秋黨旗,姜 霞,王 霄

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

淺談閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在原油庫區(qū)的應(yīng)用

秋黨旗1,姜 霞2,王 霄3

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

隨著大型原油儲備庫的建設(shè),場區(qū)面積的增大和管理人員的減少促使各種現(xiàn)場設(shè)備大量采用總線控制,尤其對于極其分散的庫區(qū)所用的各種閥門,更需要采用維護(hù)量低、操作簡單的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、總線形式和通信協(xié)議,通過某原油商業(yè)儲備庫建設(shè)及使用期間現(xiàn)場總線控制與常規(guī)控制的實(shí)際效果對比,突出體現(xiàn)了總線控制技術(shù)在工程建設(shè)及生產(chǎn)運(yùn)行中的巨大優(yōu)勢。針對使用過程中的常見問題進(jìn)行了原因分析,提出了可行的解決方案。

大型油庫;閥門執(zhí)行器;現(xiàn)場總線控制系統(tǒng);通信時延;干擾

0 引 言

隨著國家石油戰(zhàn)略儲備的實(shí)施,大型和特大型的原油儲備庫陸續(xù)開工建設(shè)或投產(chǎn),這些油庫庫區(qū)面積巨大而操作人員卻較少,所以,設(shè)備簡單易操作、維護(hù)方便成為最基本的要求。2008年年底投產(chǎn)的某石油商業(yè)儲備庫在設(shè)計上就對多而分散的電動閥門采用了執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制,經(jīng)過一年多的實(shí)際運(yùn)行,總線控制的優(yōu)越性得到了極大的體現(xiàn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

不同的閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上基本相同。一般由主控站(又稱閥門控制器)、通信環(huán)路和現(xiàn)場單元(閥門的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu))組成。

1.1 主控站

主控站一般采用工業(yè)PC機(jī),利用其鍵盤和顯示器對系統(tǒng)的操作和工作狀態(tài)進(jìn)行控制和監(jiān)視。Limitorque公司的MASTER STATION II閥門控制器的顯示與操作控制、參數(shù)設(shè)定、冗余設(shè)備等都集成在一個帶液晶面板的機(jī)箱中,通過液晶面板可輕易地完成系統(tǒng)環(huán)路波特率、現(xiàn)場單元地址、數(shù)據(jù)傳輸、環(huán)路狀態(tài)、故障狀況等參數(shù)的設(shè)置與查看,可直接對每臺閥門進(jìn)行操作。同時可采用 RS-232,RS-422,RS-485接口與各種DCS進(jìn)行通信,進(jìn)行二次組態(tài)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制。一般采用冗余控制系統(tǒng),當(dāng)主控站發(fā)生故障后自動切換到備用主控站,從而確保系統(tǒng)仍能安全可靠地運(yùn)行。

1.2 通信環(huán)路

閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中使用的是兩線或三線電纜,系統(tǒng)中所有閥門或執(zhí)行器用這種電纜串接后形成一條閉合的環(huán)路,每臺閥門或執(zhí)行器都能從環(huán)路的兩個方向與主控站進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)的交換,相當(dāng)于又給系統(tǒng)增加了一條冗余通信路徑。

系統(tǒng)運(yùn)行期間,除了正常的工作之外,環(huán)路電纜不停地被掃描查詢,以確定其是否完整。若通信環(huán)路完整無損,主控站將依過程控制的需要通過環(huán)路電纜向現(xiàn)場單元發(fā)送控制命令,同時接受現(xiàn)場單元發(fā)回的工作狀態(tài)信息。當(dāng)然,所有現(xiàn)場單元都已預(yù)先設(shè)置好了地址并隨時準(zhǔn)備接受命令和查詢。一般情況下,主控站要發(fā)數(shù)次命令。每發(fā)一次命令,都要接收到被詢址現(xiàn)場單元的應(yīng)答一次。否則,系統(tǒng)將按環(huán)路故障進(jìn)行處理。現(xiàn)場單元的應(yīng)答時間則由現(xiàn)場單元的數(shù)量以及環(huán)路距離決定。作為環(huán)路故障檢查的必要手段,主控站一般要重復(fù)進(jìn)行檢查。

1.3 現(xiàn)場單元

閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場單元是根據(jù)閥門執(zhí)行器的特殊要求專門設(shè)計的Smart控制器,結(jié)構(gòu)為單機(jī)架裝方式或執(zhí)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(xiàn)場單元僅僅是主控站的一個分散的 I/O口,在系統(tǒng)中它接受主控站的控制命令,對閥門或執(zhí)行器進(jìn)行一系列的操作,同時將閥門或執(zhí)行器上的工作狀態(tài)和其他信息反饋給主控站,供系統(tǒng)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(hù)、電機(jī)過熱保護(hù)、斷信號保護(hù)、遙控與本機(jī)手操、故障顯示和報警等主要功能。

由于是在惡劣的現(xiàn)場環(huán)境條件下使用,現(xiàn)場單元均采用了高可靠性器件、表面封裝技術(shù)、堅固的雙層密封外殼,特殊的軟硬件抗干擾技術(shù)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(xié)議

在國際性現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)沒有完全統(tǒng)一之前,閥門或執(zhí)行器專業(yè)公司出于自身的利益,開發(fā)了各自的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。協(xié)議實(shí)現(xiàn)中,較低層的具體功能和任務(wù)要求由硬件實(shí)現(xiàn),高層由軟件實(shí)現(xiàn)。該商儲庫使用的Limitorque DDC 100TM系統(tǒng)使用的總線技術(shù)是 Inter公司的BITBUS(位總線)。BITBUS是為單片機(jī)在分布式控制系統(tǒng)中進(jìn)行通信而設(shè)計的一種串行總線結(jié)構(gòu),為四層結(jié)構(gòu):物理層、鏈路層、消息層和應(yīng)用層。通信的物理層符合EIA一RS-485標(biāo)準(zhǔn),傳送介質(zhì)采用雙絞線,符合IBM SDLC(同步數(shù)據(jù)鏈路控制)協(xié)議,不經(jīng)中繼器的最大傳輸距離為 1.2 km[2]。它不僅在 DDC-100TM系統(tǒng)中與環(huán)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(tǒng)采用的是ValvBus總線。它的通信是通過RS-232、RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口和ModBus或Ascll協(xié)議完成的。Rotork公司的Pakscan IIE系統(tǒng)使用的是ModBus總線協(xié)議。此外還有一些廠家采用了HART和FF總線協(xié)議[3]。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的配置和構(gòu)成靈活多變,適用能力強(qiáng),很好地解決了現(xiàn)場最常見的干擾噪聲、控制距離、接點(diǎn)容量和工作環(huán)境等方面的問題。

3.1 節(jié)省施工費(fèi)用和進(jìn)度

閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有良好的消噪功能,可以使用帶屏蔽的雙絞線進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部的通信。該系統(tǒng)安裝簡單,投運(yùn)速度快,費(fèi)用約為常規(guī)控制系統(tǒng)的40%。在整個控制系統(tǒng)調(diào)試中,可由電動裝置廠家和系統(tǒng)集成商依據(jù)接口協(xié)議完成各自部分就可實(shí)現(xiàn)通信,閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線承擔(dān)了較多控制,相應(yīng)減輕了中心控制室的負(fù)擔(dān),在系統(tǒng)總體測試中可節(jié)約大量時間。

3.2 系統(tǒng)增減設(shè)備簡便

系統(tǒng)采用總線方式環(huán)形連接,理論上可在數(shù)公里的范圍內(nèi)連接百臺設(shè)備,可不設(shè)中繼站,不限制接入環(huán)路內(nèi)閥門或執(zhí)行器等裝置之間的距離。這樣當(dāng)庫區(qū)改造中增加設(shè)備時,可直接將其接入控制環(huán)中,主線路不需要進(jìn)行任何改動,只需進(jìn)行軟件的改動,成本低,施工周期短。

3.3 工作原理

閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用環(huán)形控制回路,通信環(huán)路一旦斷開,在環(huán)路斷點(diǎn)一側(cè)的現(xiàn)場單元將會自動形成一個完整的環(huán)路,繼續(xù)保持主控站與所有現(xiàn)場單元之間的通信。圖1是系統(tǒng)正常工作時和環(huán)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(huán)路斷開后工作原理

環(huán)路斷開后,主控站首先通過端口 A向與其連接的第一臺現(xiàn)場單元發(fā)送命令,同時接收該現(xiàn)場單元的應(yīng)答。然后再向第二臺現(xiàn)場單元發(fā)送命令,同時也接收這臺現(xiàn)場單元的應(yīng)答。這樣,發(fā)送命令、接收應(yīng)答,連接現(xiàn)場單元的環(huán)路一步步擴(kuò)大,直到環(huán)路斷點(diǎn)處不能再繼續(xù)下去為止。與此同時,主控站也通過端口B向相反方向的現(xiàn)場單元發(fā)送命令并接收應(yīng)答,直至斷點(diǎn)前的現(xiàn)場單元。用這種方法,主控站不僅從環(huán)路兩個方向確定了斷點(diǎn)位置,也確定了斷點(diǎn)兩端現(xiàn)場單元自行構(gòu)成的返回路徑,從而保證所有現(xiàn)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(hù)簡便

在閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中,系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)內(nèi)部的接線非常簡單,使用一些標(biāo)準(zhǔn)的常用工具和少量的儀器便可完成。這對維護(hù)人員少、設(shè)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(tǒng)時延過長

從油庫的管理方便考慮,該商儲庫在設(shè)計上進(jìn)行分區(qū)管理,設(shè)6個總線控制單元,分布在2個庫區(qū)的4個數(shù)據(jù)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(tài)信號通過通信環(huán)路進(jìn)入閥門主控站,然后通過RS-485接口進(jìn)入控制模塊,經(jīng)過PLC處理后進(jìn)入局域網(wǎng)連接到中心控制室的工作站電腦。經(jīng)統(tǒng)計,一般現(xiàn)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(qū)閥門控制上。

輸油泵啟泵控制邏輯:開泵進(jìn)口閥門—啟泵—開泵出口調(diào)節(jié)閥,因信號時延過長,經(jīng)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(guān)泵出口調(diào)節(jié)閥—停泵,如果時延過長,會造成泵的憋壓運(yùn)行,危害較大。為解決此問題,短期采用人工現(xiàn)場干預(yù)控制,取消邏輯啟泵程序。建議采用總線控制的系統(tǒng),對重要的關(guān)鍵控制點(diǎn)采用傳統(tǒng)硬線連接,因此可對輸油泵出口電動閥門單獨(dú)進(jìn)行改造,可有效解決時延的問題。

4.2 總線系統(tǒng)的抗干擾問題

油庫投產(chǎn)后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)輸油泵區(qū)的部分閥門出現(xiàn)狀態(tài)錯誤、地址丟失等問題,后期逐漸嚴(yán)重,經(jīng)過儀器測量,發(fā)現(xiàn)控制環(huán)路中存在較大的脈沖干擾信號,作用于數(shù)字信號會造成誤信號。

在環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場,雖然總線系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng),但變頻器、電機(jī)啟動的強(qiáng)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(tǒng)的干擾,經(jīng)過對重點(diǎn)環(huán)節(jié)的檢查,發(fā)現(xiàn)問題主要出現(xiàn)在現(xiàn)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(diǎn)接地,即一端接地可防止形成地環(huán)回路;數(shù)字地與模擬地徹底分開,兩者分別與電源地線相連,并適當(dāng)加粗地線[4],可有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

5 結(jié)束語

隨著高性能電動閥門在輸油生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在大型原油庫區(qū)施工和管理中的優(yōu)越性越來越突出,它的出現(xiàn),徹底改變了閥門或執(zhí)行器的控制和維護(hù)方法,并解決了長期困擾過程控制系統(tǒng)的接線、調(diào)試和維修問題。這不僅改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),還必將對油庫過程控制領(lǐng)域產(chǎn)生巨大而深遠(yuǎn)的影響。

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2010-12-01(修改稿)。

秋黨旗(1976—),男,山東濰坊人,1996年畢業(yè)于承德石油高等?？茖W(xué)校熱能工程專業(yè),2003年畢業(yè)于山東大學(xué)計算機(jī)信息管理專業(yè),一直從事原油管道儲運(yùn)的儀表自控、輸油設(shè)備等工作,任工程師。