基于通信實(shí)現(xiàn)DCS對電動(dòng)閥的可靠控制

吳少國,薛見海,吳 江,邵黎勛,張 清

(浙江中控技術(shù)股份有限公司,杭州 310053)

過程控制實(shí)施技術(shù)

基于通信實(shí)現(xiàn)DCS對電動(dòng)閥的可靠控制

吳少國,薛見海,吳 江,邵黎勛,張 清

(浙江中控技術(shù)股份有限公司,杭州 310053)

控制閥是石油儲(chǔ)運(yùn)過程中必不可少的現(xiàn)場儀表,對其控制通常采用硬接線方式,閥門較多的場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對大量電動(dòng)閥的控制是可靠和令人滿意的,對大型石化罐區(qū)及電動(dòng)閥應(yīng)用較多的場合具有一定的參考意義。

通信;集散控制系統(tǒng);電動(dòng)閥;可靠控制

0 引 言

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,采用氣動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),通常是通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)或DCS直接對閥門進(jìn)行控制,除了開閥、關(guān)閥和急停控制外,一般還需要將閥門開度、開關(guān)狀態(tài)、遠(yuǎn)程/就地、各種報(bào)警等閥門信息引入系統(tǒng)。一個(gè)閥門至少有六七個(gè)以上不同類型的參數(shù),閥門較多的場合,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,使用通信來實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場儀表的控制越來越多地得到了應(yīng)用。某1×106m3原油罐區(qū)采用ECS-700 DCS,通過與Pakscan電動(dòng)閥控制單元的Modbus通信,成功實(shí)現(xiàn)了DCS對大量電動(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)場總線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),支持 Profibus,Modbus,FF, HART等多種國際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場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)場電動(dòng)閥組成。主站控制器通過一條兩線電流環(huán)路(總線)控制掛于環(huán)路上的多個(gè)現(xiàn)場控制閥,該電流環(huán)路可長達(dá)數(shù)公里。多個(gè)電動(dòng)閥僅通過兩條總線互聯(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,所有閥門信息通過兩總線通信進(jìn)入主站控制器,每個(gè)現(xiàn)場設(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)場控制模塊可以安裝Rotork IQ,IQ T,AQ,Q和A系列執(zhí)行器內(nèi),而通用現(xiàn)場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自現(xiàn)場控制模塊的信息,實(shí)現(xiàn)讀取智能閥的開度、轉(zhuǎn)矩、地址、報(bào)警等數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息,隔離現(xiàn)場故障設(shè)備,并通過標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU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),接受閥門控制命令,實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場多種智能閥門和設(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)場機(jī)柜間的輔助機(jī)柜中,通過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。一對冗余的通信模塊有4個(gè)接口,可以通過硬件跳線配置成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)?Modbus RTU等協(xié)議已是廣泛應(yīng)用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,因此在各類電動(dòng)閥控制單元中均得到支持,DCS種類豐富的通信模塊可與各類支持這些標(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)信號則通過 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Modbus RTU協(xié)議進(jìn)行通信,在DCS實(shí)現(xiàn)起來非常簡單,不需要編制程序,僅填寫簡單的表格(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)類型添加若干個(gè)讀寫命令,再掃描硬件自動(dòng)生成對應(yīng)的內(nèi)部變量,用來存放電動(dòng)閥的開停閉命令和狀態(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9 600 bit/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)路傳來的智能閥的地址、轉(zhuǎn)矩、開度、報(bào)警等數(shù)據(jù),根據(jù)從DCS傳來的讀寫命令控制閥門的動(dòng)作,因此控制閥門的程序是在DCS中完成的,其中包括開停閉閥門邏輯及故障判斷、輸出信號類型、行程時(shí)間的設(shè)置等。使用DCS提供的閥門控制功能模塊Valve,即可實(shí)現(xiàn)對閥門的控制程序編制,使用起來相當(dāng)方便,只需在用戶程序中對控制模塊進(jìn)行引用,并對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功能塊相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)閥門操作面板,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是閥門控制模塊Valve引用的一個(gè)實(shí)例,其中Flag是閥門控制模塊質(zhì)量碼,用來在監(jiān)控軟件中顯示閥門的各種狀態(tài)。

圖2 閥門控制模塊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)閥均有開閥、關(guān)閥、急停、開到位、關(guān)到位、過扭矩報(bào)警、綜合報(bào)警7個(gè)信號。每一幅畫面上都有大量閥門,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,閥門利用顏色的變化清晰準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出了閥門的開啟、閉合、行程、故障、報(bào)警等狀態(tài)。若對閥門進(jìn)行操作,點(diǎn)擊閥門則會(huì)彈出閥門操作面板,來供操作員進(jìn)行開停閉的閥門操作。

3 結(jié)束語

基于通信實(shí)現(xiàn)了DCS對大量電動(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)的信息化管理帶來了方便。該罐區(qū)投用半年以來,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對大量電動(dòng)閥的控制是可靠和令人滿意的,對大型石化罐區(qū)及電動(dòng)閥應(yīng)用較多的場合具有一定的參考意義。

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TP214

B

1007-7324(2010)06-0072-02

2010-09-03(修改稿)。

吳少國,現(xiàn)工作于浙江中控技術(shù)股份有限公司,主要從事煉油、石化行業(yè)過程控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、應(yīng)用和技術(shù)管理工作,任高級工程師。