基于通信實(shí)現DCS對電動(dòng)閥的可靠控制
控制閥是石油儲運過(guò)程中必不可少的現場(chǎng)儀表，對其控制通常采用硬接線(xiàn)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資源。某原油罐區基于通信方式，成功實(shí)現了DCS對大量電動(dòng)閥的可靠控制，取得了滿(mǎn)意的效果。主要描述了DCS和電動(dòng)閥控制單元的硬件設計，通信和組態(tài)軟件實(shí)施，以及實(shí)際應用效果。實(shí)踐證明基于通信實(shí)現DCS對大量電動(dòng)閥的控制是可靠和令人滿(mǎn)意的，對大型石化罐區及電動(dòng)閥應用較多的場(chǎng)合具有一定的參考意義。
石化罐區中原油儲罐和輸油管道所使用的各種控制閥不僅分散而且數量眾多，主要為大口徑閥門(mén)，采用氣動(dòng)或電動(dòng)執行機構，通常是通過(guò)數據采集與監視控制系統(SCADA)或DCS直接對閥門(mén)進(jìn)行控制，除了開(kāi)閥、關(guān)閥和急�？刂仆�，一般還需要將閥門(mén)開(kāi)度、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、遠程/就地、各種報警等閥門(mén)信息引入系統。一個(gè)閥門(mén)至少有六七個(gè)以上不同類(lèi)型的參數，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I/O卡件和通道資源。通常的概念，純監視數據可以接受通信方式來(lái)完成采集，涉及控制的參數一般不使用通信方式而采用硬接線(xiàn)，但近年來(lái)隨著(zhù)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)現對現場(chǎng)儀表的控制越來(lái)越多地得到了應用。某1×106m3原油罐區采用ECS-700DCS，通過(guò)與Pakscan電動(dòng)閥控制單元的Modbus通信，成功實(shí)現了DCS對大量電動(dòng)閥的可靠控制。
1、系統硬件設計
1.1、DCS
ECS-700DCS按照可靠性設計原則，在充分保證系統安全可靠的基礎上，不僅使系統規模能充分滿(mǎn)足大型聯(lián)合生產(chǎn)裝置的需求，還具有故障安全設計、單點(diǎn)在線(xiàn)下載、多工程師協(xié)同工作、分域管理、離線(xiàn)仿真調試等特點(diǎn)，同時(shí)融合了最新的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，支持Profibus，Modbus，FF，HART等多種國際標準現場(chǎng)總線(xiàn)的接入和多種第三方設備的綜合集成，并且與這些第三方設備的集成均可提供接口與線(xiàn)路的冗余配置。
1.2、電動(dòng)閥控制單元
電動(dòng)閥控制單元由一臺主站控制器和與它相連的現場(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(總線(xiàn))控制掛于環(huán)路上的多個(gè)現場(chǎng)控制閥，該電流環(huán)路可長(cháng)達數公里。多個(gè)電動(dòng)閥僅通過(guò)兩條總線(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總線(xiàn)，所有閥門(mén)信息通過(guò)兩總線(xiàn)通信進(jìn)入主站控制器，每個(gè)現場(chǎng)設備都具備兩個(gè)方向上冗余的通信通道，這樣提高了線(xiàn)路故障時(shí)的通信可用性。Pakscan現場(chǎng)控制模塊可以安裝RotorkIQ，IQT，AQ，Q和A系列執行器內，而通用現場(chǎng)控制模塊可以連接其他廠(chǎng)家的設備，如泵、電磁閥、電動(dòng)閥等。
主站控制器不斷采集來(lái)自現場(chǎng)控制模塊的信息，實(shí)現讀取智能閥的開(kāi)度、轉矩、地址、報警等數據和狀態(tài)信息，隔離現場(chǎng)故障設備，并通過(guò)標準的ModbusRTU等協(xié)議與DCS通信，上送實(shí)時(shí)數據和設備運行狀態(tài)，接受閥門(mén)控制命令，實(shí)現對現場(chǎng)多種智能閥門(mén)和設備的控制。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(xiàn)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)閥等執行器也可以使用就地控制、硬接線(xiàn)遠程控制及輔助輸入，大大提高了控制的可靠性和配置的靈活性。
1.3、系統硬件結構
電動(dòng)閥控制單元的主站控制器安裝在現場(chǎng)機柜間的輔助機柜中，通過(guò)冗余的通信總線(xiàn)接入DCS的冗余串口通信模塊COM741基座中，實(shí)現可靠的通信。一對冗余的通信模塊有4個(gè)接口，可以通過(guò)硬件跳線(xiàn)配置成RS-485或RS-232通信接口，實(shí)現與多個(gè)電動(dòng)閥控制單元的連接。因為ModbusRTU等協(xié)議已是廣泛應用的工業(yè)標準協(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)支持這些標準協(xié)議的電動(dòng)控制閥實(shí)現通信。該項目中罐區100多個(gè)常規信號則通過(guò)I/O模塊直接進(jìn)入DCS控制站，其中硬接線(xiàn)與通信點(diǎn)數之比為1：15。系統硬件結構如圖1所示。
圖1 系統硬件結構
2、系統軟件設計
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(其中大多數項選擇合適的參數即可)即可完成通信配置和程序設計。然后需根據參數類(lèi)型添加若干個(gè)讀寫(xiě)命令，再掃描硬件自動(dòng)生成對應的內部變量，用來(lái)存放電動(dòng)閥的開(kāi)停閉命令和狀態(tài)參數，這樣就完成了通信組態(tài)工作。該項目中DCS作為主站，采用RS-485接口，傳輸速率為9600bit/s，8位數據位，奇校驗，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(xiàn)環(huán)路傳來(lái)的智能閥的地址、轉矩、開(kāi)度、報警等數據，根據從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、輸出信號類(lèi)型、行程時(shí)間的設置等。使用DCS提供的閥門(mén)控制功能模塊Valve，即可實(shí)現對閥門(mén)的控制程序編制，使用起來(lái)相當方便，只需在用戶(hù)程序中對控制模塊進(jìn)行引用，并對其中操作和配置參數進(jìn)行初始化設置即可。同時(shí)系統還提供了Valve功能塊相對應的標準閥門(mén)操作面板，可供操作員在操作站監控軟件中使用。當然，若標準閥門(mén)面板不能滿(mǎn)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、監控軟件制作
該項目中需要控制電動(dòng)閥近200臺，每臺電動(dòng)閥均有開(kāi)閥、關(guān)閥、急停、開(kāi)到位、關(guān)到位、過(guò)扭矩報警、綜合報警7個(gè)信號。每一幅畫(huà)面上都有大量閥門(mén)，操作界面設計的好壞將直接影響到操作效率與安全，利用DCS軟件的強大功能，閥門(mén)利用顏色的變化清晰準確地呈現出了閥門(mén)的開(kāi)啟、閉合、行程、故障、報警等狀態(tài)。若對閥門(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、結束語(yǔ)
基于通信實(shí)現了DCS對大量電動(dòng)閥的實(shí)時(shí)控制，使得罐區監控系統布線(xiàn)簡(jiǎn)潔，大大減少了電纜和DCS部件，減少了安裝調試工作量和成本，關(guān)鍵部件和通信全環(huán)節的冗余配置又保證了系統的高可靠性;同時(shí)罐區數據直接進(jìn)入DCS，既便于在中心控制室對整個(gè)罐區進(jìn)行監視和控制，也為罐區數據的進(jìn)一步處理和企業(yè)的信息化管理帶來(lái)了方便。該罐區投用半年以來(lái)，系統運行平穩，控制方便可靠，實(shí)踐證明基于通信實(shí)現DCS對大量電動(dòng)閥的控制是可靠和令人滿(mǎn)意的，對大型石化罐區及電動(dòng)閥應用較多的場(chǎng)合具有一定的參考意義。
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