港口流量计传输方式改造

周吉旭

（海南八所港务有限责任公司，海南东方 572600）

0 引言

目前港口在用的39 台流量计采用的是脉冲信号接入PLC控制系统，组态画面上仅能显示瞬时流量和已装卸量。随着自动化水平的提高，许多生产过程都对流量计测量提出新的要求。要将流量计测量到的所有参数都传输至PLC 控制系统。现有的流量计脉冲传输方式不能满足提出的要求。因此，对流量计的信号传输方式进行改造设计才能满足要求，详细论述港口流量计传输方式的改造。

1 流量计脉冲传输方式及改造

1.1 流量计脉冲传输方式的弊端分析

脉冲信号是按一定电压幅度，在一定时间间隔连续发出的脉冲信号。一般情况下脉冲信号的边沿谐波频率高于自身频率，其快速变化的上升/下降沿会导致信号在传输过程中出现非预期的结果。由高速电路设计理论定义可知，如果脉冲信号传输长度大于信号上升或下降沿时间对应有效长度的1/6 时，就可认为信号的传输为长线传输。脉冲信号在长线传输中会出现明显传输延迟、衰减和振荡等现象，影响信号完整性。除此之外，采用脉冲信号传输进入PLC 控制系统只能显示和记录瞬时流量和本船次装船量，不能把流量计检测到的温度、压力、密度、累积流量等参数传输至PLC 控制系统上。目前码头内流量计在装卸船作业前后均需要泊位操作人员查看流量计表低累积数报给中控人员进行核对装卸量。无船作业时还需操作人员进行流量计巡检，但人员巡检做不到实时性，往往故障不能及时发现。

为了摆脱长期依赖人工，及时准确判断流量计存在的故障，确保流量计装卸计量准确。需对流量计的传输方式进行改造，将脉冲信号传输改造成RS485 信号传输，将能克服以上问题。

1.2 流量计RS485 通信设计

八所港第二装卸区目前拥有一个1 万吨级、一个5000 吨级泊位和一个50 000+2000 t 级泊位，港区内有2 套PLC 控制系统，分别位于1#中控楼、2#中控楼。2#中控楼的PLC 系统为主站，1#中控楼的PLC 系统是2#中控楼PLC 系统的从站，2 套系统之间能进行数据通信。泊位上所有工艺管线及流量计控制都集中在2#中控楼的中央控制室，两座楼的距离约600 m，1#泊位和2#泊位流量计现有脉冲信号是从1#控制楼接出去，3#泊位流量计原有的脉冲信号是从2#中控楼接出去。

此次流量计传输方式改造主要采取RS485 通信，将流量计采集到的所有计量参数传输至中控组态画面，自动生成数据报表，实现中控人员实时获取所需数据。

2 流量计RS485 通信设计方案分析

2.1 方案一

现改造项目将现场39 台质量流量计分成8 组接入MODBUS 转PROFIBUS 模块上，再通过Y-Link 将MODBUS 转PROFIBUS 模块与SIAMTIC S7-400 连接起来，然后接入PLC系统中，实现RS485 信号传输，其中新中控楼需增加一个机柜用于放置MODBUS 转PROFIBUS 模块和Y-Link。现场敷设线路时每台流量计处需增加1 个4 通防爆接线盒，经6 芯电缆连接采集压力变送器信号、连接另1 台流量计的RS485 信号线、连接原有的脉冲信号。改造的系统在传输架构上增加MODBUS 转PROFIBUS 模块、Y-Link，在现场接线上增加防爆接线盒。

MODBUS 转PROFIBUS 模块：系统中主要将采集到的流量计RS485 信号转换PROFIBUS-DP 协议，实现数据的交互。

Y-Link：是西门子产品与码头集控PLC 系统兼容，它用于将只有1 个DP 接口的远程IO 连接冗余系统，Y-Link 包含2 个IM153-2 接口，它作为冗余DP 主站系统的DP 从站，是处于下一级DP 主站系统的数据代理。

2.2 方案二

改造项目采用通信方案是串口服务器+服务器+WINCC。以太网作为主干的通信方式。现场流量计通过屏蔽双绞电缆串联，使用RS485 通信方式，将现场流量计分成8 组，分别为1#泊位1 组、2#泊位1 组、3#泊位6 组，其中1#和2#泊位的这两组接入到1#中控楼的串口服务器中。3#泊位的这6 组接入到3#泊位现场工作间的串口服务器中上。再由串口服务器转换为以太网通信方式，通过光纤接入到2#中控楼设置的服务器中，该服务器接入工业交换机与原有西门子PLC 控制系统融合为一体，进行时间数据的交互，同时将数据写入原有西门子400H 系统中，在原有的WINCC 组态画面中增加累积量、压力、温度、密度、驱动增益等参数，建立历史数据趋势，其中1#中控楼和现场泊位工作间增加2 个小型机柜用于放置串口服务器。2#中控楼设置服务器电脑及交换机。用于数据转接处理和写入S7-400 系统。中间链路通过屏蔽电缆、光纤以及网线实现数据的传输。

现场敷设线路时每台流量计处需增加1 个4 通防爆接线盒，经6 芯电缆连接采集压力变送器信号、连接另一台流量计的RS485 信号线、连接原有的脉冲信号。

连接线路后还需对流量计内参数进行设定，将波特率调好，建立RS485 通信基础。经改造的系统在传输架构上增加串口服务器、数据采集服务器，在现场接线上增加防爆接线盒。

串口服务器：串口服务器在系统中提供串口转网络功能，能够将RS485 两串口转换成TCP/IP 网络接口，实现RS485 通信的两串口与TCP/IP 网络接口的数据双向透明传输。使得串口设备能够立即具备TCP/IP 网络接口功能，连接网络进行数据通信，极大的扩展串口设备的通信距离。

数据采集服务器：它将采集到的现场数据进行整理保存在自己服务器中，打成数据包再接入PLC 控制系统中，是独立于PLC 控制系统存在的，相对于直接在原工控机上进行修改组态，它的优点是当它发生故障时，能快速锁定故障发生点，及时将故障排除，不影响控制系统正常运行。

2.3 确定最优方案

方案一从技术上分析可能存在传输滞后问题。第一：MOXA模块的MGate 模块组态在Y-Link 下，MGate 的工作原理是在MGate 中将相关的通信站点配置好以后，MGate 可以自动读取从站的数据，将数据读取上来后，自动同步到MGate 的DP 通信接口中。在相关配置完成后，西门子PLC 系统自动更新远程DP的数据，但每个Y-Link 下面所有站点的通信数据容量有限制，输入为最大244 Bytes，输出为244 Bytes。原技术方案中，通过扩展的Y-Link 模块将RS485 信号转为DP 通信接入到西门子400 冗余系统中，该方案并未考虑Y-Link 的传输字节上限要求，根据西门子技术手册，1 台Y-Link 最大传输字节为244 个。而现场一台流量计根据传输参数要求，字节数最少为20 个，原技术方案中有一台Y-Link 接入8 个MGate 模块，27 台流量计，在一个扫描周期内传输最小字节总数为540 个。所以原有配置方案可能造成数据拥堵，或者根本就无法实现数据通信等情况，对港口设备运行造成误导甚至可能造成安全事故。从经济上分析，采取这样的传输架构所需的模块元件较多且选择的必须与西门子产品兼容，价格较为昂贵。

方案二通过增加串口服务器和数据采集服务器能将现场流量计采集到的RS485 信号集中到串口服务器合成数据包。采用光缆将串口服务器的数据进行远距离传输至中控室的数据采集服务器。一台串口服务器远远满足39 台流量计传输的需要，现场和中控控制系统可进行大数据通信，极大的扩展串口设备的通信距离，满足远距离传输，不会造成数据拥堵。同时，方案二从技术上分析，所采取的传输架构简单，通信元件少，系统容易维护，安全可靠高。从经济上分析，该通信架构所需的配件在市场上容易获得，价位比较廉价，不涉及到系统兼容问题。

综上所述，最终确定方案二作为此次改造的最优方案。

2.4 经改造后的通信系统优点和存在的问题

（1）经过改造后具有以下优点：①以往需现场人员在装船作业前、后绕过管道前往流量计变送器处进行查看数据，并通过对讲系统将数据报给中控人员。改造后流量计监测到的数据直接传至中控室，不需要现场值守人员进行查看流量计表底数，解决了现场作业难题，同时节省了装船作业时间，有效避免减少人员查看、报送数据的失误；②改造前数据在传输过程存在滞后，通改造后数据传输速率变大，缩短了获得数据的时间；③改造后流量计检测到的数据直接远传至中控PLC 系统，通过获得的数据，在WCC 组态画面上进行组态，将数据的历史趋势呈现出来，能直观地反应数据的走向、记录生产过程，保存生产数据，便于对生产数据进行追溯；④系统改造后可以实现流量计自诊断，根据机械设备运行过程中产生故障代码信息判断流量计是产生了何种故障，从而判定故障发生的部位，系统提示解决故障的方法。⑤改造后可以为后续实现生产大数据平台的实现夯实基础，为公司推进智能化码头创造条件。

（2）改造后存在的问题：①现场流量计表低位数显示的数据小数点位数与中控组态显示的有出入，中控组态画面自动采取浮点数四舍五入；②现场流量计变送器流量计显示有质量总量和库存总量两个参数，而中控组态电脑只显示质量总量，数据上一对二关系容易给作业人员造成混淆；③组态画面上历史趋势数据只有坐标和曲线，但曲线始终指零。

2.5 优化存在的问题

针对组态画面自动四舍五入，采取自动清零策略。由于流量计表头显示的数值位数有限，数值变大时小数点位数就需要缩减一位，当质量总量数值未达到百万位数时对流量计进行清理可有效解决现场与中控数值不一致问题。针对组态画面的质量总量“一对二”容易混淆问题，采取对流量计参数进行设置，用流量计专用475 手操器连上HART 进行在线式对特性化参数进行设定，将现场流量计的库存总量参数隐藏。从而实现数据“一对一”有限避免数据读取错误。针对组态画面上历史趋势无数据显示，通过分析总结，发现系统改造后未对服务器里的数据更新，采取对服务器数据进行更新系统历史趋势便能直观反映生产数据曲线。

3 结语

适应信息化高速发展，必须采用先进的传输方式，才可以获得需要的参数，以便系统进行自动分析，才能确保码头作业安全。针对流量计脉冲信号传输存在的一些弊端，对其传输方式进行改造，实现在中控组态画面上实时观看到温度、压力、密度、累积量，便于调度人员即时掌握在装卸过程中温度、压力、密度参数的发生的变化，即时调整装卸工艺。