基于通信實現DCS對電動閥的可靠控制

吳少國,薛見海,吳 江,邵黎勛,張 清

(浙江中控技術股份有限公司,杭州 310053)

過程控制實施技術

基于通信實現DCS對電動閥的可靠控制

吳少國,薛見海,吳 江,邵黎勛,張 清

(浙江中控技術股份有限公司,杭州 310053)

控制閥是石油儲運過程中必不可少的現場儀表,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資源。某原油罐區基于通信方式,成功實現了DCS對大量電動閥的可靠控制,取得了滿意的效果。主要描述了DCS和電動閥控制單元的硬件設計,通信和組態軟件實施,以及實際應用效果。實踐證明基于通信實現DCS對大量電動閥的控制是可靠和令人滿意的,對大型石化罐區及電動閥應用較多的場合具有一定的參考意義。

通信;集散控制系統;電動閥;可靠控制

0 引 言

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,采用氣動或電動執行機構,通常是通過數據采集與監視控制系統(SCADA)或DCS直接對閥門進行控制,除了開閥、關閥和急?？刂仆?一般還需要將閥門開度、開關狀態、遠程/就地、各種報警等閥門信息引入系統。一個閥門至少有六七個以上不同類型的參數,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 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,但近年來隨著通信功能的完善及其可靠性的進一步提高,使用通信來實現對現場儀表的控制越來越多地得到了應用。某1×106m3原油罐區采用ECS-700 DCS,通過與Pakscan電動閥控制單元的Modbus通信,成功實現了DCS對大量電動閥的可靠控制。

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足大型聯合生產裝置的需求,還具有故障安全設計、單點在線下載、多工程師協同工作、分域管理、離線仿真調試等特點,同時融合了最新的現場總線技術和網絡技術,支持 Profibus,Modbus,FF, HART等多種國際標準現場總線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路的冗余配置。

1.2 電動閥控制單元

電動閥控制單元由一臺主站控制器和與它相連的現場電動閥組成。主站控制器通過一條兩線電流環路(總線)控制掛于環路上的多個現場控制閥,該電流環路可長達數公里。多個電動閥僅通過兩條總線互聯成一個環路,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入主站控制器,每個現場設備都具備兩個方向上冗余的通信通道,這樣提高了線路故障時的通信可用性。Pakscan現場控制模塊可以安裝Rotork IQ,IQ T,AQ,Q和A系列執行器內,而通用現場控制模塊可以連接其他廠家的設備,如泵、電磁閥、電動閥等。

主站控制器不斷采集來自現場控制模塊的信息,實現讀取智能閥的開度、轉矩、地址、報警等數據和狀態信息,隔離現場故障設備,并通過標準的Modbus RTU等協議與DCS通信,上送實時數據和設備運行狀態,接受閥門控制命令,實現對現場多種智能閥門和設備的控制。為了增加可靠性,采用冗余主站控制器,與DCS的通信接口和線路也是冗余配置的。在進行通信方式控制的同時,電動閥等執行器也可以使用就地控制、硬接線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

電動閥控制單元的主站控制器安裝在現場機柜間的輔助機柜中,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,實現可靠的通信。一對冗余的通信模塊有4個接口,可以通過硬件跳線配置成RS-485或RS-232通信接口,實現與多個電動閥控制單元的連接。因為 Modbus RTU等協議已是廣泛應用的工業標準協議,因此在各類電動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準協議的電動控制閥實現通信。該項目中罐區100多個常規信號則通過 I/O模塊直接進入DCS控制站,其中硬接線與通信點數之比為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與電動閥主站控制器采用Modbus RTU協議進行通信,在DCS實現起來非常簡單,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。然后需根據參數類型添加若干個讀寫命令,再掃描硬件自動生成對應的內部變量,用來存放電動閥的開停閉命令和狀態參數,這樣就完成了通信組態工作。該項目中DCS作為主站,采用RS-485接口,傳輸速率為9 600 bit/s,8位數據位,奇校驗,1位停止位。

2.2 電動閥控制程序編制

電動閥控制單元接收并記錄從兩線環路傳來的智能閥的地址、轉矩、開度、報警等數據,根據從DCS傳來的讀寫命令控制閥門的動作,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、行程時間的設置等。使用DCS提供的閥門控制功能模塊Valve,即可實現對閥門的控制程序編制,使用起來相當方便,只需在用戶程序中對控制模塊進行引用,并對其中操作和配置參數進行初始化設置即可。同時系統還提供了Valve功能塊相對應的標準閥門操作面板,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引用的一個實例,其中Flag是閥門控制模塊質量碼,用來在監控軟件中顯示閥門的各種狀態。

圖2 閥門控制模塊Valve的引用實例

2.3 監控軟件制作

該項目中需要控制電動閥近200臺,每臺電動閥均有開閥、關閥、急停、開到位、關到位、過扭矩報警、綜合報警7個信號。每一幅畫面上都有大量閥門,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,閥門利用顏色的變化清晰準確地呈現出了閥門的開啟、閉合、行程、故障、報警等狀態。若對閥門進行操作,點擊閥門則會彈出閥門操作面板,來供操作員進行開停閉的閥門操作。

3 結束語

基于通信實現了DCS對大量電動閥的實時控制,使得罐區監控系統布線簡潔,大大減少了電纜和DCS部件,減少了安裝調試工作量和成本,關鍵部件和通信全環節的冗余配置又保證了系統的高可靠性;同時罐區數據直接進入DCS,既便于在中心控制室對整個罐區進行監視和控制,也為罐區數據的進一步處理和企業的信息化管理帶來了方便。該罐區投用半年以來,系統運行平穩,控制方便可靠,實踐證明基于通信實現DCS對大量電動閥的控制是可靠和令人滿意的,對大型石化罐區及電動閥應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,現工作于浙江中控技術股份有限公司,主要從事煉油、石化行業過程控制系統工程設計、應用和技術管理工作,任高級工程師。