浅谈阀门执行器现场总线控制系统在原油库区的应用

2011-11-04秋党旗

石油化工自动化 2011年1期

关键词：执行器环路阀门

秋党旗,姜霞,王霄

(1.中石化管道储运公司岚山站,浙江宁波 315207;2.中石化管道储运公司寿光站,山东寿光 262700;3.中石化管道储运公司黄岛油库,山东青岛 266500)

浅谈阀门执行器现场总线控制系统在原油库区的应用

秋党旗1,姜霞2,王霄3

(1.中石化管道储运公司岚山站,浙江宁波 315207;2.中石化管道储运公司寿光站,山东寿光 262700;3.中石化管道储运公司黄岛油库,山东青岛 266500)

随着大型原油储备库的建设,场区面积的增大和管理人员的减少促使各种现场设备大量采用总线控制,尤其对于极其分散的库区所用的各种阀门,更需要采用维护量低、操作简单的现场总线控制系统。详细介绍了阀门执行器现场总线控制系统的特点、结构、总线形式和通信协议,通过某原油商业储备库建设及使用期间现场总线控制与常规控制的实际效果对比,突出体现了总线控制技术在工程建设及生产运行中的巨大优势。针对使用过程中的常见问题进行了原因分析,提出了可行的解决方案。

大型油库;阀门执行器;现场总线控制系统;通信时延;干扰

0 引言

随着国家石油战略储备的实施,大型和特大型的原油储备库陆续开工建设或投产,这些油库库区面积巨大而操作人员却较少,所以,设备简单易操作、维护方便成为最基本的要求。2008年年底投产的某石油商业储备库在设计上就对多而分散的电动阀门采用了执行器现场总线控制,经过一年多的实际运行,总线控制的优越性得到了极大的体现。

1 系统结构

不同的阀门执行器现场总线控制系统在结构上基本相同。一般由主控站(又称阀门控制器)、通信环路和现场单元(阀门的电动执行机构)组成。

1.1 主控站

主控站一般采用工业PC机,利用其键盘和显示器对系统的操作和工作状态进行控制和监视。Limitorque公司的MASTER STATION II阀门控制器的显示与操作控制、参数设定、冗余设备等都集成在一个带液晶面板的机箱中,通过液晶面板可轻易地完成系统环路波特率、现场单元地址、数据传输、环路状态、故障状况等参数的设置与查看,可直接对每台阀门进行操作。同时可采用 RS-232,RS-422,RS-485接口与各种DCS进行通信,进行二次组态和远程网络控制。一般采用冗余控制系统,当主控站发生故障后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 通信环路

阀门执行器现场总线控制系统中使用的是两线或三线电缆,系统中所有阀门或执行器用这种电缆串接后形成一条闭合的环路,每台阀门或执行器都能从环路的两个方向与主控站进行信息和数据的交换,相当于又给系统增加了一条冗余通信路径。

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决定。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。

1.3 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Smart控制器,结构为单机架装方式或执行器整体方式,通常为智能化或半智能化的装置。半智能化的现场单元仅仅是主控站的一个分散的 I/O口,在系统中它接受主控站的控制命令,对阀门或执行器进行一系列的操作,同时将阀门或执行器上的工作状态和其他信息反馈给主控站,供系统采集、记录、显示和控制使用。在目前的油库使用中,大多采用的是这一种。一般都具有过力矩保护、电机过热保护、断信号保护、遥控与本机手操、故障显示和报警等主要功能。

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。

2 总线形式和通信协议

在国际性现场总线标准没有完全统一之前,阀门或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。协议实现中,较低层的具体功能和任务要求由硬件实现,高层由软件实现。该商储库使用的Limitorque DDC 100TM系统使用的总线技术是 Inter公司的BITBUS(位总线)。BITBUS是为单片机在分布式控制系统中进行通信而设计的一种串行总线结构,为四层结构:物理层、链路层、消息层和应用层。通信的物理层符合EIA一RS-485标准,传送介质采用双绞线,符合IBM SDLC(同步数据链路控制)协议,不经中继器的最大传输距离为 1.2 km[2]。它不仅在 DDC-100TM系统中与环路上自家的装置兼容,通过专用接口,还可与 Honeywell Foxboro Taylor,ABB等其他公司的DCS和 PLC兼容。另外一些常见的Keystone公司的 KEYDIG系统采用的是ValvBus总线。它的通信是通过RS-232、RS-485标准接口和ModBus或Ascll协议完成的。Rotork公司的Pakscan IIE系统使用的是ModBus总线协议。此外还有一些厂家采用了HART和FF总线协议[3]。

3 系统特点

阀门执行器现场总线控制系统的配置和构成灵活多变,适用能力强,很好地解决了现场最常见的干扰噪声、控制距离、接点容量和工作环境等方面的问题。

3.1 节省施工费用和进度

阀门执行器现场总线控制系统具有良好的消噪功能,可以使用带屏蔽的双绞线进行系统内部的通信。该系统安装简单,投运速度快,费用约为常规控制系统的40%。在整个控制系统调试中,可由电动装置厂家和系统集成商依据接口协议完成各自部分就可实现通信,阀门执行器现场总线承担了较多控制,相应减轻了中心控制室的负担,在系统总体测试中可节约大量时间。

3.2 系统增减设备简便

系统采用总线方式环形连接,理论上可在数公里的范围内连接百台设备,可不设中继站,不限制接入环路内阀门或执行器等装置之间的距离。这样当库区改造中增加设备时,可直接将其接入控制环中,主线路不需要进行任何改动,只需进行软件的改动,成本低,施工周期短。

3.3 工作原理

阀门执行器现场总线控制系统采用环形控制回路,通信环路一旦断开,在环路断点一侧的现场单元将会自动形成一个完整的环路,继续保持主控站与所有现场单元之间的通信。图1是系统正常工作时和环路断开后两种方式的工作原理示意图。

图1 正常工作时和环路断开后工作原理

环路断开后,主控站首先通过端口 A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。与此同时,主控站也通过端口B向相反方向的现场单元发送命令并接收应答,直至断点前的现场单元。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未中断。

3.4 日常维护简便

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RS-485。同时,各种信号的输入输出接口都采用插拔连接方式,这就使得系统内部的接线非常简单,使用一些标准的常用工具和少量的仪器便可完成。这对维护人员少、设备多、分散广的大型输油站库带来极大的便利。

4 存在的问题

4.1 系统时延过长

从油库的管理方便考虑,该商储库在设计上进行分区管理,设6个总线控制单元,分布在2个库区的4个数据采集站中,分别用于控制不同的罐组、泵房、计量间阀门,阀门状态信号通过通信环路进入阀门主控站,然后通过RS-485接口进入控制模块,经过PLC处理后进入局域网连接到中心控制室的工作站电脑。经统计,一般现场动作到工作站显示变化的延迟时间在3～10 s之间,其中罐组阀门和计量间阀门对控制时间要求不高,所以,问题主要集中在泵区阀门控制上。

输油泵启泵控制逻辑:开泵进口阀门—启泵—开泵出口调节阀,因信号时延过长,经常造成泵出口阀延迟开启造成憋压,或泵出口阀门开度超量过大;同样,停泵逻辑:全关泵出口调节阀—停泵,如果时延过长,会造成泵的憋压运行,危害较大。为解决此问题,短期采用人工现场干预控制,取消逻辑启泵程序。建议采用总线控制的系统,对重要的关键控制点采用传统硬线连接,因此可对输油泵出口电动阀门单独进行改造,可有效解决时延的问题。

4.2 总线系统的抗干扰问题

油库投产后陆续发现输油泵区的部分阀门出现状态错误、地址丢失等问题,后期逐渐严重,经过仪器测量,发现控制环路中存在较大的脉冲干扰信号,作用于数字信号会造成误信号。

在环境复杂的工业现场,虽然总线系统的抗干扰能力强,但变频器、电机启动的强电磁辐射、过程通道干扰、不合理的布线等都会造成总线系统的干扰,经过对重点环节的检查,发现问题主要出现在现场与阀门控制器之间的地沟电缆上。解决办法:合理布线,在控制电缆与动力电缆交叉处采用金属板屏蔽隔离;控制电缆的地线单点接地,即一端接地可防止形成地环回路;数字地与模拟地彻底分开,两者分别与电源地线相连,并适当加粗地线[4],可有效提高系统的抗干扰能力。