周吉旭

（海南八所港務(wù)有限責(zé)任公司，海南東方 572600）

0 引言

目前港口在用的39 臺(tái)流量計(jì)采用的是脈沖信號(hào)接入PLC控制系統(tǒng)，組態(tài)畫(huà)面上僅能顯示瞬時(shí)流量和已裝卸量。隨著自動(dòng)化水平的提高，許多生產(chǎn)過(guò)程都對(duì)流量計(jì)測(cè)量提出新的要求。要將流量計(jì)測(cè)量到的所有參數(shù)都傳輸至PLC 控制系統(tǒng)?，F(xiàn)有的流量計(jì)脈沖傳輸方式不能滿足提出的要求。因此，對(duì)流量計(jì)的信號(hào)傳輸方式進(jìn)行改造設(shè)計(jì)才能滿足要求，詳細(xì)論述港口流量計(jì)傳輸方式的改造。

1 流量計(jì)脈沖傳輸方式及改造

1.1 流量計(jì)脈沖傳輸方式的弊端分析

脈沖信號(hào)是按一定電壓幅度，在一定時(shí)間間隔連續(xù)發(fā)出的脈沖信號(hào)。一般情況下脈沖信號(hào)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(huì)導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)非預(yù)期的結(jié)果。由高速電路設(shè)計(jì)理論定義可知，如果脈沖信號(hào)傳輸長(zhǎng)度大于信號(hào)上升或下降沿時(shí)間對(duì)應(yīng)有效長(zhǎng)度的1/6 時(shí)，就可認(rèn)為信號(hào)的傳輸為長(zhǎng)線傳輸。脈沖信號(hào)在長(zhǎng)線傳輸中會(huì)出現(xiàn)明顯傳輸延遲、衰減和振蕩等現(xiàn)象，影響信號(hào)完整性。除此之外，采用脈沖信號(hào)傳輸進(jìn)入PLC 控制系統(tǒng)只能顯示和記錄瞬時(shí)流量和本船次裝船量，不能把流量計(jì)檢測(cè)到的溫度、壓力、密度、累積流量等參數(shù)傳輸至PLC 控制系統(tǒng)上。目前碼頭內(nèi)流量計(jì)在裝卸船作業(yè)前后均需要泊位操作人員查看流量計(jì)表低累積數(shù)報(bào)給中控人員進(jìn)行核對(duì)裝卸量。無(wú)船作業(yè)時(shí)還需操作人員進(jìn)行流量計(jì)巡檢，但人員巡檢做不到實(shí)時(shí)性，往往故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

為了擺脫長(zhǎng)期依賴人工，及時(shí)準(zhǔn)確判斷流量計(jì)存在的故障，確保流量計(jì)裝卸計(jì)量準(zhǔn)確。需對(duì)流量計(jì)的傳輸方式進(jìn)行改造，將脈沖信號(hào)傳輸改造成RS485 信號(hào)傳輸，將能克服以上問(wèn)題。

1.2 流量計(jì)RS485 通信設(shè)計(jì)

八所港第二裝卸區(qū)目前擁有一個(gè)1 萬(wàn)噸級(jí)、一個(gè)5000 噸級(jí)泊位和一個(gè)50 000+2000 t 級(jí)泊位，港區(qū)內(nèi)有2 套PLC 控制系統(tǒng)，分別位于1#中控樓、2#中控樓。2#中控樓的PLC 系統(tǒng)為主站，1#中控樓的PLC 系統(tǒng)是2#中控樓PLC 系統(tǒng)的從站，2 套系統(tǒng)之間能進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。泊位上所有工藝管線及流量計(jì)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(jì)現(xiàn)有脈沖信號(hào)是從1#控制樓接出去，3#泊位流量計(jì)原有的脈沖信號(hào)是從2#中控樓接出去。

此次流量計(jì)傳輸方式改造主要采取RS485 通信，將流量計(jì)采集到的所有計(jì)量參數(shù)傳輸至中控組態(tài)畫(huà)面，自動(dòng)生成數(shù)據(jù)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)中控人員實(shí)時(shí)獲取所需數(shù)據(jù)。

2 流量計(jì)RS485 通信設(shè)計(jì)方案分析

2.1 方案一

現(xiàn)改造項(xiàng)目將現(xiàn)場(chǎng)39 臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)分成8 組接入MODBUS 轉(zhuǎn)PROFIBUS 模塊上，再通過(guò)Y-Link 將MODBUS 轉(zhuǎn)PROFIBUS 模塊與SIAMTIC S7-400 連接起來(lái)，然后接入PLC系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)RS485 信號(hào)傳輸，其中新中控樓需增加一個(gè)機(jī)柜用于放置MODBUS 轉(zhuǎn)PROFIBUS 模塊和Y-Link。現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)線路時(shí)每臺(tái)流量計(jì)處需增加1 個(gè)4 通防爆接線盒，經(jīng)6 芯電纜連接采集壓力變送器信號(hào)、連接另1 臺(tái)流量計(jì)的RS485 信號(hào)線、連接原有的脈沖信號(hào)。改造的系統(tǒng)在傳輸架構(gòu)上增加MODBUS 轉(zhuǎn)PROFIBUS 模塊、Y-Link，在現(xiàn)場(chǎng)接線上增加防爆接線盒。

MODBUS 轉(zhuǎn)PROFIBUS 模塊：系統(tǒng)中主要將采集到的流量計(jì)RS485 信號(hào)轉(zhuǎn)換PROFIBUS-DP 協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

Y-Link：是西門(mén)子產(chǎn)品與碼頭集控PLC 系統(tǒng)兼容，它用于將只有1 個(gè)DP 接口的遠(yuǎn)程IO 連接冗余系統(tǒng)，Y-Link 包含2 個(gè)IM153-2 接口，它作為冗余DP 主站系統(tǒng)的DP 從站，是處于下一級(jí)DP 主站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)代理。

2.2 方案二

改造項(xiàng)目采用通信方案是串口服務(wù)器+服務(wù)器+WINCC。以太網(wǎng)作為主干的通信方式?，F(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)通過(guò)屏蔽雙絞電纜串聯(lián)，使用RS485 通信方式，將現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)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(wù)器中。3#泊位的這6 組接入到3#泊位現(xiàn)場(chǎng)工作間的串口服務(wù)器中上。再由串口服務(wù)器轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)通信方式，通過(guò)光纖接入到2#中控樓設(shè)置的服務(wù)器中，該服務(wù)器接入工業(yè)交換機(jī)與原有西門(mén)子PLC 控制系統(tǒng)融合為一體，進(jìn)行時(shí)間數(shù)據(jù)的交互，同時(shí)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入原有西門(mén)子400H 系統(tǒng)中，在原有的WINCC 組態(tài)畫(huà)面中增加累積量、壓力、溫度、密度、驅(qū)動(dòng)增益等參數(shù)，建立歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)，其中1#中控樓和現(xiàn)場(chǎng)泊位工作間增加2 個(gè)小型機(jī)柜用于放置串口服務(wù)器。2#中控樓設(shè)置服務(wù)器電腦及交換機(jī)。用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接處理和寫(xiě)入S7-400 系統(tǒng)。中間鏈路通過(guò)屏蔽電纜、光纖以及網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)線路時(shí)每臺(tái)流量計(jì)處需增加1 個(gè)4 通防爆接線盒，經(jīng)6 芯電纜連接采集壓力變送器信號(hào)、連接另一臺(tái)流量計(jì)的RS485 信號(hào)線、連接原有的脈沖信號(hào)。

連接線路后還需對(duì)流量計(jì)內(nèi)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，將波特率調(diào)好，建立RS485 通信基礎(chǔ)。經(jīng)改造的系統(tǒng)在傳輸架構(gòu)上增加串口服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，在現(xiàn)場(chǎng)接線上增加防爆接線盒。

串口服務(wù)器：串口服務(wù)器在系統(tǒng)中提供串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)功能，能夠?qū)S485 兩串口轉(zhuǎn)換成TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)RS485 通信的兩串口與TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。使得串口設(shè)備能夠立即具備TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)接口功能，連接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，極大的擴(kuò)展串口設(shè)備的通信距離。

數(shù)據(jù)采集服務(wù)器：它將采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理保存在自己服務(wù)器中，打成數(shù)據(jù)包再接入PLC 控制系統(tǒng)中，是獨(dú)立于PLC 控制系統(tǒng)存在的，相對(duì)于直接在原工控機(jī)上進(jìn)行修改組態(tài)，它的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)它發(fā)生故障時(shí)，能快速鎖定故障發(fā)生點(diǎn)，及時(shí)將故障排除，不影響控制系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.3 確定最優(yōu)方案

方案一從技術(shù)上分析可能存在傳輸滯后問(wèn)題。第一：MOXA模塊的MGate 模塊組態(tài)在Y-Link 下，MGate 的工作原理是在MGate 中將相關(guān)的通信站點(diǎn)配置好以后，MGate 可以自動(dòng)讀取從站的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)讀取上來(lái)后，自動(dòng)同步到MGate 的DP 通信接口中。在相關(guān)配置完成后，西門(mén)子PLC 系統(tǒng)自動(dòng)更新遠(yuǎn)程DP的數(shù)據(jù)，但每個(gè)Y-Link 下面所有站點(diǎn)的通信數(shù)據(jù)容量有限制，輸入為最大244 Bytes，輸出為244 Bytes。原技術(shù)方案中，通過(guò)擴(kuò)展的Y-Link 模塊將RS485 信號(hào)轉(zhuǎn)為DP 通信接入到西門(mén)子400 冗余系統(tǒng)中，該方案并未考慮Y-Link 的傳輸字節(jié)上限要求，根據(jù)西門(mén)子技術(shù)手冊(cè)，1 臺(tái)Y-Link 最大傳輸字節(jié)為244 個(gè)。而現(xiàn)場(chǎng)一臺(tái)流量計(jì)根據(jù)傳輸參數(shù)要求，字節(jié)數(shù)最少為20 個(gè)，原技術(shù)方案中有一臺(tái)Y-Link 接入8 個(gè)MGate 模塊，27 臺(tái)流量計(jì)，在一個(gè)掃描周期內(nèi)傳輸最小字節(jié)總數(shù)為540 個(gè)。所以原有配置方案可能造成數(shù)據(jù)擁堵，或者根本就無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信等情況，對(duì)港口設(shè)備運(yùn)行造成誤導(dǎo)甚至可能造成安全事故。從經(jīng)濟(jì)上分析，采取這樣的傳輸架構(gòu)所需的模塊元件較多且選擇的必須與西門(mén)子產(chǎn)品兼容，價(jià)格較為昂貴。

方案二通過(guò)增加串口服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集服務(wù)器能將現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)采集到的RS485 信號(hào)集中到串口服務(wù)器合成數(shù)據(jù)包。采用光纜將串口服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸至中控室的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。一臺(tái)串口服務(wù)器遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足39 臺(tái)流量計(jì)傳輸?shù)男枰?，現(xiàn)場(chǎng)和中控控制系統(tǒng)可進(jìn)行大數(shù)據(jù)通信，極大的擴(kuò)展串口設(shè)備的通信距離，滿足遠(yuǎn)距離傳輸，不會(huì)造成數(shù)據(jù)擁堵。同時(shí)，方案二從技術(shù)上分析，所采取的傳輸架構(gòu)簡(jiǎn)單，通信元件少，系統(tǒng)容易維護(hù)，安全可靠高。從經(jīng)濟(jì)上分析，該通信架構(gòu)所需的配件在市場(chǎng)上容易獲得，價(jià)位比較廉價(jià)，不涉及到系統(tǒng)兼容問(wèn)題。

綜上所述，最終確定方案二作為此次改造的最優(yōu)方案。

2.4 經(jīng)改造后的通信系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)和存在的問(wèn)題

（1）經(jīng)過(guò)改造后具有以下優(yōu)點(diǎn)：①以往需現(xiàn)場(chǎng)人員在裝船作業(yè)前、后繞過(guò)管道前往流量計(jì)變送器處進(jìn)行查看數(shù)據(jù)，并通過(guò)對(duì)講系統(tǒng)將數(shù)據(jù)報(bào)給中控人員。改造后流量計(jì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)直接傳至中控室，不需要現(xiàn)場(chǎng)值守人員進(jìn)行查看流量計(jì)表底數(shù)，解決了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)難題，同時(shí)節(jié)省了裝船作業(yè)時(shí)間，有效避免減少人員查看、報(bào)送數(shù)據(jù)的失誤；②改造前數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程存在滯后，通改造后數(shù)據(jù)傳輸速率變大，縮短了獲得數(shù)據(jù)的時(shí)間；③改造后流量計(jì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)直接遠(yuǎn)傳至中控PLC 系統(tǒng)，通過(guò)獲得的數(shù)據(jù)，在WCC 組態(tài)畫(huà)面上進(jìn)行組態(tài)，將數(shù)據(jù)的歷史趨勢(shì)呈現(xiàn)出來(lái)，能直觀地反應(yīng)數(shù)據(jù)的走向、記錄生產(chǎn)過(guò)程，保存生產(chǎn)數(shù)據(jù)，便于對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行追溯；④系統(tǒng)改造后可以實(shí)現(xiàn)流量計(jì)自診斷，根據(jù)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生故障代碼信息判斷流量計(jì)是產(chǎn)生了何種故障，從而判定故障發(fā)生的部位，系統(tǒng)提示解決故障的方法。⑤改造后可以為后續(xù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)夯實(shí)基礎(chǔ)，為公司推進(jìn)智能化碼頭創(chuàng)造條件。

（2）改造后存在的問(wèn)題：①現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)表低位數(shù)顯示的數(shù)據(jù)小數(shù)點(diǎn)位數(shù)與中控組態(tài)顯示的有出入，中控組態(tài)畫(huà)面自動(dòng)采取浮點(diǎn)數(shù)四舍五入；②現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)變送器流量計(jì)顯示有質(zhì)量總量和庫(kù)存總量?jī)蓚€(gè)參數(shù)，而中控組態(tài)電腦只顯示質(zhì)量總量，數(shù)據(jù)上一對(duì)二關(guān)系容易給作業(yè)人員造成混淆；③組態(tài)畫(huà)面上歷史趨勢(shì)數(shù)據(jù)只有坐標(biāo)和曲線，但曲線始終指零。

2.5 優(yōu)化存在的問(wèn)題

針對(duì)組態(tài)畫(huà)面自動(dòng)四舍五入，采取自動(dòng)清零策略。由于流量計(jì)表頭顯示的數(shù)值位數(shù)有限，數(shù)值變大時(shí)小數(shù)點(diǎn)位數(shù)就需要縮減一位，當(dāng)質(zhì)量總量數(shù)值未達(dá)到百萬(wàn)位數(shù)時(shí)對(duì)流量計(jì)進(jìn)行清理可有效解決現(xiàn)場(chǎng)與中控?cái)?shù)值不一致問(wèn)題。針對(duì)組態(tài)畫(huà)面的質(zhì)量總量“一對(duì)二”容易混淆問(wèn)題，采取對(duì)流量計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，用流量計(jì)專用475 手操器連上HART 進(jìn)行在線式對(duì)特性化參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，將現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)的庫(kù)存總量參數(shù)隱藏。從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)“一對(duì)一”有限避免數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤。針對(duì)組態(tài)畫(huà)面上歷史趨勢(shì)無(wú)數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)改造后未對(duì)服務(wù)器里的數(shù)據(jù)更新，采取對(duì)服務(wù)器數(shù)據(jù)進(jìn)行更新系統(tǒng)歷史趨勢(shì)便能直觀反映生產(chǎn)數(shù)據(jù)曲線。

3 結(jié)語(yǔ)

適應(yīng)信息化高速發(fā)展，必須采用先進(jìn)的傳輸方式，才可以獲得需要的參數(shù)，以便系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)分析，才能確保碼頭作業(yè)安全。針對(duì)流量計(jì)脈沖信號(hào)傳輸存在的一些弊端，對(duì)其傳輸方式進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)在中控組態(tài)畫(huà)面上實(shí)時(shí)觀看到溫度、壓力、密度、累積量，便于調(diào)度人員即時(shí)掌握在裝卸過(guò)程中溫度、壓力、密度參數(shù)的發(fā)生的變化，即時(shí)調(diào)整裝卸工藝。