中石化管道儲運公司黃島油庫使用的電動執(zhí)行機構數(shù)量多，且相對位置比較分散。在電動執(zhí)行機構更新改造項目中采用現(xiàn)場總線方式接入，利用EIM TEC2000電動執(zhí)行機構配套M124N網(wǎng)絡控制站，通過MODBUSRTU通訊協(xié)議與上位機系統(tǒng)進行通訊。相較過去傳統(tǒng)的硬接線控制方式具有控制冗余、信息量大，材料及安裝成本低、易于維護等優(yōu)點。

1、概述

　　中石化管道儲運公司黃島油庫為全國最大的原油中轉基地。儲油容量210萬立方米，承擔著青島大煉油、青島石化、黃島國家原油儲備庫以及華北地區(qū)、華東沿海和沿江煉化企業(yè)原油接卸、中轉和輸送任務，年儲運原油能力達3000余萬噸，主要生產設備有輸油泵19臺、儲油罐38座等。

　　由于油庫的工藝特點，在泵房、流量計間等處電動執(zhí)行機構數(shù)量多、分布較密集，在罐區(qū)則電動執(zhí)行機構數(shù)量少、分布分散。隨著技術的進步，總線電動執(zhí)行機構在國內大型油庫中得到了越來越多的成功應用，因此在黃島油庫罐前閥改造中采用了28臺EIM TEC2000電動執(zhí)行機構，配套1套M124N網(wǎng)絡控制站，通過MOXA MB3180網(wǎng)關與上位機進行通訊。

2、總線電動執(zhí)行機構特點

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，過程控制技術受到了人們的普遍重視，用戶對過程控制系統(tǒng)的要求也越來越高�，F(xiàn)場總線的應運而生，表明控制技術達到了一個新的水平。它不僅極大地滿足了過程控制的需要，而且還將對工業(yè)自動化儀表行業(yè)帶來一場革命。

　　除了傳統(tǒng)的儀表越來越多地采用現(xiàn)場總線外，越來越多的電動執(zhí)行機構廠家也相繼推出各自為電動執(zhí)行機構開發(fā)設計的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)，無論其系統(tǒng)結構、總線形式和通信協(xié)議如何不同，都完全實現(xiàn)了閥門或執(zhí)行器等現(xiàn)場裝置與上位機的通信和智能化，而且整個系統(tǒng)簡單、可靠、經(jīng)濟，深受用戶的歡迎。

　　現(xiàn)場總線電動執(zhí)行機構是根據(jù)用戶需要最新發(fā)展起來的現(xiàn)場控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)配置和構成靈活多變，具有很強的適用能力。它很好地解決了現(xiàn)場最常見的有關干擾噪聲、控制距離、接點容量和工作環(huán)境等方面的問題，非常具體地顯示了它在執(zhí)行機構應用領域內巨大的潛在市場和發(fā)展前景。

　　2.1、節(jié)省安裝費用

　　現(xiàn)場總線電動執(zhí)行機構由于具有良好的消噪功能，因此，它可以使用帶屏蔽的雙絞線或使用廉價的無屏蔽三線電纜進行系統(tǒng)內部的通信。這種系統(tǒng)安裝簡單，投運速度快，費用一般只有常規(guī)控制系統(tǒng)的40%左右。例如，在常規(guī)控制系統(tǒng)中，接到每臺閥門或執(zhí)行器上的電纜芯數(shù)可達六、七根、十幾根，最多的可達二十二根，而閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總路線控制系統(tǒng)中的所有閥門或執(zhí)行器的連接只需要兩根或三根電纜即可完成(除就地供電外)。

　　2.2、工程容量大

　　在單一網(wǎng)絡中可以配置254臺電動執(zhí)行機構，并且不會影響網(wǎng)絡的性能和降低網(wǎng)絡響應的時間。在不使用中繼器的條件下，相鄰的兩臺電動執(zhí)行機構能夠保證通訊時的電纜長度可以達到1500m(5000ft)。整個網(wǎng)絡的全長可以達到320km(200miles)。

　　2.3、高性能

　　總線控制方式能夠提供實時的和完整的現(xiàn)場設備自診斷信息和狀態(tài)信息，不僅提高了生產效率還減少了設備停工期。

　　現(xiàn)場總線電動執(zhí)行機構控制系統(tǒng)功能豐富、性能優(yōu)良、工作可靠，非常適合在一些特殊場合使用。即使在環(huán)境條件特別惡劣的地方，它也能發(fā)揮作用，長期安全可靠地工作。如今，各公司的閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)都已經(jīng)經(jīng)過多年現(xiàn)場運行檢驗并得到用戶的認可，成為名副其實的現(xiàn)場控制系統(tǒng)。

圖1 傳統(tǒng)電纜硬連接示意圖

　　2.4、配置齊全

　　用戶可根據(jù)過程控制的需要任意提出要求和配置，這種系統(tǒng)既能以主系統(tǒng)也能以子系統(tǒng)參與過程控制，使用時還可將閥門或執(zhí)行器等設置成智能或半智能化單元。其它諸如主控站冗余、緊急操作面板、各種信號的輸入輸出接口、多站系統(tǒng)和多任務軟件等都可以根據(jù)需要來配置。

　　2.5、接口簡單

　　在現(xiàn)場總線電動執(zhí)行機構控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)內部通信接口短距離一般采用RS232，而長距離則采用RS485。同時，各種信號的輸入輸出接口也都采用插拔連接方式。這就使得系統(tǒng)內部的接線非常簡單，僅使用一些標準的常用工具和少量的儀器便可完成。有時，甚至現(xiàn)場操作人員都能熟練地做好這些接線工作。

　　2.6、可靠性

　　對于大多數(shù)控制設備來說，總線控制方式能夠提供更高的可靠性和更便捷的連通性。

　　在網(wǎng)絡控制站和每個設備之間有兩條數(shù)據(jù)通道，互為冗余，并且電纜和物理連接冗余，通訊回路具有開路和短路保護功能，能夠有效的減少由于電纜故障和設備故障引起的停工期。

　　2.7、可擴展性

　　總線控制方式能夠僅僅使用單一的網(wǎng)絡來覆蓋整個庫區(qū)，并且網(wǎng)絡具有極好的擴展能力，可以滿足未來油庫發(fā)展的需要。

　　2.8、廉價的MODBUS協(xié)議解決方案

　　雖然各廠家現(xiàn)場總線電動執(zhí)行機構支持Foundation Fieldbus。Profibus DP.Mmodbus Plus.Modbus RTU.DeviceNet.Ethernet,Lonworks等多種協(xié)議，但對比多種總線控制協(xié)議，Modbus協(xié)議是造價最低，性能表現(xiàn)良好，支持冗余和自動切換熱備功能的總

　　線協(xié)議。因其使用較低的波特率，所以電纜的費用和RS485接口的費用要遠低于其他現(xiàn)場總線產品;同時因為單網(wǎng)支持多達254臺設備，所以它在DCS、SCADA或PLC中需要的接口數(shù)量及電纜數(shù)量相比傳統(tǒng)控制和其他總線控制要少很多。

　　通過使用Modbus RTU協(xié)議和兩線制接線方式、可以使用全部數(shù)字通訊的方式獲得現(xiàn)場設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)命令。對于電動執(zhí)行機構可以獲得：閥門開度、遠控、開足、開運行、關運行、綜合故障等設備信息。

圖2 EIM總線電動執(zhí)行機構網(wǎng)絡結構圖

3、EIM總線電動執(zhí)行機構方案簡述

　　黃鳥油庫罐前閥電動執(zhí)行機構改造共包括12個罐的罐前閥，共計28個電動執(zhí)行機構，同時預留了后續(xù)電動執(zhí)行機構改造的總線接入。網(wǎng)絡結構如圖2所示。

　　構建這套閥門控制系統(tǒng)網(wǎng)絡所使用的產品：

　　1)TEC2000系列全智能型電動執(zhí)行機構(EIM公司產品)

　　2)M124N網(wǎng)絡控制站(EIM公司產品)

　　M124N網(wǎng)絡控制站安裝在控制室內，該網(wǎng)絡控制站可以使用RS232、RS485或RS422物理接口通過MB3180網(wǎng)關接入油庫控制系統(tǒng)以太網(wǎng)，和上位機連接，并使用ModbusRTU通訊協(xié)議進行通訊，M124N網(wǎng)絡控制站和上位機之間的通訊是完全冗余的。

　　M124N網(wǎng)絡控制站和現(xiàn)場的TEC2000電動執(zhí)行機構之間的連接使用帶有屏蔽的雙絞電纜連接，并使用Modbus RTU通訊協(xié)議進行通訊，使用了串行E>Net冗余環(huán)狀網(wǎng)絡拓撲結構。

　　3.1、串行E>Net環(huán)狀網(wǎng)絡拓撲的基本特性

　　1)在網(wǎng)絡控制站和每個設備之間有兩條數(shù)據(jù)通道，互為冗余，并且電纜和物理連接冗余。

　　2)通訊回路具有開路、短路和接地故障保護功能，當發(fā)生上述故障時，不會導致電動執(zhí)行機構和控制系統(tǒng)之間的通訊失敗。

　　3)通訊距離長，相鄰設備之間的距離最長可以達到1500m(5000ft)，整個網(wǎng)絡的全長可以達到320km(200miles)。

　　4)在單一的網(wǎng)絡中可以配置最多達254臺的電動執(zhí)行機構。

　　5)使用Modbus RTU協(xié)議和兩線制接線方式，可以使用全部數(shù)字通訊的方式發(fā)送數(shù)據(jù)命令以、獲得現(xiàn)場設備的詳細狀態(tài)數(shù)據(jù)和自診斷信息。

　　M124N網(wǎng)絡控制站和現(xiàn)場的TEC2000電動執(zhí)行機構使用了串行E>Net冗余環(huán)狀網(wǎng)絡拓撲結構。現(xiàn)場的TEC2000電動執(zhí)行機構之間和M124N網(wǎng)絡控制站之間的連接使用帶有屏蔽的比絞電纜連接，并使用Modbus RTU通訊協(xié)議進行通訊。

　　M124N網(wǎng)絡控制站和上位機之間的通訊和物理連接是完全冗余的，M124N網(wǎng)絡控制站與上位機之間的連接如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡控制站與上位機連接示意圖

　　3.2、M124N網(wǎng)絡控制站的特性

　　1)M124N網(wǎng)絡控制站所連接的一個RS-485Modbus環(huán)狀網(wǎng)絡拓撲結構中可以接入124臺執(zhí)行機構。

　　2)M124N網(wǎng)絡控制站可以與上位主機方便的構成冗余或非冗余的控制網(wǎng)絡。

　　3)一個M124N網(wǎng)絡控制站中配置有兩個網(wǎng)絡控制器，二者完全冗余并且互為熱備用，M124N網(wǎng)絡控制站內的部件完全冗余(除LCD液晶屏幕外)。

　　4)M124N網(wǎng)絡控制站在網(wǎng)絡中支持對執(zhí)行機構運行Modbus功能碼07來運行Report-By-Exception(RBE)例外報告命令。M124N網(wǎng)絡控制站使用Modbus功能碼07來對執(zhí)行機構進行輪詢，如果執(zhí)行機構狀態(tài)位為“0”，則跳過RBE命令，去輪詢下一下執(zhí)行機構;

　　如果執(zhí)行機構狀態(tài)位為“0xFF”，則執(zhí)行機構運行RBE命令，該執(zhí)行機構的數(shù)據(jù)將被讀取，并存儲在M124N網(wǎng)絡控制站的數(shù)據(jù)庫中。只有執(zhí)行機構的狀態(tài)發(fā)生變化后，M124N網(wǎng)絡控制站才會使用寶貴的網(wǎng)絡時間來讀取數(shù)據(jù)和更新數(shù)據(jù)庫，所以支持使用RBE命令可以大大減少網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸量，能夠將網(wǎng)絡的效率和速度提高4-6倍。如是該執(zhí)行機構的狀態(tài)位一直為“0”，則在第200年輪詢周期時會讀取該執(zhí)行機構的數(shù)據(jù)來更新數(shù)據(jù)庫。

　　5)M124N網(wǎng)絡控制站的優(yōu)先掃描功能確保對于正在運行的執(zhí)行機構的狀態(tài)的快速更新。它對正在運行的執(zhí)行機構的狀態(tài)交替掃描，典型的更新時間是100mS。如果M124N網(wǎng)絡控制站從上位主機接受到命令并發(fā)送到現(xiàn)場執(zhí)行機構，那么這臺執(zhí)行機構將被M124N網(wǎng)絡控制站優(yōu)先掃描。優(yōu)先掃描功能能夠保證M124N網(wǎng)絡控制站和上位主機獲得執(zhí)行機構的最新狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而可以快速的更新數(shù)據(jù)庫。

　　6)一個M124N網(wǎng)絡控制站中配置有兩個網(wǎng)絡控制器完全熱備用。

　　7)通過Modbus與上位主機實時冗余的連接可以提供fail-over容錯功能，并且上位主機可以隨時對所有網(wǎng)絡控制器讀和寫入數(shù)據(jù)。

　　8)M124N網(wǎng)絡控制站可以配置與上位主機的連接為RS-232、RS-422/485、4線或2線制接線。

　　9)可以通過M124N網(wǎng)絡控制站上的LCD液晶屏幕、LED指示燈和控制鍵盤來監(jiān)視和控制網(wǎng)絡中所有的執(zhí)行機構。

　　10)M124N網(wǎng)絡控制站配置帶有背光的LCD液晶屏幕可以顯示2行x16字符，能夠顯業(yè)執(zhí)行機構機構狀態(tài)、閥門位置和報警等信息，并且所有系統(tǒng)的報警都可以顯示到LCD液晶屏幕上。

　　3.3、M124N網(wǎng)絡控制站的LCD液晶顯示視圖

　　M124N網(wǎng)絡控制站和現(xiàn)場TEC2000電動執(zhí)行機構之間的連接：

圖4

　　M124N網(wǎng)絡控制站和現(xiàn)場TEC2000電動執(zhí)行機構之間的通訊和物理連接是完全冗余的，其連接如下圖所示。

圖5

　　M124N網(wǎng)絡控制站和現(xiàn)場TEC2000電動執(zhí)行機構之間的通訊使用Modbus RTU協(xié)議。通過使用Modbus RTU協(xié)議和兩線制接線方式，可以使用全部數(shù)字通訊的方式獲得現(xiàn)場設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)命令。對于控制電動執(zhí)行機構可以獲得：閥門位置開度、控制模式、閥門極限位置、打開方向運行、關閉方向運行，過力矩和綜合故障等設備詳細信息。TEC2000電動執(zhí)行機構的Modbus帶有A口和B口兩個通訊端口，這兩個通訊口都是雙向通訊的，即可以接受信號，也可以發(fā)送信號。

　　EIM公司的產品完全支持Modbus協(xié)議中的所有功能碼，包括“Report by Exception”命令，可以在2秒種內閱讀和改變100臺電動執(zhí)行機構的狀態(tài)。在單一的E>Net環(huán)狀網(wǎng)絡中可以配置多達254臺電動執(zhí)行機構，并且不會影響網(wǎng)絡的性能和降低網(wǎng)絡響應的時間。在不使用中繼器的條件下，相鄰的兩臺電動執(zhí)行機構能夠保證通訊時的最大電纜長度可以達到1500m(5000ft)。

4、實際應用

　　在實施過程中，分別將各電動執(zhí)行機構的MODBUS節(jié)點地址一一設置，我們按1-28順序設置，與MB3180的通訊參數(shù)設置如下：波特率9600/奇偶效驗N/數(shù)據(jù)位8/停止位1。

　　下表為上位機訪問1#節(jié)點電動執(zhí)行機構所讀寫的變量地址清單

表1

　　上述數(shù)據(jù)閥位設定功能及閥位反饋顯示是以前硬接線的電動執(zhí)行機構所不具備的，操作人員可通過閥門開度的設定來調節(jié)油庫生產作業(yè)過程中進、出油罐流量，并且數(shù)據(jù)刷新速度很快，完全能滿足油庫日常生產的需要。

　　在調試過程中，我們也發(fā)現(xiàn)了總線電動執(zhí)行機構的另一個優(yōu)點：由于接線少，僅需要配置相應的節(jié)點地址，傳統(tǒng)的回路校驗工作完全不需要了，調試過程非常順利，同時也極大地降低了日后維護的工作量。

　　在后續(xù)的改造過程中，僅需要把現(xiàn)在的環(huán)形網(wǎng)絡斷開，將新的總線電動執(zhí)行機構接入目前的網(wǎng)絡中來就可以。

5、結論

　　EIM總線電動執(zhí)行機構非常適合黃島油庫罐區(qū)電動執(zhí)行機構這種應用場：數(shù)量多，相對較分散、距離遠(但每兩個執(zhí)行機構之間距離 1km)。在近一年的使用過程中，我們發(fā)現(xiàn)和原硬接線方式相比較，所采集的信息多了，增加了閥位開度控制功能，可靠性提高了，同時還可以通過網(wǎng)絡控制站直接對閥門進行操作。

　　隨著對總線電動執(zhí)行機構的了解及實際應用，我們相信總線電動執(zhí)行機構將會在油庫等場合得到越來越廣泛的應用。