采用PLC和Modbus通訊協(xié)議實現(xiàn)油罐區(qū)儲運監(jiān)控系統(tǒng)的設計

1、引言

油庫中油料儲存罐和輸油管道所使用的各種控制閥門是油料儲運過程中必不可少的現(xiàn)場儀表，其智能化程度的高低、所含信息的多少和對故障的診斷與容錯能力直接影響到數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和易用性。通常庫區(qū)中的控制閥數(shù)量眾多且分散，普通的控制閥所含信息量少而布線繁多，這在一定程度上使庫區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的設計復雜化。該系統(tǒng)采用英國Rotork公司的智能電動閥及其主站控制器和3級故障顯示報警系統(tǒng)，大大簡化了監(jiān)控系統(tǒng)的復雜設計，而且借助其豐富的診斷信息和對故障的容錯能力，使系統(tǒng)的可靠性得以提高。

2、監(jiān)控系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

2.1 Rotork智能閥控制設備

Rotork智能閥控制設備是一個閥門數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視與控制系統(tǒng)，它由一臺主站控制器和與它相連的現(xiàn)場電動閥組成。主站控制器通過一條兩線電流環(huán)路可以控制掛于環(huán)路上的多達240個現(xiàn)場控制閥，該電流環(huán)路可長達20km。

現(xiàn)場電動閥的智能化程度較高，其內部含有豐富的數(shù)據(jù)和診斷信息。但最主要的特點是多個智能閥僅通過兩線互聯(lián)成一個環(huán)路，最終接入主站控制器的只有起始和末端兩線，所有閥門信息通過兩線通訊進入主站控制器?，F(xiàn)場電動閥還具有線路故障屏蔽功能，當環(huán)路出現(xiàn)開路、短路或接地故障時，智能閥可以將故障端的線路屏蔽掉，使主站控制器仍能與線路上的所有智能閥通訊而不受影響，同時將故障信息發(fā)給主站控制器。其兩線屏蔽原理如圖1所示。

圖1 故障屏蔽原理

正常操作情況下，通訊電流信號沿環(huán)路的一條線從主站控制器的端口A流出，經(jīng)該環(huán)路從端口B流回。此時，另一條線路是冗余的。當有一處線路發(fā)生故障時，該處故障線路被閥門屏蔽，故障線路兩邊的智能閥可通過各自的環(huán)路與主站控制器通訊;當有兩處線路發(fā)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(huán)路與主站控制器通訊。

2.2 系統(tǒng)的設計

在該系統(tǒng)中采用PLC作為控制機來完成對信號的實時采樣、脈沖量累計、狀態(tài)的判別、輸出控制等;采用微型計算機作為上位機完成采集數(shù)據(jù)信息的存儲，分析處理、狀態(tài)顯示以及打印輸出，以實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時監(jiān)控。在該系統(tǒng)中最重要的是：一方面，由PLC將采集到的各種數(shù)據(jù)準確、可靠、迅速的傳送到上位機;另一方面上位機的控制命令和調度命令必須準確無誤的下發(fā)到PLC，而完成這兩方面工作的關鍵在于數(shù)據(jù)通信。主站控制器是由主CPU卡、環(huán)路通訊卡、電源、液晶顯示器和16按鈕鍵盤組成的盤裝智能儀表。它內部有兩個固定的數(shù)據(jù)庫，一個是現(xiàn)場單元數(shù)據(jù)庫，負責接收并記錄從兩線環(huán)路傳來的智能閥的地址、轉矩、開度等數(shù)據(jù)，根據(jù)從上位機傳來的讀寫命令控制閥門的運動，該數(shù)據(jù)庫從邏輯上劃分為4個區(qū)，每個區(qū)記錄60個閥門的數(shù)據(jù);另一個數(shù)據(jù)庫為主站控制器狀態(tài)及自診斷數(shù)據(jù)庫，負責記錄通訊協(xié)議的有關狀態(tài)并向智能閥發(fā)布命令。通過主站控制器的按鍵和液晶顯示器，可以實現(xiàn)讀取智能閥的開度、轉矩、地址等數(shù)據(jù)，控制閥門的開閉，接收報警信號及與PLC通訊等功能。

圖2 油料儲運監(jiān)控系統(tǒng)設計圖

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)結構

圖3 現(xiàn)場智能電動閥監(jiān)控系統(tǒng)的結構框圖

該系統(tǒng)的控制部分采用美國GE Fanuc公司的HBR雙重熱備型PLC系統(tǒng)，通過PLC控制140個智能閥（IQ actuator）的開停閉。上位監(jiān)控站可監(jiān)視各個智能閥的閥位回信狀態(tài)、閥位值以及報警信號，并可執(zhí)行開閥、停閥和關閥操作。

Pakscan IIE主站控制器與PLC之間采用Modbus協(xié)議通訊，以port1的RS-485接口連接。正常運行情況下，主PLC和主控制器工作，從PLC和備控制器分別與主PLC和主控制器保持同步。智能閥將數(shù)據(jù)傳送給主控制器，主PLC通過RS-485接口從主控制器中讀取數(shù)據(jù)，并向其發(fā)布命令，主控制器再執(zhí)行命令，驅動智能閥按命令運轉。當主PLC或主控制器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能分別自動切換到從PLC或備控制器。

由于系統(tǒng)中采用的是Modbus通訊協(xié)議，一臺PLC可以連接多臺Pakscan IIE主站控制器，因此，若現(xiàn)場智能閥較多，系統(tǒng)可以很方便地擴展而且連線簡單。

3、軟件設計

3.1 通訊程序設計

PLC選用Modbus RTU主通訊模塊（master）。PakscanIIE主站控制器是一個遠程終端單元，做為Modbus從設備（slave）。PLC的CPU通過ModbusRTU主通訊模塊控制Pakscan IIE主站控制器的讀寫，被稱為Modbus host。系統(tǒng)采用單Modbushost兩線通訊方式，該方式最多可以連接32個Pakscan IIE主站控制器。主通訊模塊的程序設計有3部分內容：初始化通訊模塊;讀寫Modbus/RTU數(shù)據(jù);監(jiān)測通訊狀態(tài)。

通訊模塊的初始化工作主要是配置3個初始化控制塊的參數(shù)：Slave控制塊（SCB），信息控制塊（MCB）和通訊要求參數(shù)塊（COM_REQ）。SCB是一個15個寄存器長的數(shù)據(jù)塊，功能是定義與其通訊的Slave的型號、個數(shù)、狀態(tài)等參數(shù)，每一個Slave需要定義一個SCB塊。MCB是一個6個寄存器長的數(shù)據(jù)塊，功能是定義Master要求每個Slave執(zhí)行的命令信息，包括命令類型、RTU引用地址偏移、PLC引用地址偏移、主機號等參數(shù)，每一種命令需要定義一個MCB塊。COM_REQ是一個17個寄存器長的數(shù)據(jù)塊，功能是定義通訊方式、端口控制字及監(jiān)測SCB和MCB的狀態(tài)參數(shù)等，每一端口需要定義一個COM_REQ塊。所有這些初始化參數(shù)在PLC上電或冷啟動初始化的第一個掃描周期內加載到RTU主通訊模塊，此后RTU主通訊模塊負責與PakscanIIE主站控制器通訊，而PLC則與RTU主通訊模塊交換數(shù)據(jù)。讀寫Modbus/RTU數(shù)據(jù)和監(jiān)測通訊狀態(tài)的編程相對簡單，只要讀寫初始化時定義的相應的PLC參數(shù)地址即可。

3.2 監(jiān)控軟件設計

上位監(jiān)控站可以準確的監(jiān)測和控制儲運過程的所有信息和設備。通過編程、組態(tài)、連接，形象地反映實際工藝流程、顯示動態(tài)數(shù)據(jù)，設置PID控制參數(shù)以及過程參數(shù)，并可以查看歷史趨勢、報警歷史報表等。

Rotork的現(xiàn)場電動閥配置在流程的輸油管線上，通過按鈕可以人工啟動、停止和關閉任一個閥門，并顯示任意時刻的閥門狀態(tài)和閥位值。設計良好的人機界面使操作簡便、直觀。

3.3 故障報警系統(tǒng)設計

在自動控制系統(tǒng)的設計中我們設計了3級故障顯示報警系統(tǒng)，1級設置在控制現(xiàn)場各控制柜面板，用指示燈指示設備正常運行和故障情況，當設備正常運行時對應指示燈亮，當該設備運行有故障時指示燈以1Hz的頻率閃爍。為防止指示燈燈泡損壞不能正確反映設備工作情況，專門設置了故障復位/燈測試按鈕，系統(tǒng)運行任何時間持續(xù)按該按鈕3s，所有指示燈應全部點亮，如果這時有指示等不亮說明該指示燈已壞，應立即更換，改按鈕復位后指示燈仍按原工作狀態(tài)顯示設備工作狀態(tài)。2級故障顯示設置在中心控制室大屏幕監(jiān)視器上，當設備出現(xiàn)故障時，有文字顯示故障類型，工藝流程圖上對應的設備閃爍，歷史事件表中將記錄該故障。3級故障顯示設置在中心控制室信號箱內，當設備出現(xiàn)故障時，信號箱將用聲、光報警方式提示工作人員，及時處理故障。在處理故障時，又將故障進行分類，有些故障是要求系統(tǒng)停止運行的，但有些故障對系統(tǒng)工作影響不大，系統(tǒng)可帶故障運行，故障可在運行中排除，這樣就大大減少整個系統(tǒng)停止運行時間，提高系統(tǒng)可靠性運行水平。

4、結束語

Rotork的智能閥控制設備與PLC的結合使得罐區(qū)儲運監(jiān)控系統(tǒng)布線簡潔、控制方便，PLC的冗余以及PakscanIIE主站控制器的雙備保證了系統(tǒng)的高可靠性，也提高了控制系統(tǒng)的自動化程度。

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