智能電動閥DCS控制系統(tǒng)

                               上海申弘閥門有限公司

之前介紹蒸汽減壓閥的安裝方法及故障處理 ，現(xiàn)在介紹智能電動閥DCS控制系統(tǒng)石化罐區(qū)中原油儲罐和輸油管道所使用的各種控制閥不僅分散而且數(shù)量眾多，主要為大口徑閥門，采用氣動或電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通常是通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）或DCS直接對閥門進(jìn)行控制，除了開閥、關(guān)閥和急
0智能電動閥DCS控制系統(tǒng) 引言
石化罐區(qū)中原油儲罐和輸油管道所使用的各種控制閥不僅分散而且數(shù)量眾多，主要為大口徑閥門，采用氣動或電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通常是通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）或DCS直接對閥門進(jìn)行控制，除了開閥、關(guān)閥和急?？刂仆?，一般還需要將閥門開度、開關(guān)狀態(tài)、遠(yuǎn)程/就地、各種報警等閥門信息引入系統(tǒng)。一個閥門至少有六七個以上不同類型的參數(shù)，閥門較多的場合，不僅需要大量的電纜，而且占用較多的系統(tǒng)I/O卡件和通道資源。通常的概念，純監(jiān)視數(shù)據(jù)可以接受通信方式來完成采集，涉及控制的參數(shù)一般不使用通信方式而采用硬接線，但近年來隨著通信功能的完善及其可靠性的進(jìn)一步提高，使用通信來實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場儀表的控制越來越多地得到了應(yīng)用。某1×106m3原油罐區(qū)采用ECS-700DCS，通過與Pakscan電動閥控制單元的Modbus通信，成功實(shí)現(xiàn)了DCS對大量電動閥的可靠控制。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1 DCS
ECS-700DCS按照可靠性設(shè)計(jì)原則，在充分保證系統(tǒng)安全可靠的基礎(chǔ)上，不僅使系統(tǒng)規(guī)模能充分滿足大型聯(lián)合生產(chǎn)裝置的需求，還具有故障安全設(shè)計(jì)、單點(diǎn)在線下載、多工程師協(xié)同工作、分域管理、離線仿真調(diào)試等特點(diǎn)，同時融合了的現(xiàn)場總線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，支持Profibus，Modbus，F(xiàn)F，HART等多種標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線的接入和多種第三方設(shè)備的綜合集成，并且與這些第三方設(shè)備的集成均可提供接口與線路的冗余配置。采用的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和開放性標(biāo)準(zhǔn)，高性能的微處理器和的嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)、軟件設(shè)計(jì)技術(shù)等。DCS和多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)共存的實(shí)際情況，有選擇地介紹集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理、軟件系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)組態(tài)及其工業(yè)實(shí)際應(yīng)用；重點(diǎn)以典型的局域操作網(wǎng)(LON)為背景，完整介紹其核心、開發(fā)環(huán)境、現(xiàn)場總線產(chǎn)品開發(fā)以及應(yīng)用實(shí)施等過程；在此基礎(chǔ)上，介紹FF和Profibus/PROFInet現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用示例。
      容錯技術(shù)設(shè)計(jì)（包括控制器、I/O組件、電源、控制網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器的冗余和熱插拔技術(shù)）進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的安全性和可用性。
       將現(xiàn)場總線、OPC和IEC61131-3等開放性標(biāo)準(zhǔn)作為系統(tǒng)的核心技術(shù)設(shè)計(jì)，提供更強(qiáng)的開放性和系統(tǒng)集成性。

       基于FB-2000NS系列成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，以用戶為中心的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，依據(jù)積累的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用更加便捷、靈活、友好。
       FB-3000 MCS提供了更可靠、更穩(wěn)定的平臺，是一套適用于從小到大規(guī)?？勺兊目刂葡到y(tǒng)，滿足用戶更廣泛的控制需求。整條生產(chǎn)線共設(shè)5個現(xiàn)場控制站和1個遠(yuǎn)程站。整個控制系統(tǒng)的過程站之間以及與中控室之間的通信網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP協(xié)議的環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)，通信介質(zhì)選用抗干擾能力較強(qiáng)的光纖；遠(yuǎn)程站與現(xiàn)場控制站之間的通信選用Profibus-DP總線，通信介質(zhì)選用DP電纜。中控室設(shè)4臺操作員站及1臺工程師站；水泥磨控制站因工藝需要，設(shè)2臺現(xiàn)場操作員站。操作員站可互為冗余使用，在操作員站上可對所有信號實(shí)現(xiàn)顯示、報警、控制、存儲及打印報表等功能。工程師站則主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)組態(tài)和在線調(diào)試。

1.2 電動閥控制單元
電動閥控制單元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（總線）控制掛于環(huán)路上的多個現(xiàn)場控制閥，該電流環(huán)路可長達(dá)數(shù)公里。多個電動閥僅通過兩條總線互聯(lián)成一個環(huán)路，終接入主站控制器的只有起始和末端兩總線，所有閥門信息通過兩總線通信進(jìn)入主站控制器，每個現(xiàn)場設(shè)備都具備兩個方向上冗余的通信通道，這樣提高了線路故障時的通信可用性。Pakscan現(xiàn)場控制模塊可以安裝RotorkIQ，IQT，AQ，Q和A系列執(zhí)行器內(nèi)，而通用現(xiàn)場控制模塊可以連接其他廠家的設(shè)備，上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥如泵、電磁閥、電動閥等。電動閥產(chǎn)品適用于各行業(yè)應(yīng)用的高性能數(shù)字指示操作器，可作為各種智能調(diào)節(jié)器、DCS、PLC系統(tǒng)及變頻器的后備手動操作器使用。完成對電動閥各種執(zhí)行...
經(jīng)過多年的產(chǎn)品升級，ZXQ系列電動閥產(chǎn)品適用于各行業(yè)應(yīng)用的高性能數(shù)字指示操作器，可作為各種智能調(diào)節(jié)器、DCS、PLC系統(tǒng)及變頻器的后備手動操作器使用。完成對電動閥各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)和變頻器的直接操作和反饋跟蹤，實(shí)現(xiàn)自動手動/狀態(tài)的無擾動，為系統(tǒng)的啟停、故障的處理提供方便。電動閥廣泛應(yīng)用于電力、鋼鐵、石化和輕工等各行業(yè)。典型應(yīng)用在與標(biāo)準(zhǔn)電流或電位器反饋的電動執(zhí)行器配套使用，電動閥顯示直觀，操作方便。此定位器可接受來自上位儀表的DC4-20mA的調(diào)節(jié)信號和下位電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)電位器的“三線”信號(或DC4-20mA的閥位反饋信號)，出“開”和“關(guān)”信號，實(shí)現(xiàn)對電動閥閥門開度的控制與調(diào)節(jié)。

1）回路接線
     DCS DO點(diǎn)接入電動閥門二次回路（控制開關(guān)）
     DCS DI點(diǎn)接入電動閥開關(guān)反饋各1點(diǎn)
（如果是調(diào)節(jié)閥，均為4~20mA電流控制，則使用AO/AI點(diǎn)）
2）DCS組態(tài)
     DCS相應(yīng)回路組態(tài)，分配點(diǎn)類型，信號類型，量程范圍等參數(shù)。
3）HMI組態(tài)
     畫面FIX組態(tài)，制作相應(yīng)畫面，連接相應(yīng)DCS點(diǎn)。

1、電動閥控制精度：0.1%-3.0%(可調(diào));
2、電動閥可接電動執(zhí)行器反饋信號：電位器500Ω-10KΩ;
3、電動閥可接收外部控制信號(DC)：4-20mA,其它輸入信號出廠前定制);
4、電動閥可設(shè)定執(zhí)行器正逆動作模態(tài)和輸入信號中斷時“中斷”模態(tài)-OPEN(開)、STOP(停)、SHUT(閉);
5、電動閥可設(shè)置是否允許電子制動;
智能型電動閥控制器的介紹
6、電動閥可控硅輸出：AC,600V，2;
7、電動閥輸出執(zhí)行器位置信號：低漂移輸出4-20mADC對應(yīng)執(zhí)行器全閉至全開，信號*與輸入隔離(光電隔離);
8、電動閥環(huán)境溫度：0-70℃(可設(shè)定)，濕度：≤90%RH;
9、電動閥有超溫保護(hù)功能;
10、電動閥外形尺寸參考網(wǎng)上描述;
11、電動閥可通過按鍵自由標(biāo)定輸入信號所對應(yīng)執(zhí)行器的動作區(qū)間(一般標(biāo)定為電動執(zhí)行器全閉、全開位置);
12、手動/自動無擾切換;
13、電動閥執(zhí)行器堵轉(zhuǎn)檢測控制功能;
14、電動閥可設(shè)定允許改變精度或重調(diào)時間;
15、密碼鎖，防止誤操作;
16、按輸入信號和執(zhí)行器轉(zhuǎn)角位置進(jìn)行智能步距調(diào)整定位;
17、帶錯誤代碼指示故障原因等;
18、電動閥可擴(kuò)展RS485通訊功能;
19、電動閥特殊要求可以定制。

主站控制器不斷采集來自現(xiàn)場控制模塊的信息，實(shí)現(xiàn)讀取智能閥的開度、轉(zhuǎn)矩、地址、報警等數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，隔離現(xiàn)場故障設(shè)備，并通過標(biāo)準(zhǔn)的ModbusRTU等協(xié)議與DCS通信，上送實(shí)時數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，接受閥門控制命令，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場多種智能閥門和設(shè)備的控制。為了增加可靠性，采用冗余主站控制器，與DCS的通信接口和線路也是冗余配置的。在進(jìn)行通信方式控制的同時，電動閥等執(zhí)行器也可以使用就地控制、硬接線遠(yuǎn)程控制及輔助輸入，大大提高了控制的可靠性和配置的靈活性。

1.3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
電動閥控制單元的主站控制器安裝在現(xiàn)場機(jī)柜間的輔助機(jī)柜中，通過冗余的通信總線接入DCS的冗余串口通信模塊COM741基座中，實(shí)現(xiàn)可靠的通信。一對冗余的通信模塊有4個接口，可以通過硬件跳線配置成RS-485或RS-232通信接口，實(shí)現(xiàn)與多個電動閥控制單元的連接。因?yàn)镸odbusRTU等協(xié)議已是廣泛應(yīng)用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，因此在各類電動閥控制單元中均得到支持，DCS種類豐富的通信模塊可與各類支持這些標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的電動控制閥實(shí)現(xiàn)通信。該項(xiàng)目中罐區(qū)100多個常規(guī)信號則通過I/O模塊直接進(jìn)入DCS控制站，其中硬接線與通信點(diǎn)數(shù)之比為1：15。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1 通信程序編制
DCS與電動閥主站控制器采用ModbusRTU協(xié)議進(jìn)行通信，在DCS實(shí)現(xiàn)起來非常簡單，不需要編制程序，僅填寫簡單的表格（其中大多數(shù)項(xiàng)選擇合適的參數(shù)即可）即可完成通信配置和程序設(shè)計(jì)。然后需根據(jù)參數(shù)類型添加若干個讀寫命令，再掃描硬件自動生成對應(yīng)的內(nèi)部變量，用來存放電動閥的開停閉命令和狀態(tài)參數(shù)，這樣就完成了通信組態(tài)工作。該項(xiàng)目中DCS作為主站，采用RS-485接口，傳輸速率為9600bit/s，8位數(shù)據(jù)位，奇校驗(yàn)，1位停止位。

2.2 電動閥控制程序編制
電動閥控制單元接收并記錄從兩線環(huán)路傳來的智能閥的地址、轉(zhuǎn)矩、開度、報警等數(shù)據(jù)，根據(jù)從DCS傳來的讀寫命令控制閥門的動作，因此控制閥門的程序是在DCS中完成的，其中包括開停閉閥門邏輯及故障判斷、輸出信號類型、行程時間的設(shè)置等。使用DCS提供的閥門控制功能模塊Valve，即可實(shí)現(xiàn)對閥門的控制程序編制，使用起來相當(dāng)方便，只需在用戶程序中對控制模塊進(jìn)行引用，并對其中操作和配置參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置即可。同時系統(tǒng)還提供了Valve功能塊相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)閥門操作面板，可供操作員在操作站監(jiān)控軟件中使用。當(dāng)然，若標(biāo)準(zhǔn)閥門面板不能滿足要求，可以自定義所需要的操作面板。圖2是閥門控制模塊Valve引用的一個實(shí)例，其中Flag是閥門控制模塊質(zhì)量碼，用來在監(jiān)控軟件中顯示閥門的各種狀態(tài)。

1、AC800F控制器主要特點(diǎn)
AC800F采用高性能32位RISC CPU。
系統(tǒng)執(zhí)行方式采用多進(jìn)程周期運(yùn)行方式，任務(wù)運(yùn)行周期及優(yōu)先級可以組態(tài)（快為5ms），各任務(wù)內(nèi)的程序均保證在組態(tài)的周期內(nèi)執(zhí)行完畢，從而滿足工廠不同被控對象的控制要求。
AC800F控制器用戶內(nèi)存容量為8MB，系統(tǒng)CPU引導(dǎo)程序存儲到閃存中，可以實(shí)現(xiàn)CPU軟件升級。
AC800F控制器電源模件具備自診斷功能，外部供電或自身有故障時可以預(yù)先發(fā)出報警信號，同時將輸出保持20ms，系統(tǒng)運(yùn)行保護(hù)程序。
AC800F控制器配置Profibus模件，符合ProfibusDP/V1標(biāo)準(zhǔn)，同時具備Master1與Master2功能，可以與現(xiàn)場遠(yuǎn)程I/O及DP標(biāo)準(zhǔn)智能儀表連接，通過DP/PA耦合器與PA標(biāo)準(zhǔn)儀表連接。
系統(tǒng)支持配置Profibus總線冗余模件實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場儀表之間通信冗余。
現(xiàn)場過程站采用標(biāo)準(zhǔn)以態(tài)網(wǎng)線與操作員站及其他設(shè)備進(jìn)行通信。
系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為全局，所有變量及標(biāo)簽均可以系統(tǒng)范圍共享。
現(xiàn)場總線控制器為全金屬封裝，支持現(xiàn)場導(dǎo)軌安裝。
模件具備實(shí)時檢測及遠(yuǎn)程診斷功能。

2、 S800 I/O模塊主要特點(diǎn)
(1) 模塊簡介
S800 I/O可以做為本地直接I/O與控制器相連，并通過光纖總線擴(kuò)展。也可以以Profibus方式相連，各個層次都可以冗余配置，包括電源冗余，通信接口冗余，I/O模塊冗余。它秉承了ABB的Industrial IT工業(yè)技術(shù)。
 (2)模塊特點(diǎn)
S800系列I/O有兩種系列，緊湊型系列和標(biāo)準(zhǔn)型系列：緊湊型S800L I/O是一個優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)型方案，用于連接現(xiàn)場設(shè)備并完成測量和控制的基本功能，主要用于簡單需求的應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)型S800 I/O用于更多的應(yīng)用需求，并且支持I/O熱插拔功能。這兩種系列的I/O也可以在一個導(dǎo)軌上混合使用。S800 系列I/O具有以下特點(diǎn)：
1靈活性，大化地滿足安裝需求如小規(guī)?；虼笠?guī)模、戶內(nèi)或戶外、墻面安裝或地面固定；
2模塊化結(jié)構(gòu)，可根據(jù)用戶的需求不斷地進(jìn)行擴(kuò)展；
3節(jié)省成本，可幫助用戶節(jié)省硬件、電纜、安裝和維護(hù)的費(fèi)用；
4高可靠性，良好的抗振性，支持熱插拔功能，并具有自診斷、冗余等特點(diǎn)。
3、 Profibus現(xiàn)場總線特點(diǎn)
PROFIBUS是一種簡單、堅(jiān)固和可靠的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，是目前*能夠以標(biāo)準(zhǔn)方式應(yīng)用于所有領(lǐng)域并貫穿整個過程鏈的現(xiàn)場總線。實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化通信，不同廠家產(chǎn)品互操作；實(shí)現(xiàn)了真正的分布式控制(分散式控制)：可以傳送多個過程變量的同時可將儀表標(biāo)識符和簡單診斷信息一并傳送，可以產(chǎn)生的現(xiàn)場儀表，多變量變送器；提高了測試精度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的自治性。

FCS現(xiàn)場控制站
     大容量、功能強(qiáng)大的控制程序編程和I/O信號處理能力，高可靠性的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)控制器、I/O單元、電源、控制網(wǎng)絡(luò)及I/O網(wǎng)絡(luò)的雙重?zé)醾淙哂嗪徒M件的熱插拔維護(hù)。
     控制器采用雙處理器，分別實(shí)現(xiàn)控制程序的Runtime環(huán)境和I/O掃描任務(wù)。主處理器采用支持Windows CE.NET 4.1以上的標(biāo)準(zhǔn)嵌入式主板單元。獨(dú)立的I/O掃描器支持不同的現(xiàn)場I/O總線。
     實(shí)時數(shù)據(jù)庫
      多達(dá)數(shù)萬個可通過網(wǎng)絡(luò)存取的數(shù)據(jù)變量存貯（包括上千點(diǎn)的I/O信號），提供開放的數(shù)據(jù)庫存取編程接口。
    IEC61131-3Runtime虛擬機(jī)
支持多達(dá)50個任務(wù)的搶占式優(yōu)先級任務(wù)調(diào)度，可分配16級的優(yōu)先級。任務(wù)類型分周期任務(wù)、事件響應(yīng)任務(wù)和低優(yōu)先級的自調(diào)度任務(wù)。周期任務(wù)的周期可達(dá)20ms，事件響應(yīng)可達(dá)5ms。
    可容納數(shù)萬條IL指令的用戶程序。通過開放的實(shí)時數(shù)據(jù)庫編程接口，用戶可C/C++語言編制定制的控制程序。
    可在線裝載用戶程序，可在線更新模塊庫和應(yīng)用程序。
    支持在線斷點(diǎn)調(diào)試、單步調(diào)試等。
    信號調(diào)理和I/O處理器的獨(dú)立。支持全隔離、半隔離和非隔離的I/O信號調(diào)理類型。
    控制網(wǎng)絡(luò)為冗余的雙總線、采用100MHz的高速工業(yè)以太網(wǎng)，正常時以負(fù)荷分?jǐn)偟姆绞讲⑿泄ぷ鳌?br />    支持FCS之間的網(wǎng)絡(luò)變量直接存取訪問。

圖2 閥門控制模塊Valve的引用實(shí)例

2.3 監(jiān)控軟件制作
該項(xiàng)目中需要控制電動閥近200臺，每臺電動閥均有開閥、關(guān)閥、急停、開到位、關(guān)到位、過扭矩報警、綜合報警7個信號。每一幅畫面上都有大量閥門，操作界面設(shè)計(jì)的好壞將直接影響到操作效率與安全，利用DCS軟件的強(qiáng)大功能，閥門利用顏色的變化清晰準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出了閥門的開啟、閉合、行程、故障、報警等狀態(tài)。若對閥門進(jìn)行操作，點(diǎn)擊閥門則會彈出閥門操作面板，來供操作員進(jìn)行開停閉的閥門操作。
3 結(jié)束語
基于通信實(shí)現(xiàn)了DCS對大量電動閥的實(shí)時控制，使得罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)布線簡潔，大大減少了電纜和DCS部件，減少了安裝調(diào)試工作量和成本，關(guān)鍵部件和通信全環(huán)節(jié)的冗余配置又保證了系統(tǒng)的高可靠性；同時罐區(qū)數(shù)據(jù)直接進(jìn)入DCS，既便于在中心控制室對整個罐區(qū)進(jìn)行監(jiān)視和控制，也為罐區(qū)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理和企業(yè)的信息化管理帶來了方便。該罐區(qū)投用半年以來，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，控制方便可靠，實(shí)踐證明基于通信實(shí)現(xiàn)DCS對大量電動閥的控制是可靠和令人滿意的，對大型石化罐區(qū)及電動閥應(yīng)用較多的場合具有一定的參考意義。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：1150度高溫蝶閥在催化裂化裝置應(yīng)用