總線型閥島在精細化工項目的應用

摘要：主要介紹了總線型閥島結構、特點和工作原理，分析了總線型閥島在精細化工項目的應用情況。結果表明，總線型閥島可以使電控閥的布線更加容易，簡化系統的調試和維護工作。這對于推廣總線型閥島在精細化工項目的應用具有一定的意義。

關鍵詞：精細化工;現場總線;閥島

0? ? 引言

隨著經濟的發展尤其是石油化工產業的迅速發展，儀表系統的構建也越加龐大，用到大量的氣動、電動和控制元件，儀表系統的連接和布線變得越來越復雜，所以有必要尋求一種新的技術解決方案。

目前，采用閥島的性價比在不斷提高，很多新建的精細化工項目和食品行業項目正在廣泛使用閥島技術。德國Festo公司最先推出了閥島的概念和相對應的產品。閥島理念的成功在于將氣動、電氣和網絡元件組合在一個產品中。閥島按照不同的工作原理主要分為多針接口型閥島、現場總線型閥島、可編程智能型閥島，其中總線型閥島已經在汽車制造、橡膠、化工、醫藥、食品等各個行業都有廣泛的應用。

1? ? 總線型閥島結構

總線型閥島就是把電磁閥輸出模塊、總線通信模塊、輸入/輸出（I/O）卡件集成布置在一個機架內。該閥島采用圖形和文字顯示界面，給客戶提供直觀和便捷的調試、診斷及狀態信息;可設置網絡地址、波特率、I/O容量;能進行負載短路及開路檢測、傳感器及電纜短路檢測、低壓或失電檢測、模塊故障檢測、自診斷、子網故障檢測、網絡故障檢測;與DCS或PLC控制器通信的現場總線節點，以及與之銜接的輸入/輸出模塊一個個相對獨立，方便拆卸、快速更換與擴展，如果閥島需要使用不同的現場總線協議，與不同的DCS系統或PLC控制器通信，則更換該閥島上的總線節點以及相應的總線接口的插頭即可。

2013年，Festo公司推出緊湊型插裝式閥島VTUG，緊湊型閥島兼備電氣模塊化和氣動靈活性的特點，對于分散與集中控制起了十分重要的作用。VTUG的最顯著特點是體積小，流量大，重量輕，使得它在現場安裝非常方便，特別適用于現場工況非常狹小、擁擠的地方。產品涵蓋范圍從緊湊型單個閥島VUVG到兼容各種現場總線的插裝式閥島VTUG，該產品為VG家族提供了技術先進的多樣選擇和簡單價優的現場總線連接，適用于所有標準的現場總線、以太網及IO-LINK。用戶可快速簡便地更換現場總線，現場總線節點是通過螺絲固定到閥島上的，方便拆卸。

2? ? 總線型閥島的特點及優勢

由現場總線型閥島組成的系統中，每個閥島都帶有一個總線輸入口和總線輸出口，當系統中有多個現場總線閥島或其他現場總線設備（比如裝在現場的遠程IO機柜）時，可按照需要進行多種拓撲連接。普通電磁閥的控制信號采用硬接線接入DCS或PLC系統，電纜數量非常多，而總線型閥島與DCS或PLC系統通信連接，只需一根Profibus-DP總線電纜，大幅減少了電纜及其敷設工作。現場總線型閥島支持目前市場上所有開放式現場總線協議（比如Profibus-DP、Ethernet/IP、Profinet、Devicenet、Modbus-TCP、CC Link等），可直接通過總線電纜與主要可編程控制器廠家的控制器進行連接和通信。現場總線是一種應用于生產現場，在現場設備之間、現場設備與控制器之間實現雙向、串行、多節點通信的數字技術。兩個采用現場總線進行信息交換的對象之間只需一根兩芯或四芯的總線電纜連接，這大大減少了電路的接線工作，有效降低了安裝設備需要的空間，使設備的安裝、調試和后期生產運行時的維護更加簡便。

3? ? Festo總線型閥島在某精細化工項目的應用

3.1? ? 項目應用背景

某年產10萬t植物油及制品擴建項目，新建RXS工藝裝置生產高級植物油，該裝置主要由酯交換、精餾、脫色工藝過程組成，與一期項目類似，但不包括氫化單元，且酯交換過程采用專有的生物酶催化劑。新增加3個主要裝置，分別是BP裝置、CP裝置、UP裝置，這3個主裝置總的氣動開關閥數量是270臺。DCS系統選用的是ABB的800xA系列，整個DCS系統的控制要求如下：系統采用集中順序控制的方式完成對系統的控制，要求儀表工作人員可以通過DCS操作員站實現全廠集中監控。

3.2? ? Festo總線型閥島的設計方案

根據上述項目條件，氣動開關閥門數量非常多，而且很密集，整個裝置里工藝管線、水管、風管和各種大小設備非常多，可留給儀表設備安裝用的空間很小，如選擇傳統的單個電磁閥的設計，氣路和電路設計會非常復雜，設計工作量很大。施工時因為空間有限，線纜非常多，會增加施工難度。選擇Festo緊湊型總線閥島，設計人員根據現場工況對閥島進行設計配置如下：每個閥島內配32臺電磁閥，通信模塊，數字量輸入卡件，端子128個，閥島廠家成套帶過濾減壓閥和壓力表，氣源無縫鋼管8 mm接口（底裝32個），供電接口開孔?25（底裝2個），DP通信接口開孔?20（底裝2個），接地線接口開孔?20（底裝2個），信號電纜接口開孔?50（底裝3個）等。

閥島通過Profibus-DP總線與控制系統進行通信傳輸，閥島和閥島之間也用Profibus-DP進行通信傳輸。首先，統計工藝系統的氣動開關閥門270臺，根據氣動閥門的物理位置把它們分配到不同的總線型閥島，然后設計總線型閥島的主要元器件，根據工藝需要，氣動開關閥門選用單電控電磁閥，確定氣動閥門是單路進氣。統計氣動開關閥門數字輸入量模塊，最后設計總線閥島主要元器件在閥島內的布置、閥島對外進出氣路數、電纜進出線開孔尺寸。根據閥門數量總共設計了10個Festo緊湊形閥島，位號分別是VT-29001/VT-29002/VT-29003/VT-29004 / VT-29005 / VT-29006 / VT-29007 / VT-29008 / VT-29009/VT-29010，采用Profibus-DP總線型接口。如果用傳統的控制方案，各種器件必須單獨通過大量控制電纜連接到DCS控制柜，有些控制柜中排滿了端子板和數不盡的端子塊。現在應用DP總線接口后就非常簡潔了，徹底消除了擁擠的接線，只需要配置一根DP總線電纜。

總線型閥島系統配置圖如圖1所示。

控制系統主要選用元件如下：

上位監控軟件：ABB 800xA Ver 6.1;

可編程控制器：ABB AC800M PM866;

I/O從站：ABB遠傳IO和SIMATIC ET200SPIM155-6PN;

Festo緊湊型閥島：VTUG-14-VRPT-B1T-G14L-DTFD-G18SFD;

總線接口：Profibus-DP。

每個閥島根據需要配兩位三通總線型電磁閥和總線式I/O卡。總線式I/O用于采集氣動開關閥的位置信號，總線型閥島不僅具有遠程I/O功能，還具有氣動開關閥氣源控制的功能，它能通過Profibus-DP通信接口，將DCS對氣動開關閥的控制指令直接轉換為控制氣動開關閥的氣動信號，省略了中間轉換環節，由于總線型閥島本身具有Profibus-DP通信接口，因此它取代了傳統方案輸入/輸出電纜的連接方式，僅僅采用Profibus-DP總線連接，使大量的輸入/

輸出硬接線信號電纜被簡潔的Profibus-DP通信總線所替代。10個總線型閥島僅通過DP總線與DCS遠程控制站的Profibus-DP通信接口相連，閥島和閥島之間也是通過Profibus-DP總線相連，通過現場總線將每個分散的閥島連成網絡，即可滿足控制要求。

采用總線型閥島方案后，對單個氣動開關閥的控制及反饋信息流程為：DCS的Profibus-DP輸出指令→總線型閥島的Profibus-DP通信接口→閥島的總線型電磁閥→現場的氣動開關閥→氣動閥門位置開關反饋信號→閥島的總線式I/O卡件→總線型閥島的Profibus-DP通信接口→DCS的Profibus-DP輸入指令。通過這一流程可以看出，DCS系統通過DP通信命令就能夠控制總線型閥島完成動作并采集總線閥島的反饋信號。

總線型閥島在裝置現場的安裝方式如圖2所示。

3.3? ? 工程量比較（氣動閥門數量270臺）

通過與傳統控制方案對比（表1），此項目采用總線型閥島節省了DO卡件和對應的端子數量、DCS機柜數量和電纜及穿線管數量，也大量節省了位置開關硬接線信號電纜和穿線管數量，同時節省了氣源分配器數量。

4? ? 結語

上述兩種方案的對比，進一步證實了總線型閥島在精細化工項目中應用的優越性。它不僅簡化了設計人員的設計工作，同時也降低了DCS系統的I/O模塊數量，大大減少了需要接線的端子，因此很大程度上節省了電纜和電纜橋架等安裝材料，使實際現場控制電纜至少可減少60%，電纜橋架也至少減少60%。另外，它還節省了后期運行時大量的維護檢修的人力成本和時間成本，明顯提高了生產運行效率。據該項目的施工承包商現場反饋，采用總線型閥島方案的安裝工作量只有傳統控制方案的30%左右，同時也減少了系統調試的工作量，實現了雙向數據傳輸。采用總線型閥島不僅簡化了電磁閥等的電纜接線工作以及現場電纜的敷設工作，而且省去了中間轉換環節，提高了系統的可靠性和故障自診斷能力，使得工廠的自動化水平上了一個新臺階。但是這種方案只適合用于氣動閥門數量很多且相對集中的場合，對于那些氣動閥門數量少且非常分散的工況，選用總線型閥島就沒有很大的優勢了。

由于精細化工行業的迅速發展，項目規模也越來越大，相信像本項目這種氣動閥門數量非常多且集中的情況會越來越多，因此總線型閥島的應用必將越來越廣泛。

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收稿日期：2020-03-10

作者簡介：田立（1980—），女，湖北仙桃人，高級工程師，研究方向：自動控制。