基于現場(chǎng)總線(xiàn)的電動(dòng)執行機構應用實(shí)例

　　隨著(zhù)對過(guò)程控制系統安全性要求的不斷提高，現場(chǎng)總線(xiàn)控制方案正逐漸取代傳統控制方案，成為越來(lái)越多工程的常規控制手段之一。作為重要控制終端之一的電動(dòng)執行機構也要不斷適應現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)變化的需求。文章通過(guò)一工程實(shí)例，概述如何選取適合項目的現場(chǎng)總線(xiàn)方案，保證系統安全、可靠、高效運行。

1、現場(chǎng)總線(xiàn)簡(jiǎn)介

　　計算機及其網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷發(fā)展給自動(dòng)控制領(lǐng)域帶來(lái)了巨大進(jìn)步�，F場(chǎng)總線(xiàn)概念于1982年首先由歐洲提出，到1999年國際電工委員會(huì )制定出了IEC61158現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準�，F場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)是當前控制領(lǐng)域里發(fā)展十分迅速并逐漸成熟的一門(mén)技術(shù)，它使用全數字化的傳輸技術(shù)取代傳統現場(chǎng)儀表一對一的4~20mA電流信號連接技術(shù)，給自動(dòng)控制技術(shù)帶來(lái)了全新的觀(guān)念，其發(fā)展的結果必將是取代DCS系統孤立、開(kāi)放程度低的現狀，建立起不依賴(lài)任何廠(chǎng)商的開(kāi)放式控制系統，并建立統一的工廠(chǎng)底層信息網(wǎng)絡(luò )，任何遵守相同標準的不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的設備均可即插即用并與之連接進(jìn)行信息交換和操作，實(shí)現完全的分散式控制系統。根據IEC61158標準，有8種類(lèi)型的現場(chǎng)總線(xiàn)成為國際標準現場(chǎng)總線(xiàn)。Profibus、DeviceNet、FoundationFieldbus等都是符合國際標準的主流現場(chǎng)總線(xiàn)。

2、電動(dòng)執行機構上應用現場(chǎng)總線(xiàn)的優(yōu)勢

　　石油化工行業(yè)的過(guò)程控制是連續的，電動(dòng)執行機構的作用是將各種標準控制信號，如開(kāi)、關(guān)、停信號及閥門(mén)開(kāi)度模擬量信號(0/4~20mA，0~10V，0~5V等)和數字量信號，轉化成相應的輸出動(dòng)作位移�，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統在接收到傳感器的流量或壓力或溫度信號后，根據工藝要求，電動(dòng)執行機構接收到聯(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動(dòng)電動(dòng)執行機構運行走到相應位置，電動(dòng)執行機構在整個(gè)控制系統中起著(zhù)舉足輕重的作用，它的好壞，將直接影響著(zhù)過(guò)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(dòng)執行機構具有多個(gè)控制輸入/輸出信號，需要約7~14根控制線(xiàn)才能將執行機構的參數傳遞到控制系統的控制模板上。而采用現場(chǎng)總線(xiàn)，一個(gè)環(huán)路中的所有執行器被一根屏蔽雙絞線(xiàn)串聯(lián)起來(lái)，所有控制及反饋信息均通過(guò)這根雙絞線(xiàn)進(jìn)行傳輸，完全取代傳統的多芯電纜。當需要增加執行器時(shí)，只需一根雙絞線(xiàn)和上級控制裝置的一個(gè)串口，并不需要對每個(gè)執行器都單獨增加多芯電纜，更不需要增加系統大量的I/O接口，可大大節約投資。

　　采用現場(chǎng)總線(xiàn)的執行機構具有雙向通訊功能，操作人員在控制室既可對現場(chǎng)執行機構進(jìn)行標定、參數設置、功能組態(tài)，還可在線(xiàn)監測裝置的工作情況、運行故障診斷和事故預測、實(shí)施狀態(tài)維修，可以最大限度地縮短檢修時(shí)間，提高檢修質(zhì)量，降低檢修費用。當出現一些在現場(chǎng)無(wú)法解決的難題時(shí)，還可以通過(guò)總線(xiàn)接口來(lái)進(jìn)行遠程通信實(shí)施遠程技術(shù)支持，不再需要像過(guò)去一定要到現場(chǎng)去。由于執行機構時(shí)刻處于被監控狀態(tài)，因此使用和維護十分方便。

　　此外，現場(chǎng)總線(xiàn)輸出為數字信號，比起傳統模擬式傳輸，不僅減少了信號在傳輸過(guò)程中的失真，且增加了抗干擾能力，傳輸信號穩定、可靠。

3、工程實(shí)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(xiāo)售分公司在廣東惠州市大亞灣經(jīng)濟技術(shù)開(kāi)發(fā)區的一級成品油商業(yè)儲備庫，主要功能是為中國石油成品油銷(xiāo)售提供倉儲。項目新建共6臺30，000m3/罐的成品油儲罐，已于2011年春節前通過(guò)整體驗收。

　　該項目采用雙重熱備PLC系統，CPU、電源、通訊模塊等1∶1冗余。項目現場(chǎng)一期共使用電動(dòng)閘閥46臺，以后將擴展到72臺�？紤]到安裝維護及日后擴展的便捷性，選擇帶現場(chǎng)總線(xiàn)的智能電動(dòng)執行機構。

4、總線(xiàn)方案選取

　　實(shí)例項目選取某國外知名品牌的智能型電動(dòng)執行機構。該產(chǎn)品默認拓撲結構通過(guò)執行機構控制器(MasterStation)運行內部總線(xiàn)協(xié)議并組建雙線(xiàn)環(huán)網(wǎng)結構，以RS485(Modbus協(xié)議)接口與PLC通訊(見(jiàn)圖1)。該結構下所有執行機構通過(guò)2根2芯屏蔽雙絞線(xiàn)為媒介串接成環(huán)形，且雙線(xiàn)環(huán)網(wǎng)具有雙向傳輸通訊特性，即總線(xiàn)信號可經(jīng)控制器A端口發(fā)出，按執行機構物理連接順序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)路中某一執行機構故障時(shí)，故障點(diǎn)從控制鏈路上自動(dòng)脫離，控制器信號可同時(shí)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運行;當故障閥門(mén)維護完畢可重新掛上網(wǎng)絡(luò )，系統恢復常態(tài)運行。

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

　　現場(chǎng)總線(xiàn)相對于整個(gè)電動(dòng)執行機構來(lái)講是一個(gè)部件，即通訊接口卡。不同的現場(chǎng)總線(xiàn)要采用不同的通訊控制卡，如果是Modbus或Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)，就必須分別采用能夠與Modbus或Profibus總線(xiàn)進(jìn)行通訊的通訊卡，不同的現場(chǎng)總線(xiàn)由于標準不同，不能相互兼容。在使用過(guò)程中，只有具有遵循同一總線(xiàn)要求的設備才能相互通訊。

　　Profibus系統有三種總線(xiàn)拓撲結構：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(gè)兩端有有源終端的線(xiàn)性拓撲結構，稱(chēng)為RS485總線(xiàn)段，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信，分主、從站結構。主站向從站以令牌傳遞方式訪(fǎng)問(wèn)，通訊距離100~1200m，傳輸速率介于9.6kbit/s~12Mbit/s。兩個(gè)總線(xiàn)站之間的最大傳輸距離與設定速率有關(guān)。Profibus-PA為底層通訊協(xié)議，專(zhuān)為自動(dòng)化過(guò)程而設，可連接現場(chǎng)各傳感器、變送器等。Profibus-PA具有樹(shù)狀、鏈狀、星形、點(diǎn)對點(diǎn)等多種拓撲結構，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構。

圖1 雙線(xiàn)環(huán)網(wǎng)拓撲結構

　　結合實(shí)例項目現場(chǎng)情況，各電動(dòng)閥之間距離不超過(guò)200m，且最近點(diǎn)與控制室距離不超過(guò)150m。每個(gè)電動(dòng)執行機構可通過(guò)加裝總線(xiàn)通訊板使之等同于一個(gè)從站結構，系統可通過(guò)PLC作主站，向各從站發(fā)出巡檢信號，且此方案比增加執行機構控制器(MasterStation)更經(jīng)濟，也不會(huì )增加施工難度。因此設計最終放棄選擇增加執行機構控制器并組建雙線(xiàn)環(huán)網(wǎng)的方案，改而選擇Profibus-DP結構。

　　Profibus-DP網(wǎng)絡(luò )冗余性能(見(jiàn)表1)將直接影響該網(wǎng)絡(luò )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，結合儲備油庫的戰略定位，設計最終選擇采用方案4的雙總線(xiàn)冗余結構，即執行機構使用冗余通訊卡與PLC端作冗余連接。并將傳輸速率設定為1.5Mbit/s。

5、雙總線(xiàn)方案描述

　　雙總線(xiàn)回路與執行機構的聯(lián)接方式見(jiàn)圖2。電動(dòng)執行機構的冗余通訊接口卡安裝后掛于Profibus-DP網(wǎng)絡(luò )上，每個(gè)執行機構在總線(xiàn)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(zhuān)用總線(xiàn)電纜或全屏蔽雙絞線(xiàn)，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(diǎn)�？偩�(xiàn)A與總線(xiàn)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(xiàn)電纜分別按物理連接順序與每一執行機構串接，最終止于總線(xiàn)終端電阻。形成一對平行的雙總線(xiàn)回路。因為每臺現場(chǎng)設備都是同時(shí)連接兩條通訊回路，由此構成了一個(gè)冗余的通信線(xiàn)路。

圖2 雙總線(xiàn)冗余網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

　　正常工作時(shí)，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(shí)時(shí)同步�？偩�(xiàn)信號沿工作鏈路的通訊模塊端口傳輸，當有一處線(xiàn)路或執行機構發(fā)生故障時(shí)，系統巡檢異常并通知主處理器故障位置，使該處故障線(xiàn)路從系統上脫離，同時(shí)系統將自動(dòng)切換至熱備處理器工作，使總線(xiàn)信號沿另一鏈路傳輸，此時(shí)主、從處理器互換，故障所在鏈路切換為從處理鏈路，從而實(shí)現可靠的冗余功能。當故障修復后設備重新掛上系統，重新開(kāi)啟熱備功能。

　　當主處理器發(fā)生故障時(shí)，監視處理器工作狀態(tài)的主熱備通訊模塊迅速將自己的內部接點(diǎn)斷開(kāi)，而從熱備通訊模塊迅速閉合自己的內部接點(diǎn)，從而完成移交對網(wǎng)絡(luò )和I/O框架控制權的過(guò)程，使原來(lái)的從處理器和從熱備通訊模塊轉變?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，并成為從處理器繼續工作。

6、結束語(yǔ)

　　隨著(zhù)各種過(guò)程控制要求的不斷提高，作為用于過(guò)程控制的電動(dòng)執行機構也要能夠不斷適應這種情況。只有不斷適應現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS(FieldbusControlSystem)的要求，電動(dòng)執行機構才能更好地發(fā)揮其應有的優(yōu)勢。

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