淺談閥門執行器現場總線控制系統在原油庫區的應用

秋黨旗,姜 霞,王 霄

(1.中石化管道儲運公司嵐山站,浙江寧波 315207;2.中石化管道儲運公司壽光站,山東壽光 262700;3.中石化管道儲運公司黃島油庫,山東青島 266500)

淺談閥門執行器現場總線控制系統在原油庫區的應用

秋黨旗1,姜 霞2,王 霄3

(1.中石化管道儲運公司嵐山站,浙江寧波 315207;2.中石化管道儲運公司壽光站,山東壽光 262700;3.中石化管道儲運公司黃島油庫,山東青島 266500)

隨著大型原油儲備庫的建設,場區面積的增大和管理人員的減少促使各種現場設備大量采用總線控制,尤其對于極其分散的庫區所用的各種閥門,更需要采用維護量低、操作簡單的現場總線控制系統。詳細介紹了閥門執行器現場總線控制系統的特點、結構、總線形式和通信協議,通過某原油商業儲備庫建設及使用期間現場總線控制與常規控制的實際效果對比,突出體現了總線控制技術在工程建設及生產運行中的巨大優勢。針對使用過程中的常見問題進行了原因分析,提出了可行的解決方案。

大型油庫;閥門執行器;現場總線控制系統;通信時延;干擾

0 引 言

隨著國家石油戰略儲備的實施,大型和特大型的原油儲備庫陸續開工建設或投產,這些油庫庫區面積巨大而操作人員卻較少,所以,設備簡單易操作、維護方便成為最基本的要求。2008年年底投產的某石油商業儲備庫在設計上就對多而分散的電動閥門采用了執行器現場總線控制,經過一年多的實際運行,總線控制的優越性得到了極大的體現。

1 系統結構

不同的閥門執行器現場總線控制系統在結構上基本相同。一般由主控站(又稱閥門控制器)、通信環路和現場單元(閥門的電動執行機構)組成。

1.1 主控站

主控站一般采用工業PC機,利用其鍵盤和顯示器對系統的操作和工作狀態進行控制和監視。Limitorque公司的MASTER STATION II閥門控制器的顯示與操作控制、參數設定、冗余設備等都集成在一個帶液晶面板的機箱中,通過液晶面板可輕易地完成系統環路波特率、現場單元地址、數據傳輸、環路狀態、故障狀況等參數的設置與查看,可直接對每臺閥門進行操作。同時可采用 RS-232,RS-422,RS-485接口與各種DCS進行通信,進行二次組態和遠程網絡控制。一般采用冗余控制系統,當主控站發生故障后自動切換到備用主控站,從而確保系統仍能安全可靠地運行。

1.2 通信環路

閥門執行器現場總線控制系統中使用的是兩線或三線電纜,系統中所有閥門或執行器用這種電纜串接后形成一條閉合的環路,每臺閥門或執行器都能從環路的兩個方向與主控站進行信息和數據的交換,相當于又給系統增加了一條冗余通信路徑。

系統運行期間,除了正常的工作之外,環路電纜不停地被掃描查詢,以確定其是否完整。若通信環路完整無損,主控站將依過程控制的需要通過環路電纜向現場單元發送控制命令,同時接受現場單元發回的工作狀態信息。當然,所有現場單元都已預先設置好了地址并隨時準備接受命令和查詢。一般情況下,主控站要發數次命令。每發一次命令,都要接收到被詢址現場單元的應答一次。否則,系統將按環路故障進行處理。現場單元的應答時間則由現場單元的數量以及環路距離決定。作為環路故障檢查的必要手段,主控站一般要重復進行檢查。

1.3 現場單元

閥門執行器現場總線控制系統中的現場單元是根據閥門執行器的特殊要求專門設計的Smart控制器,結構為單機架裝方式或執行器整體方式,通常為智能化或半智能化的裝置。半智能化的現場單元僅僅是主控站的一個分散的 I/O口,在系統中它接受主控站的控制命令,對閥門或執行器進行一系列的操作,同時將閥門或執行器上的工作狀態和其他信息反饋給主控站,供系統采集、記錄、顯示和控制使用。在目前的油庫使用中,大多采用的是這一種。一般都具有過力矩保護、電機過熱保護、斷信號保護、遙控與本機手操、故障顯示和報警等主要功能。

由于是在惡劣的現場環境條件下使用,現場單元均采用了高可靠性器件、表面封裝技術、堅固的雙層密封外殼,特殊的軟硬件抗干擾技術等措施來保證其能長期安全可靠地工作。

2 總線形式和通信協議

在國際性現場總線標準沒有完全統一之前,閥門或執行器專業公司出于自身的利益,開發了各自的現場總線控制系統。協議實現中,較低層的具體功能和任務要求由硬件實現,高層由軟件實現。該商儲庫使用的Limitorque DDC 100TM系統使用的總線技術是 Inter公司的BITBUS(位總線)。BITBUS是為單片機在分布式控制系統中進行通信而設計的一種串行總線結構,為四層結構:物理層、鏈路層、消息層和應用層。通信的物理層符合EIA一RS-485標準,傳送介質采用雙絞線,符合IBM SDLC(同步數據鏈路控制)協議,不經中繼器的最大傳輸距離為 1.2 km[2]。它不僅在 DDC-100TM系統中與環路上自家的裝置兼容,通過專用接口,還可與 Honeywell Foxboro Taylor,ABB等其他公司的DCS和 PLC兼容。另外一些常見的Keystone公司的 KEYDIG系統采用的是ValvBus總線。它的通信是通過RS-232、RS-485標準接口和ModBus或Ascll協議完成的。Rotork公司的Pakscan IIE系統使用的是ModBus總線協議。此外還有一些廠家采用了HART和FF總線協議[3]。

3 系統特點

閥門執行器現場總線控制系統的配置和構成靈活多變,適用能力強,很好地解決了現場最常見的干擾噪聲、控制距離、接點容量和工作環境等方面的問題。

3.1 節省施工費用和進度

閥門執行器現場總線控制系統具有良好的消噪功能,可以使用帶屏蔽的雙絞線進行系統內部的通信。該系統安裝簡單,投運速度快,費用約為常規控制系統的40%。在整個控制系統調試中,可由電動裝置廠家和系統集成商依據接口協議完成各自部分就可實現通信,閥門執行器現場總線承擔了較多控制,相應減輕了中心控制室的負擔,在系統總體測試中可節約大量時間。

3.2 系統增減設備簡便

系統采用總線方式環形連接,理論上可在數公里的范圍內連接百臺設備,可不設中繼站,不限制接入環路內閥門或執行器等裝置之間的距離。這樣當庫區改造中增加設備時,可直接將其接入控制環中,主線路不需要進行任何改動,只需進行軟件的改動,成本低,施工周期短。

3.3 工作原理

閥門執行器現場總線控制系統采用環形控制回路,通信環路一旦斷開,在環路斷點一側的現場單元將會自動形成一個完整的環路,繼續保持主控站與所有現場單元之間的通信。圖1是系統正常工作時和環路斷開后兩種方式的工作原理示意圖。

圖1 正常工作時和環路斷開后工作原理

環路斷開后,主控站首先通過端口 A向與其連接的第一臺現場單元發送命令,同時接收該現場單元的應答。然后再向第二臺現場單元發送命令,同時也接收這臺現場單元的應答。這樣,發送命令、接收應答,連接現場單元的環路一步步擴大,直到環路斷點處不能再繼續下去為止。與此同時,主控站也通過端口B向相反方向的現場單元發送命令并接收應答,直至斷點前的現場單元。用這種方法,主控站不僅從環路兩個方向確定了斷點位置,也確定了斷點兩端現場單元自行構成的返回路徑,從而保證所有現場單元與主控站之間的通信工作始終未中斷。

3.4 日常維護簡便

在閥門執行器現場總線控制系統中,系統內部通信接口短距離一般采用RS-485。同時,各種信號的輸入輸出接口都采用插拔連接方式,這就使得系統內部的接線非常簡單,使用一些標準的常用工具和少量的儀器便可完成。這對維護人員少、設備多、分散廣的大型輸油站庫帶來極大的便利。

4 存在的問題

4.1 系統時延過長

從油庫的管理方便考慮,該商儲庫在設計上進行分區管理,設6個總線控制單元,分布在2個庫區的4個數據采集站中,分別用于控制不同的罐組、泵房、計量間閥門,閥門狀態信號通過通信環路進入閥門主控站,然后通過RS-485接口進入控制模塊,經過PLC處理后進入局域網連接到中心控制室的工作站電腦。經統計,一般現場動作到工作站顯示變化的延遲時間在3～10 s之間,其中罐組閥門和計量間閥門對控制時間要求不高,所以,問題主要集中在泵區閥門控制上。

輸油泵啟泵控制邏輯:開泵進口閥門—啟泵—開泵出口調節閥,因信號時延過長,經常造成泵出口閥延遲開啟造成憋壓,或泵出口閥門開度超量過大;同樣,停泵邏輯:全關泵出口調節閥—停泵,如果時延過長,會造成泵的憋壓運行,危害較大。為解決此問題,短期采用人工現場干預控制,取消邏輯啟泵程序。建議采用總線控制的系統,對重要的關鍵控制點采用傳統硬線連接,因此可對輸油泵出口電動閥門單獨進行改造,可有效解決時延的問題。

4.2 總線系統的抗干擾問題

油庫投產后陸續發現輸油泵區的部分閥門出現狀態錯誤、地址丟失等問題,后期逐漸嚴重,經過儀器測量,發現控制環路中存在較大的脈沖干擾信號,作用于數字信號會造成誤信號。

在環境復雜的工業現場,雖然總線系統的抗干擾能力強,但變頻器、電機啟動的強電磁輻射、過程通道干擾、不合理的布線等都會造成總線系統的干擾,經過對重點環節的檢查,發現問題主要出現在現場與閥門控制器之間的地溝電纜上。解決辦法:合理布線,在控制電纜與動力電纜交叉處采用金屬板屏蔽隔離;控制電纜的地線單點接地,即一端接地可防止形成地環回路;數字地與模擬地徹底分開,兩者分別與電源地線相連,并適當加粗地線[4],可有效提高系統的抗干擾能力。

5 結束語

隨著高性能電動閥門在輸油生產中的廣泛應用,現場總線控制系統在大型原油庫區施工和管理中的優越性越來越突出,它的出現,徹底改變了閥門或執行器的控制和維護方法,并解決了長期困擾過程控制系統的接線、調試和維修問題。這不僅改變了傳統的控制系統結構,還必將對油庫過程控制領域產生巨大而深遠的影響。

[1] Limitorque.DDC-100 Master Station II Installation and Operation Manual[G].上海:FLOWSERVE中國總部, 2008.

[2] IEC.IEC 61158現場總線[S].4版.日內瓦:國際電工委員會,2000.

[3] 張鳳登.現場總線技術與應用[M].北京:科學出版社, 2008.

[4] 劉美俊.現場總線控制系統的抗干擾措施[J].機床電器, 2007,(2):50-52.

[5] 趙建民.閥門執行器現場總線執行系統[C].上海:第四屆自控系統及儀表裝置選型和技術發展研討會,2000.

[6] 付秀霞.現場總線協議的建模與仿真[M].北京:北京化工大學,2005.

[7] 陳功富,壽云星.BITBUS總線計算機工控網[J].通信技術與發展,1997,(5):46-50.

[8] 陳炳和.計算機控制系統基礎[M].北京:北京航空航天大學出版社,2001.

[9] 陽先惠.現場總線技術及應用[M].北京:清華大學出版社,1999.

[10] 許常武,譚愛紅.閥門電動裝置的發展趨勢[J].閥門,2002, (3):33-34,38.

TP214

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1007-7324(2011)01-0074-03

2010-12-01(修改稿)。

秋黨旗(1976—),男,山東濰坊人,1996年畢業于承德石油高等專科學校熱能工程專業,2003年畢業于山東大學計算機信息管理專業,一直從事原油管道儲運的儀表自控、輸油設備等工作,任工程師。