油品罐區改造中Pakscan雙線環路控制系統的設計與實現

王瑞，王毅彪

（煉化公司項目建設指揮部陜西洛川727406）

2008年為了配合延長石油楊莊河項目建設，延長石油楊莊河項目部對延安煉油廠惠家河油品罐區進行了改造，儀表改造主要是對原有3個罐區18臺罐、新建一個罐區5臺罐及2個泵房5臺泵的進出口閥門進行改造。

油品罐區中控制閥門是油料儲運過程中必不可少的現場儀表，其智能化程度、安全性能的高低直接影響控制系統的數據采集和系統的可靠性、穩定性。通常罐區中的控制閥數量眾多且分散，采用常規的閥門控制方式電纜敷設復雜、施工難度大，這在一定程度上使罐區控制復雜化。本次改造中進出罐閥門均為手動閥門，操作不方便，勞動強度大，難以適應現代化企業發展管理需要，同時考慮到罐區沒有足夠的儀表風源的情況，確定閥門改造為電動閥［1］。在選型前做了詳細調研考察，通過考察發現近年來世界各大專業閥門和執行器生產廠家都開發出了為電動閥門執行器設計的現場總線控制系統，主要有美國的Limitorque公司的DDC-100TM系統和英國TOTORK公司的Pakscan IIE［2］系統等。這些系統都能完全實現閥門執行器等現場裝置與上位控制系統的通訊和智能化控制。鑒于此我們本次改造沒有考慮傳統的電動閥控制方式，而是結合現場實際情況確定了以橫河DCS為基礎［3］，選用了3套ROTORK公司的Pakscan IIE電動閥門執行器總線控制系統，與現場的109臺TOTORK智能一體化電動執行機構構成了Pakscan雙線環路控制系統。

1 系統架構

根據各罐區功能及原有橋架走向，確定了211、212罐區共用一套控制器，213用一套控制器、214、218單元共用一套控制器。選用3套冗余熱備份的PAKSCAN雙線控制器，每臺控制器與上位DCS控制系統采用RS485 MODBUS通訊協議進行通訊，通訊采用冗余方式。現場閥門通過一根兩芯電纜串聯起來連接到PAKSCAN雙線控制器，形成一個雙線環路系統。具體系統架構如圖1所示。

系統由現場單元、雙線環路、Pakscan IIE控制站及DCS控制系統組成。現場單元包括智能一體化電動執行機構和安裝在其中的現場控制模塊構成。現場控制模塊帶有微處理器、用來儲存通訊地址及速率的存儲器和一個感應環路電流的檢測器。作為雙線控制系統的核心，Pakscan IIE控制站具有模塊化結構，是由一塊CPU卡、一塊電流回路接口卡、一塊電源卡和一塊帶有LCD屏幕鍵盤面板組合起來的架裝組件。固化于控制站中的Pakscan軟件包提供了一套先進的、標準化的預先工程化的控制系統。使用控制站的顯示器和鍵盤能對Pakscan IIE雙線控制系統進行通訊、控制等方面的組態。在需要直接操作控制的場合，可在控制站上控制現場設備的“開”、“關”等。主工作站具有一個RS232C和一個RS485通訊接口，支持同DCS進行MODBUS數據通訊。主控制站生成一個包括所有閥位信息的數據庫，DCS可以通過MODBUS協議通訊得到每一臺電動閥的信息，并通過數據庫對現場電動閥進行控制。DCS選用橫河CS3000控制系統，作為一個成熟的控制系統已經得到了廣泛應用。

2 軟件組態設計

橫河DCS選用ALR121通訊卡件作為主通訊模塊。Pakscan IIE主站控制器是一個遠程終端單元，作為Modbus從設備［4］。DCS通過主通訊模塊控制Pakscan IIE主站控制器的讀寫。系統采用兩線通訊方式，該方式最多可以連接32個Pakscan IIE主站控制器。

首先對通訊的初始參數進行設置。在Pakscan IIE控制單元中設置通訊方式為RS485兩線通訊，端口：COM1（即串口一），波特率為9 600 bit/s，校驗位為奇校驗，數據位8位，停止位1位。電動閥的物理地址為0-256，隨便設一個即可，只要不和其他的沖突就行。對DCS通訊初始參數進行同樣設置。例如在CS3000軟件中：FCS0101＼IOM＼NODE4＼5ALR121文件夾下，右鍵點擊5ALR12進行以上設置。

其次在DCS通訊組態（Communication I/O Builder）窗口中進行設置和羅托克閥門的數據存儲區［5］。具體參數設置及所表示意義舉例如下：比如Buffer（數據緩沖區）：100（100表示100個字），Program Name：K1-4-5MODBUS（表示NODE4的第5個模塊MODBUS通訊），在SIZE：100（這個里面的100這個值要小于等于Buffer里的100），PORT：1（串口一），IP ADDRESS不用設置，STATION：1（即羅托克閥門的物理地址0-256中的1），DeviceADDress：A31217（Pakscan IIE的數據區非常重要），Data Type：Input（Discrete）（讀取方式比如讀取閥門的開到位等、若是控制比如開指令應選為OUT（Discrete）），Reverse：Bites（表示讀寫的是字節），Scan：normal（為一般的通訊速度），設置完后進行下裝。

然后在DCS的Communication I/O Builder窗口中定義每一臺電動閥門的工位號，接著在Control Drawing Builder窗口中添加SIO儀表。

通過編程、組態、連接，DCS操作站可以準確的監測和控制儲運過程的所有信息和設備，形象地反映實際工藝流程、顯示動態數據，設置PID控制參數以及過程參數，進行實時操作控制，并可以查看歷史趨勢、報警歷史報表等［6］。

3 系統特點

1）安裝方便維護簡單雙線環路控制器安裝在DCS機柜中，整個系統由一根兩芯屏蔽控制電纜連接起來形成環網，中間不需要中繼器，環路距離最遠可以達到20 km，可以帶最多240臺設備。與傳統的安裝控制相比較，節省了大量的電纜以及安裝調試費用。

2）擴展性能好系統自身的擴展非常方便，當有新的執行機構加入到網絡中，控制系統會自動定位識別，并將數據信息加入報表，只需要通過控制器鍵盤及顯示屏更改現場模塊的數量。而且擴展時的接線不會影響到系統其他閥門的正常運行。系統擴展開放性很好，對于非ROTORK執行機構可以通過PAKBOX連接一樣可以構成環路。

3）安全可靠PAKSCAN P3控制器采用冗余熱備控制器，在故障時可以實現無擾動切換。

PAKSCAN P3控制器與DCS控制系統通訊采用冗余方式，保證了系統通訊。即使通訊中斷，也可以直接在PAKSCAN P3控制器上直接控制現場閥門的開關。雙線環路與PAKSCAN P3控制器之間保持著完全的電流隔離，現場控制模塊也保持著環路信號檢測器與執行器之間完全的電流隔離。控制器與現場控制模塊均不會影響執行器的就地控制，即使控制器與現場控制模塊故障，就地執行器也能保持正常操作。

維護方便，系統可以自動檢測出故障類型、故障位置，并顯示出那一臺設備啟動了環路回流功能，極大方便了設備的維護維修。如果雙線環路中的任意一臺或多臺電動執行器出現故障，在斷電維修時，可保證其他環路設備正常通訊。

4）超強的系統容錯能力PAKSCAN系統具有的“環路回流”功能使得系統只需要一根電纜就可以具備兩個方向上的冗余通訊通道，此系統電纜具有很強的電纜故障容錯能力。

正常操作情況下，20 mA的環路電流信從主站控制器A端口的“出”至B端口的“入”，再從B端口的“出”流出至A端口的“入”。電纜斷路、短路等引起線路故障時，主控制站停止發送信號，每個現場控制模塊開啟“環路回流”功能，然后主控制站從A＼B端口依次關閉環路回流電流，直到檢查出故障設備或者故障線路位置。同時故障線路兩邊的設備可通過各自的環路與主站控制器通訊，當有兩處線路發生故障時，這兩處故障之間的智能閥都被屏蔽，兩處故障之外的智能閥依然可以通過兩“臂狀”環路與主站控制器通訊。系統故障容錯如下圖2所示。

圖2 系統故障容錯Fig.2 Fault tolerance of system

4 系統應用效果

該系統在09年元月份已經調試完成正常投用，現場應用效果良好，并產生了良好的經濟效益以及生產效益。

1）節約了建設投資。傳統的電動閥控制方式109臺閥需要10×1.5的阻燃屏蔽電纜3萬多米，而這種控制方式只需要2×1.5電纜3 000 m左右，僅此一項即節約資金60多萬元。同時由于采用了總線控制方式，DCS控制系統節約了大量的I/O卡件。

2）減少了儀表維護量。可以在控制器中顯示故障類型及位置，極大方便了維護。

3）提高自動化程度降低了勞動強度。操作工避免了去現場手動開關閥門，直接在控制室就可以進行倒罐操作。

5 結束語

該系統改造運行以來一直運行良好，方便，安全。這種電動閥控制模式在距離遠，操作不方便的油品罐區使用將會對降低生產成本，提高企業效益產生深遠影響，值得推廣應用。

[1]李衛成.電動閥門執行器現場總線控制系統及應用[J].天然氣與石油，2007（6）：28-32，58.

LI Wei-cheng.Application of main field line control system for electrically operated valve actuator[J].Natural Gas and Oil，2007（6）：28-32，58.

[2]桂江，劉曉軍，湯國強.羅托克PakscanⅡE雙線控制系統在輸油管道中的應用[J].石油化工自動化，2002（6）：70-72.

GUI Jiang，LIU Xiao-jun，TANG Guo-qiang.The application of Pakscan II E two wires control system of rotork actuation in oil pipeline[J].Automation In Petro-chemical Industry，2002（6）：70-72.

[3]橫河公司.橫河DCS CENTUM CS3000生產控制系統［EB/OL］.（2010-12-02）［2011-05-15］.http：//www.chuandong.com/publish/product/newOnline/2008/3.

[4]孫福生.Pakscan IIE雙線控制系統在順丁橡膠裝置中的應用[J].中國儀器儀表，2000（5）：35-37.

SUN Fu-sheng.Application of PakscanⅡE 2-wire contorl system in butadiene rubber plant[J].China Instrumentation，2000（5）：35-37.

[5]董梅.基于虛擬DCS的仿真系統的開發及應用[J].工業控制計算機，2007（1）：27-28.

DONG Mei.Development and application of simulation system based on visual DCS[J].Industrial Control Computer，2007（1）：27-28.

[6]侯立剛，莊興稼.石油化工培訓裝置仿DCS實時控制系統[J].撫順石油學院學報，1997（2）：56-59.

HOU Li-gang，ZHUANG Xing-jia.Application of the simulating DCS real-time control system on petroleum chemical training installation[J].Joural of Fushun Petrolum Institute，1997（2）：56-59.