港口流量計傳輸方式改造

周吉旭

（海南八所港務有限責任公司，海南東方 572600）

0 引言

目前港口在用的39 臺流量計采用的是脈沖信號接入PLC控制系統，組態畫面上僅能顯示瞬時流量和已裝卸量。隨著自動化水平的提高，許多生產過程都對流量計測量提出新的要求。要將流量計測量到的所有參數都傳輸至PLC 控制系統。現有的流量計脈沖傳輸方式不能滿足提出的要求。因此，對流量計的信號傳輸方式進行改造設計才能滿足要求，詳細論述港口流量計傳輸方式的改造。

1 流量計脈沖傳輸方式及改造

1.1 流量計脈沖傳輸方式的弊端分析

脈沖信號是按一定電壓幅度，在一定時間間隔連續發出的脈沖信號。一般情況下脈沖信號的邊沿諧波頻率高于自身頻率，其快速變化的上升/下降沿會導致信號在傳輸過程中出現非預期的結果。由高速電路設計理論定義可知，如果脈沖信號傳輸長度大于信號上升或下降沿時間對應有效長度的1/6 時，就可認為信號的傳輸為長線傳輸。脈沖信號在長線傳輸中會出現明顯傳輸延遲、衰減和振蕩等現象，影響信號完整性。除此之外，采用脈沖信號傳輸進入PLC 控制系統只能顯示和記錄瞬時流量和本船次裝船量，不能把流量計檢測到的溫度、壓力、密度、累積流量等參數傳輸至PLC 控制系統上。目前碼頭內流量計在裝卸船作業前后均需要泊位操作人員查看流量計表低累積數報給中控人員進行核對裝卸量。無船作業時還需操作人員進行流量計巡檢，但人員巡檢做不到實時性，往往故障不能及時發現。

為了擺脫長期依賴人工，及時準確判斷流量計存在的故障，確保流量計裝卸計量準確。需對流量計的傳輸方式進行改造，將脈沖信號傳輸改造成RS485 信號傳輸，將能克服以上問題。

1.2 流量計RS485 通信設計

八所港第二裝卸區目前擁有一個1 萬噸級、一個5000 噸級泊位和一個50 000+2000 t 級泊位，港區內有2 套PLC 控制系統，分別位于1#中控樓、2#中控樓。2#中控樓的PLC 系統為主站，1#中控樓的PLC 系統是2#中控樓PLC 系統的從站，2 套系統之間能進行數據通信。泊位上所有工藝管線及流量計控制都集中在2#中控樓的中央控制室，兩座樓的距離約600 m，1#泊位和2#泊位流量計現有脈沖信號是從1#控制樓接出去，3#泊位流量計原有的脈沖信號是從2#中控樓接出去。

此次流量計傳輸方式改造主要采取RS485 通信，將流量計采集到的所有計量參數傳輸至中控組態畫面，自動生成數據報表，實現中控人員實時獲取所需數據。

2 流量計RS485 通信設計方案分析

2.1 方案一

現改造項目將現場39 臺質量流量計分成8 組接入MODBUS 轉PROFIBUS 模塊上，再通過Y-Link 將MODBUS 轉PROFIBUS 模塊與SIAMTIC S7-400 連接起來，然后接入PLC系統中，實現RS485 信號傳輸，其中新中控樓需增加一個機柜用于放置MODBUS 轉PROFIBUS 模塊和Y-Link。現場敷設線路時每臺流量計處需增加1 個4 通防爆接線盒，經6 芯電纜連接采集壓力變送器信號、連接另1 臺流量計的RS485 信號線、連接原有的脈沖信號。改造的系統在傳輸架構上增加MODBUS 轉PROFIBUS 模塊、Y-Link，在現場接線上增加防爆接線盒。

MODBUS 轉PROFIBUS 模塊：系統中主要將采集到的流量計RS485 信號轉換PROFIBUS-DP 協議，實現數據的交互。

Y-Link：是西門子產品與碼頭集控PLC 系統兼容，它用于將只有1 個DP 接口的遠程IO 連接冗余系統，Y-Link 包含2 個IM153-2 接口，它作為冗余DP 主站系統的DP 從站，是處于下一級DP 主站系統的數據代理。

2.2 方案二

改造項目采用通信方案是串口服務器+服務器+WINCC。以太網作為主干的通信方式。現場流量計通過屏蔽雙絞電纜串聯，使用RS485 通信方式，將現場流量計分成8 組，分別為1#泊位1 組、2#泊位1 組、3#泊位6 組，其中1#和2#泊位的這兩組接入到1#中控樓的串口服務器中。3#泊位的這6 組接入到3#泊位現場工作間的串口服務器中上。再由串口服務器轉換為以太網通信方式，通過光纖接入到2#中控樓設置的服務器中，該服務器接入工業交換機與原有西門子PLC 控制系統融合為一體，進行時間數據的交互，同時將數據寫入原有西門子400H 系統中，在原有的WINCC 組態畫面中增加累積量、壓力、溫度、密度、驅動增益等參數，建立歷史數據趨勢，其中1#中控樓和現場泊位工作間增加2 個小型機柜用于放置串口服務器。2#中控樓設置服務器電腦及交換機。用于數據轉接處理和寫入S7-400 系統。中間鏈路通過屏蔽電纜、光纖以及網線實現數據的傳輸。

現場敷設線路時每臺流量計處需增加1 個4 通防爆接線盒，經6 芯電纜連接采集壓力變送器信號、連接另一臺流量計的RS485 信號線、連接原有的脈沖信號。

連接線路后還需對流量計內參數進行設定，將波特率調好，建立RS485 通信基礎。經改造的系統在傳輸架構上增加串口服務器、數據采集服務器，在現場接線上增加防爆接線盒。

串口服務器：串口服務器在系統中提供串口轉網絡功能，能夠將RS485 兩串口轉換成TCP/IP 網絡接口，實現RS485 通信的兩串口與TCP/IP 網絡接口的數據雙向透明傳輸。使得串口設備能夠立即具備TCP/IP 網絡接口功能，連接網絡進行數據通信，極大的擴展串口設備的通信距離。

數據采集服務器：它將采集到的現場數據進行整理保存在自己服務器中，打成數據包再接入PLC 控制系統中，是獨立于PLC 控制系統存在的，相對于直接在原工控機上進行修改組態，它的優點是當它發生故障時，能快速鎖定故障發生點，及時將故障排除，不影響控制系統正常運行。

2.3 確定最優方案

方案一從技術上分析可能存在傳輸滯后問題。第一：MOXA模塊的MGate 模塊組態在Y-Link 下，MGate 的工作原理是在MGate 中將相關的通信站點配置好以后，MGate 可以自動讀取從站的數據，將數據讀取上來后，自動同步到MGate 的DP 通信接口中。在相關配置完成后，西門子PLC 系統自動更新遠程DP的數據，但每個Y-Link 下面所有站點的通信數據容量有限制，輸入為最大244 Bytes，輸出為244 Bytes。原技術方案中，通過擴展的Y-Link 模塊將RS485 信號轉為DP 通信接入到西門子400 冗余系統中，該方案并未考慮Y-Link 的傳輸字節上限要求，根據西門子技術手冊，1 臺Y-Link 最大傳輸字節為244 個。而現場一臺流量計根據傳輸參數要求，字節數最少為20 個，原技術方案中有一臺Y-Link 接入8 個MGate 模塊，27 臺流量計，在一個掃描周期內傳輸最小字節總數為540 個。所以原有配置方案可能造成數據擁堵，或者根本就無法實現數據通信等情況，對港口設備運行造成誤導甚至可能造成安全事故。從經濟上分析，采取這樣的傳輸架構所需的模塊元件較多且選擇的必須與西門子產品兼容，價格較為昂貴。

方案二通過增加串口服務器和數據采集服務器能將現場流量計采集到的RS485 信號集中到串口服務器合成數據包。采用光纜將串口服務器的數據進行遠距離傳輸至中控室的數據采集服務器。一臺串口服務器遠遠滿足39 臺流量計傳輸的需要，現場和中控控制系統可進行大數據通信，極大的擴展串口設備的通信距離，滿足遠距離傳輸，不會造成數據擁堵。同時，方案二從技術上分析，所采取的傳輸架構簡單，通信元件少，系統容易維護，安全可靠高。從經濟上分析，該通信架構所需的配件在市場上容易獲得，價位比較廉價，不涉及到系統兼容問題。

綜上所述，最終確定方案二作為此次改造的最優方案。

2.4 經改造后的通信系統優點和存在的問題

（1）經過改造后具有以下優點：①以往需現場人員在裝船作業前、后繞過管道前往流量計變送器處進行查看數據，并通過對講系統將數據報給中控人員。改造后流量計監測到的數據直接傳至中控室，不需要現場值守人員進行查看流量計表底數，解決了現場作業難題，同時節省了裝船作業時間，有效避免減少人員查看、報送數據的失誤；②改造前數據在傳輸過程存在滯后，通改造后數據傳輸速率變大，縮短了獲得數據的時間；③改造后流量計檢測到的數據直接遠傳至中控PLC 系統，通過獲得的數據，在WCC 組態畫面上進行組態，將數據的歷史趨勢呈現出來，能直觀地反應數據的走向、記錄生產過程，保存生產數據，便于對生產數據進行追溯；④系統改造后可以實現流量計自診斷，根據機械設備運行過程中產生故障代碼信息判斷流量計是產生了何種故障，從而判定故障發生的部位，系統提示解決故障的方法。⑤改造后可以為后續實現生產大數據平臺的實現夯實基礎，為公司推進智能化碼頭創造條件。

（2）改造后存在的問題：①現場流量計表低位數顯示的數據小數點位數與中控組態顯示的有出入，中控組態畫面自動采取浮點數四舍五入；②現場流量計變送器流量計顯示有質量總量和庫存總量兩個參數，而中控組態電腦只顯示質量總量，數據上一對二關系容易給作業人員造成混淆；③組態畫面上歷史趨勢數據只有坐標和曲線，但曲線始終指零。

2.5 優化存在的問題

針對組態畫面自動四舍五入，采取自動清零策略。由于流量計表頭顯示的數值位數有限，數值變大時小數點位數就需要縮減一位，當質量總量數值未達到百萬位數時對流量計進行清理可有效解決現場與中控數值不一致問題。針對組態畫面的質量總量“一對二”容易混淆問題，采取對流量計參數進行設置，用流量計專用475 手操器連上HART 進行在線式對特性化參數進行設定，將現場流量計的庫存總量參數隱藏。從而實現數據“一對一”有限避免數據讀取錯誤。針對組態畫面上歷史趨勢無數據顯示，通過分析總結，發現系統改造后未對服務器里的數據更新，采取對服務器數據進行更新系統歷史趨勢便能直觀反映生產數據曲線。

3 結語

適應信息化高速發展，必須采用先進的傳輸方式，才可以獲得需要的參數，以便系統進行自動分析，才能確保碼頭作業安全。針對流量計脈沖信號傳輸存在的一些弊端，對其傳輸方式進行改造，實現在中控組態畫面上實時觀看到溫度、壓力、密度、累積量，便于調度人員即時掌握在裝卸過程中溫度、壓力、密度參數的發生的變化，即時調整裝卸工藝。