基于现场总线的电动执行机构应用实例

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中交第四航务工程勘察设计院 作者:蔡世基

  随着对过程控制系统安全性要求的不断提高,现场总线控制方案正逐渐取代传统控制方案,成为越来越多工程的常规控制手段之一。作为重要控制终端之一的电动执行机构也要不断适应现场总线技术变化的需求。文章通过一工程实例,概述如何选取适合项目的现场总线方案,保证系统安全、可靠、高效运行。

1、现场总线简介

  计算机及其网络技术的不断发展给自动控制领域带来了巨大进步。现场总线概念于1982年首先由欧洲提出,到1999年国际电工委员会制定出了IEC61158现场总线国际标准。现场总线控制技术是当前控制领域里发展十分迅速并逐渐成熟的一门技术,它使用全数字化的传输技术取代传统现场仪表一对一的4~20mA电流信号连接技术,给自动控制技术带来了全新的观念,其发展的结果必将是取代DCS系统孤立、开放程度低的现状,建立起不依赖任何厂商的开放式控制系统,并建立统一的工厂底层信息网络,任何遵守相同标准的不同厂家生产的设备均可即插即用并与之连接进行信息交换和操作,实现完全的分散式控制系统。根据IEC61158标准,有8种类型的现场总线成为国际标准现场总线。Profibus、DeviceNet、FoundationFieldbus等都是符合国际标准的主流现场总线。

2、电动执行机构上应用现场总线的优势

  石油化工行业的过程控制是连续的,电动执行机构的作用是将各种标准控制信号,如开、关、停信号及阀门开度模拟量信号(0/4~20mA,0~10V,0~5V等)和数字量信号,转化成相应的输出动作位移。现场总线控制系统在接收到传感器的流量或压力或温度信号后,根据工艺要求,电动执行机构接收到联锁指令及位置信号后,经功率控制模块或伺服放大模块驱动电动执行机构运行走到相应位置,电动执行机构在整个控制系统中起着举足轻重的作用,它的好坏,将直接影响着过程控制工业生产的质量、安全、环境保护、能源消耗等。

  由于电动执行机构具有多个控制输入/输出信号,需要约7~14根控制线才能将执行机构的参数传递到控制系统的控制模板上。而采用现场总线,一个环路中的所有执行器被一根屏蔽双绞线串联起来,所有控制及反馈信息均通过这根双绞线进行传输,完全取代传统的多芯电缆。当需要增加执行器时,只需一根双绞线和上级控制装置的一个串口,并不需要对每个执行器都单独增加多芯电缆,更不需要增加系统大量的I/O接口,可大大节约投资。

  采用现场总线的执行机构具有双向通讯功能,操作人员在控制室既可对现场执行机构进行标定、参数设置、功能组态,还可在线监测装置的工作情况、运行故障诊断和事故预测、实施状态维修,可以最大限度地缩短检修时间,提高检修质量,降低检修费用。当出现一些在现场无法解决的难题时,还可以通过总线接口来进行远程通信实施远程技术支持,不再需要像过去一定要到现场去。由于执行机构时刻处于被监控状态,因此使用和维护十分方便。

  此外,现场总线输出为数字信号,比起传统模拟式传输,不仅减少了信号在传输过程中的失真,且增加了抗干扰能力,传输信号稳定、可靠。

3、工程实例概况

  中油惠印石化仓储基地为中国石油天然气股份有限公司广东销售分公司在广东惠州市大亚湾经济技术开发区的一级成品油商业储备库,主要功能是为中国石油成品油销售提供仓储。项目新建共6台30,000m3/罐的成品油储罐,已于2011年春节前通过整体验收。

  该项目采用双重热备PLC系统,CPU、电源、通讯模块等1∶1冗余。项目现场一期共使用电动闸阀46台,以后将扩展到72台。考虑到安装维护及日后扩展的便捷性,选择带现场总线的智能电动执行机构。

4、总线方案选取

  实例项目选取某国外知名品牌的智能型电动执行机构。该产品默认拓扑结构通过执行机构控制器(MasterStation)运行内部总线协议并组建双线环网结构,以RS485(Modbus协议)接口与PLC通讯(见图1)。该结构下所有执行机构通过2根2芯屏蔽双绞线为媒介串接成环形,且双线环网具有双向传输通讯特性,即总线信号可经控制器A端口发出,按执行机构物理连接顺序1#,2#,...N-1#,N#巡检,再由B端口接收;也可以反向由B端口发出,按顺序N#,N-1#,...2#,1#巡检,由A端口接收。当控制环路中某一执行机构故障时,故障点从控制链路上自动脱离,控制器信号可同时从A端口及B端口发出,保证控制链路在不受故障影响下继续运行;当故障阀门维护完毕可重新挂上网络,系统恢复常态运行。

  然而,此拓扑结构需要额外增加执行机构控制器(MasterStation),且控制器没有备用接口连接PLC冗余通讯模块,没有充分利用双重热备系统的冗余性。要达到完全冗余则需要增加两套MasterStation,将大大增加项目成本。

  现场总线相对于整个电动执行机构来讲是一个部件,即通讯接口卡。不同的现场总线要采用不同的通讯控制卡,如果是Modbus或Profibus现场总线,就必须分别采用能够与Modbus或Profibus总线进行通讯的通讯卡,不同的现场总线由于标准不同,不能相互兼容。在使用过程中,只有具有遵循同一总线要求的设备才能相互通讯。

  Profibus系统有三种总线拓扑结构:RS485(Profibus-DP)连接、符合IEC1158-2(Profibus-PA)连接、以及光纤连接。RS485连接是一个两端有有源终端的线性拓扑结构,称为RS485总线段,用于设备级控制系统与分散式I/O的通信,分主、从站结构。主站向从站以令牌传递方式访问,通讯距离100~1200m,传输速率介于9.6kbit/s~12Mbit/s。两个总线站之间的最大传输距离与设定速率有关。Profibus-PA为底层通讯协议,专为自动化过程而设,可连接现场各传感器、变送器等。Profibus-PA具有树状、链状、星形、点对点等多种拓扑结构,传输速率为31.25kbit/s。特殊情况下,Profibus还可以选择采用光纤连接的拓扑结构。

双线环网拓扑结构

图1 双线环网拓扑结构

  结合实例项目现场情况,各电动阀之间距离不超过200m,且最近点与控制室距离不超过150m。每个电动执行机构可通过加装总线通讯板使之等同于一个从站结构,系统可通过PLC作主站,向各从站发出巡检信号,且此方案比增加执行机构控制器(MasterStation)更经济,也不会增加施工难度。因此设计最终放弃选择增加执行机构控制器并组建双线环网的方案,改而选择Profibus-DP结构。

  Profibus-DP网络冗余性能(见表1)将直接影响该网络的安全性、可靠性以及日后维护的便捷性。考虑到项目使用双重热备型PLC系统,结合储备油库的战略定位,设计最终选择采用方案4的双总线冗余结构,即执行机构使用冗余通讯卡与PLC端作冗余连接。并将传输速率设定为1.5Mbit/s。

基于现场总线的电动执行机构应用实例

5、双总线方案描述

  双总线回路与执行机构的联接方式见图2。电动执行机构的冗余通讯接口卡安装后挂于Profibus-DP网络上,每个执行机构在总线中都获分配唯一地址,对PLC发出的控制信号做出响应。通讯电缆可采用专用总线电缆或全屏蔽双绞线,在所有应用中具有易安装、易维护、低成本和高效率的优点。总线A与总线B分别从互相冗余的主PLCA和从PLCB的通讯模块中引出,两路总线电缆分别按物理连接顺序与每一执行机构串接,最终止于总线终端电阻。形成一对平行的双总线回路。因为每台现场设备都是同时连接两条通讯回路,由此构成了一个冗余的通信线路。

双总线冗余网络拓扑结构

图2 双总线冗余网络拓扑结构

  正常工作时,设定其中一PLC为主处理器和主热备通讯模块,另一PLC为从处理器和从热备通讯模块,并保持与主处理器的实时同步。总线信号沿工作链路的通讯模块端口传输,当有一处线路或执行机构发生故障时,系统巡检异常并通知主处理器故障位置,使该处故障线路从系统上脱离,同时系统将自动切换至热备处理器工作,使总线信号沿另一链路传输,此时主、从处理器互换,故障所在链路切换为从处理链路,从而实现可靠的冗余功能。当故障修复后设备重新挂上系统,重新开启热备功能。

  当主处理器发生故障时,监视处理器工作状态的主热备通讯模块迅速将自己的内部接点断开,而从热备通讯模块迅速闭合自己的内部接点,从而完成移交对网络和I/O框架控制权的过程,使原来的从处理器和从热备通讯模块转变为主处理器和主热备通讯模块。当处理器故障修复后重新挂上系统,并成为从处理器继续工作。

6、结束语

  随着各种过程控制要求的不断提高,作为用于过程控制的电动执行机构也要能够不断适应这种情况。只有不断适应现场总线控制系统FCS(FieldbusControlSystem)的要求,电动执行机构才能更好地发挥其应有的优势。

参考文献

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