎn)及其與PLC 的通訊方法。 關(guān)鍵詞 　　PLC　　智能電動(dòng)閥　　主站控制器　　石油儲(chǔ)運(yùn) 1 前　言 　　罐區(qū)中原油儲(chǔ)罐和輸油管道所使用的各種控制閥門(mén)是石油儲(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。通常罐區(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(xiàn)繁多,這在一定程度上使罐區(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,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(mén)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn),所有閥門(mén)信息通過(guò)兩線(xiàn)通訊進(jìn)入主站控制器?，F(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)閥還具有線(xiàn)路故障屏蔽功能,當(dāng)環(huán)路出現(xiàn)開(kāi)路、短路或接地故障時(shí),智能閥可以將故障端的線(xiàn)路屏蔽掉,使主站控制器仍能與線(xiàn)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(xiàn)屏蔽原理如圖2－1所示。

圖2—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(xiàn)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(xiàn)路是冗余的。當(dāng)有一處線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí),該處故障線(xiàn)路被閥門(mén)屏蔽,故障線(xiàn)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(xiàn)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。 　　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(pán)組成的盤(pán)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(xiàn)環(huán)路傳來(lái)的智能閥的地址、轉(zhuǎn)矩、開(kāi)度等數(shù)據(jù),根據(jù)從上位機(jī)傳來(lái)的讀寫(xiě)命令控制閥門(mén)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(mén)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(kāi)度、轉(zhuǎn)矩、地址等數(shù)據(jù),控制閥門(mén)的開(kāi)閉,接收?qǐng)?bào)警信號(hào)及與PLC 通訊等功能。 　　Pakscan IIE Master Station 是Rotork 主站控制器中的一種,它為雙重?zé)醾浣Y(jié)構(gòu),在主控制器出現(xiàn)故障時(shí)可以自動(dòng)切換到熱備控制器。圖2 —2 為PakscanIIE 主站控制器與現(xiàn)場(chǎng)智能閥通過(guò)兩線(xiàn)環(huán)路相連的情況。

圖2—2 兩線(xiàn)環(huán)路連接圖

　　Pakscan IIE Master Sation 有一個(gè)RS - 485 通訊口和一個(gè)RS - 232 通訊口,它們可通過(guò)Modbus 協(xié)議與PLC 通訊。其中RS - 232 通訊口可以不通過(guò)PLC直接連接打印機(jī),打印報(bào)警信號(hào)。 　2.2 　監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　圖2—3 所示為現(xiàn)場(chǎng)智能電動(dòng)閥監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2—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(kāi)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(kāi)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 和熱備控制器分別與主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 或熱備控制器。 　　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(xiàn)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)ModbusRTU 主通訊模塊控制Pakscan IIE 主站控制器的讀寫(xiě),被稱(chēng)為Modbus host 。系統(tǒng)采用單Modbus host 兩線(xiàn)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(xiě)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(lèi)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Pakscan IIE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(xiě)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(xiě)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(xiàn)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(mén),并顯示任意時(shí)刻的閥門(mén)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。 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(xiàn)簡(jiǎn)潔、控制方便,PLC 的冗余以及Pakscan IIE 主站控制器的雙熱備保證了系統(tǒng)的高可靠性,也提高了控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。該系統(tǒng)已投入工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用,效果良好。