中建三局三公司安装分公司天津经理部潍坊森达美液化品库区项目
摘要：首次在液化品库区EPC项目上采用扬州恒春公司的主从双路Modbus通信电动阀门执行器总线控制系统, 大大简化了监控系统的复杂设计，借助其丰富的诊断信息和对故障的容错能力，使控制系统的可靠性得以提高。
关键词：电动阀门执行器总线控制系统; 主从双路Modbus通信; Modbus网关; 冗余接口; RS485总线。
0 引言
电动阀门执行器是液化品库区中常用的现场控制设备,其智能化程度的高低、所含信息的多少和对故障的诊断与容错能力直接影响到数据采集与监控系统的可靠性、稳定性和易用性。大型库区中的电动阀门数量多且分散，采用普通的电动阀门硬布线繁多，这在一定程度上使库区监控系统的设计复杂化。
本工程首次在大型大型液化品库区上采用扬州恒春公司的主从双路Modbus通信电动阀门执行器总线控制系统，大大简化了监控系统的复杂设计，而且借助其丰富的诊断信息和对故障的容错能力，使控制系统的可靠性得以提高。
1 阀门执行器现场总线控制系统
近年来,在世界工业阀门和执行器生产制造中占有主导地位的专业化公司相继推出各自为阀门执行器开发设计的现场总线控制系统。其中主要有美国Limitorque公司DDC-100TM 系统、美国Key-stone公司的KEYD IG系统和英国Rotork公司的Pak-scanIIE系统，国产执行器公司扬州恒春也开发设计了现场总线控制系统主从双路Modbus通信。这类系统，无论其系统结构、总线形式和通信协议如何不同，都完全实现了阀门执行器等现场装置与上位控制系统的通信和智能化控制。
1.1 系统特点
阀门执行器现场总线控制系统是根据用户需要最新发展起来的“FCS”(现场控制系统 )。其系统配置和构成灵活多变，具有很强的适用性和扩展能力。它很好地解决了现场最常见的有关干扰噪声、控制 距离、接点容量和工作环境等方面的问题,具有如下特点：
1.1.1 电缆成本降低
阀门执行器现场总线控制系统由于具有良好的消噪功能，因此，它可以使用带屏蔽的双绞线电缆进行系统内部的通信。在常规控制系统中,接到每台阀门执行器上的控制电缆芯数依据其传输信号数量而定，最多的可达22根，而阀门执行器现场总路线控制系统中的所有阀门执行器的连接只需要两芯电缆即可完成。
1.1.2 控制系统成本降低
由于采用总线控制方式，上位控制系统节省了大量的I/O卡件、继电器和防浪涌保护设备。
1.1.3 系统容量大
根据使用要求和系统规模，阀门执行器现场总线控制系统允许在1200米的一条通信环路上接入多大248台阀门执行器等各种类型的现场装置。如果通讯距离超过1200米，需要增加信号中继器。在整个有效通信环路内，可将信息或数据传送到各个现场装置，同时还不限制接入环路内阀门执行器等装置之间的距离。
1.1.4 信息传递量大幅度提高
由于采用双线控制方式可完成传统2芯电缆所能实现的信息传递，使得双线控制方式所能实现的信息传递量得以大幅度提升。
1.1.5 配置齐全
用户可根据过程控制的需要任意提出要求和配置，这种系统既能以主系统也能以子系统参与过程控制，使用时还可将阀门执行器等设置成智能化或半智能化单元。其它诸如主控站冗余、紧急操作面板、各种信号的输入输出接口、多站系统和多任务软件等都可以根据需要来配置。
1.1.7 接口简单
在阀门执行器现场总线控制系统中，系统内部通信接口短距离一般采用RS485。同时，各种信号的输入输出接口也都采用插拔连接方式。
1.2 系统结构
不同的阀门执行器现场总线控制系统在结构上是基本相同的。它们一般是由主控站、通信环路和现场单元 ( 本体为阀门执行器 ) 组成。系统结构框图如图 1所示。
图1 系统结构框图
1.2.1 主控站
主控站多采用工业PC机构成，以利用其键盘和显示器对系统的操作方式以及工作状态进行控制和监视。用户可根据系统提供的丰富方便的软件包非常容易地生成操作方式、系统状态和控制逻辑画面，并通过键盘随时发出操作命令，设置系统必要的工作参数条件。主控站也有特殊设计的盘装式结构，例如HCBUS-1000的主控站就是这种结构。在它的控制面板上装有监视环路工作状态的液晶显示器、设置系统参数和数据的键盘以及显示系统运行和报警信息的指示灯。通过控制面板，可完成系统环路波特率、现场单元地址和数据传输等参数的设置。此外，万一主控站失控或系统工作不正常，操作人员可使用键盘直接控制阀门执 行器。它可在主控站发生故障后 50ms自动切换到备用主控站,从而确保系统仍能安全可靠地运行。
1.2.2 通信环路
HCBUS-1000总线控制系统是CKD电动阀专用的环形通讯系统，它由总线控制器和Modbus总线通讯型电动执行机构组成。它通过一根双绞线电缆对多达248台[1](电动执行装置进行监视和控制。该通讯网络采用RS-485接口、Modbus协议并且是主从冗余热备份的。它的冗余性能够保证通讯电缆上的任何断裂或短路现象都不会影响到电动执行机构的运转。每一台电动执行机构都分配有一个可设定的地址，利用双绞线网络进行通信，并执行开启、关闭、停止、紧急关闭（ESD）和开至的位置命令，并利用同一通讯网络传递所有的电动执行机构的状态和报警诊断信息(包含环路通讯的开路、接地和短路等故障)。
1.3 系统工作原理
系统运行期间，除了正常的工作之外，环路电缆不停地被扫描查询，以确定其是否完整。若通信环路完整无损，主控站将依过程控制的需要通过环路电缆向现场单元发送控制命令, 同时接受现场单元发回的工作状态信息。当然，所有现场单元都已预先设置好了地址并随时准备接受命令和接受查询。一般情况下，主控站要发数次命令。每发一次命令，都要接收到被询址现场单元的应答一次，否则，系统将按环路故障进行处理。现场单元的应答时间则由 现场单元的数量以及环路距离所决定。
通信环路一旦断开, 在环路断点一侧的现场单元将会自动地形成各自一侧完整的环路, 继续保持主控站与所有现场单元之间的通信。图 2为几种常见的环路故障。
图2 常见的环路故障
环路断开后，主控站首先通过通道1向与其连接的第一台现场单元发送命令，同时接收该现场单元的应答。然后再向第二台现场单元发送命令，同时也接收这台现场单元的应答。这样，发送命令，接收应答，连接现场单元的环路一步步扩大, 直到环路断点处不能再继续下去为止。同时，主控站也通过通道2向相反方向的现场单元发送命令并接收应答，直到断点前的现场单元。用这种方法，主控站不仅从环路两个方向确定了断点位置，也确定了断点 两端现场单元自行构成的返回路径，从而保证所有现场单元与主控站之间的通信工作始终不被中断。 作为环路故障检查的必要手段，主控站一般要重复进行检查，即不断地发出命令, 接收应答。
1.4 现场单元
阀门执行器现场总线控制系统中的现场单元是根据阀门执行器的特殊要求专门设计的 智能控制器，结构为执行器整体方式。智能化现场单元除可与主控站通过环路进行信息和数据通信并根据主控站命令工作外，还可单独与阀门执行器构成回路，为工业过程提供阀门定位、逻辑控制、批量操作、PID调节以及多回路运行等多种能力，现场单元都具有阀门执行器操作所需要的特殊功能，其中包括:
a.过力矩保护。在阀门执行器发生堵转或出力超过限定值时，可自动地切断动力电源停止运行。
b.电机过热保护。电机绕组中埋有热敏元件，在由于超载使电机过热时发出信号，然后由保护电路自动切断电源使电机停转。
c.断信号保护。无论是在输入信号还是位置信号消失或超量程时，执行器都可自动地转入事先预置的安全工作状态，或由闭环控制转入开环控制。信号正常后，执行器可自动恢复到原来的工作状态。
d.遥控与本机手操。通过按纽进行阀门的“开”、“关”“停”、操作和紧急关闭操作。
e.故障显示和报警。通过自诊断，可在万一发生故障或工作不正常时自动发出声光报警信号并及时显示故障内容。由于是在恶劣的现场环境条件下使用，现场单元均采用了高可靠性器件、表面封装技术、坚固的双层密封外壳、特殊的软硬件抗干扰技术等措施来保证其能长期安全可靠地工作。
1.5 总线形式和通信协议
在阀门执行器现场总线控制系统中，维持系统高效而有秩序工作的是系统通信所使用的各种现场总线协议。
在国际性现场总线标准没有完全统一之前，阀门执行器专业公司出于自身的利益，开发了各自的现场总线控制系统。这些系统有共同之处, 也有不同之处。同时, 系统所使用的总线形式和通信协议有相同的也有不同的。
尽管有各自的特点和优点，尽管其局域网和标准规格不一，但无论哪种总线协议，都是用于现场仪表与控制系统之间进行全数字化、双向和多站通信工作的，而且从总体上看，还 都是靠软硬件来实现的。上述几种系统所使用的总线协议实现的一般方法是, 较低层的具体功能和任务要求主要由硬件实现, 而高层则主要由软件来实现[2]。
2 工程电动控制阀现场总线控制系统的应用
潍坊森达美液化品库区二期工程电动控制阀门采用扬州恒春公司的主从双路Modbus通信执行器现场总线控制系统。
2..1 系统结构
本工程现场智能电动阀监控系统的结构框图如图3所示。
图3 电动阀监控系统结构框图
控制系统采用美国Honeywell公司的PKS热备冗余型DCS系统，通过DCS控制总线型电动阀门(CKD)的开停闭。上位监控站可监视各个智能阀的阀位状态、阀位值以及报警信号，并可执行开阀、停阀和关阀操作。
HCBUS-1000主站控制器与控制系统之间采用TCP/IP协议通信, 以主站控制器的以太网接口连接。正常运行情况下，主DCS和主控制器工作，从DCS和热备控制器分别与主DCS和主控制器保持同步。智能阀将数据传送给主控制器，主DCS通过以太网接口从主控制器中读取数据，并向其发布命令，主控制器再执行命令，驱动智能阀按命令运转。当主DCS或主控制器出现故障时，系统能分别自动切换到从DCS或热备控制器。
由于系统中采用的是以太网通信协议，1台DCS可以连接多台HCBUS-1000主站控制器， 因此，若现场智能阀较多，系统可以很方便地扩展而且连线简单。
2.2 监控系统的通信
控制系统选用以太网主通信模块。HCBUS-1000主站控制器是一个远程终端单元，做为 DCS从设备。 DCS的控制器通过以太网主通信模块控制HCBUS-1000主站控制器的读写。主通信模块的程序设计有三部分内容: 初始化通信模块、读写以太网数据、监测通信状态。
2.3 画面组态
上位监控站可准确监测和控制储运过程的所有信息和设备。通过编程、组态、连接, 形象地反映实际工艺流程、显示动态数据，设置PID 控制参数以及过程参数，并可以查看历史趋势、报警历史报表等。扬州恒春的现场电动阀配置在流程的输油管线上, 通过按钮可以 人工启动、停止和关闭任一个阀门，并显示任意时刻的阀门状态和阀位值。设计良好的人机界面使操作简便、直观。
3 结束语
该系统在潍坊森达美液化品库区二期工程投用至今，效果良好。本文提供了电动阀门执行器总线控制系统在本工程的应用情况，对于其他工程应根据各自的实际情况选择不同应用方案。
参考文献:
[1]扬州恒春电子有限公司。http://www.hengchun.cc/。
[2]陆德民。石油化工自动控制设计手册（第三版）[M]。北京：化学工业出版社，2000。
论文作者:邓文忠,王立业
论文发表刊物:《防护工程》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/26
标签：阀门论文; 环路论文; 控制系统论文; 现场论文; 系统论文; 执行器论文; 单元论文; 《防护工程》2018年第27期论文;