羅托克總線控制

電動閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)及應用全球閥門網(wǎng)整理2009-7-29來源:互聯(lián)網(wǎng)直接進論壇『關(guān)閉』通信環(huán)路一旦斷開，在環(huán)路斷點一側(cè)的現(xiàn)場單元將會自動地形成各自一側(cè)完整的環(huán)路，繼續(xù)保持主控站與所有現(xiàn)場單元之間的通信。圖2為幾種常見的環(huán)路故障，圖3和圖4則分別是系統(tǒng)正常工作時和環(huán)路斷開后兩種方式的工作原理示意圖。環(huán)路斷開后，主控站首先通過端口A向與其連接的第一臺現(xiàn)場單元發(fā)送命令，同時接收該現(xiàn)場單元的應答。然后再向第二臺現(xiàn)場單元發(fā)送命令，同時也接收這臺現(xiàn)場單元的應答。這樣，發(fā)送命令，接收應答，連接現(xiàn)場單元的環(huán)路一步步擴大，直到環(huán)路斷點處不能再繼續(xù)下去為止。同時，主控站也通過端口B向相反方向的現(xiàn)場單元發(fā)送命令并接收應答，直到斷點前的現(xiàn)場單元。用這種方法，主控站不僅從環(huán)路兩個方向確定了斷點位置，也確定了斷點兩端現(xiàn)場單元自行構(gòu)成的返回路徑，從而保證所有現(xiàn)場單元與主控站之間的通信工作始終不被中斷。圖2圖2常見的環(huán)路故障現(xiàn)場單応^□As]=fs]^□A主控站規(guī)場單元[^1=—圖3系統(tǒng)正常工作原理示意圖

主控站環(huán)伺盼開主控站甥場單元1MU■-^^=二圖4環(huán)路斷開工作原理示意圖作為環(huán)路故障檢查的必要手段，主控站一般要重復進行檢查。即不斷地發(fā)出命令，接收應答。正常情況下，從端口A發(fā)出命令，端口B接收應答。1.4現(xiàn)場單元閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場單元是根據(jù)閥門執(zhí)行器的特殊要求專門設(shè)計的Smart控制器，結(jié)構(gòu)為單機架裝方式或執(zhí)行器整體方式。但不管是哪種結(jié)構(gòu)方式，它總是和閥門執(zhí)行器作為智能化或半智能化的裝置來使用的。通常，半智能化的現(xiàn)場單元僅僅是主控站的一個分散的I/O口。在系統(tǒng)中，它接受主控站的控制命令，對閥門執(zhí)行器進行一系列的操作，同時將閥門執(zhí)行器上的工作狀態(tài)和其它信息反饋給主控站，供系統(tǒng)采集、記錄、顯示和控制使用。智能化現(xiàn)場單元除可與主控站通過環(huán)路進行信息和數(shù)據(jù)通信并根據(jù)主控站命令工作外，還可單獨與閥門執(zhí)行器構(gòu)成回路，為工業(yè)過程提供閥門定位、邏輯控制、批量操作、PID調(diào)節(jié)以及多回路運行等多種能力，對位置、流量、壓力和液面進行更為豐富和精確的控制。無論是智能化還是半智能化的，也無論是架裝式還是整體式的，這些現(xiàn)場單元都具有閥門執(zhí)行器操作所需要的特殊功能，其中包括：過力矩保護。在閥門執(zhí)行器發(fā)生堵轉(zhuǎn)或出力超過限定值時，可自動地切斷動力電源停止運行。電機過熱保護。電機繞組中埋有熱敏元件，在由于超載使電機過熱時發(fā)出信號，然后由保護電路自動切斷電源使電機停轉(zhuǎn)。斷信號保護。無論是在輸入信號還是位置信號消失或超量程時，執(zhí)行器都可自動地轉(zhuǎn)入事先預置的安全工作狀態(tài)，或由閉環(huán)控制轉(zhuǎn)入開環(huán)控制。信號正常后，執(zhí)行器可自動恢復到原來的工作狀態(tài)。遙控與本機手操。通過按紐進行閥門的“開”、“關(guān)”、“停”操作和緊急關(guān)閉操作。故障顯示和報警。通過自診斷，可在萬一發(fā)生故障或工作不正常時自動發(fā)出聲光報警信號并及時顯示故障內(nèi)容。由于是在惡劣的現(xiàn)場環(huán)境條件下使用，現(xiàn)場單元均采用了高可靠性器件、表面封裝技術(shù)、堅固的雙層密封外殼、特殊的軟硬件抗干擾技術(shù)等措施來保證其能長期安全可靠地工作。1.5總線形式和通信協(xié)議在閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，維持系統(tǒng)高效而有秩序工作的是系統(tǒng)通信所使用的各種現(xiàn)場總線協(xié)議。在國際性現(xiàn)場總線標準沒有完全統(tǒng)一之前，閥門執(zhí)行器專業(yè)公司出于自身的利益，開發(fā)了各自的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)有共同之處，也有不同之處。同時，系統(tǒng)所使用的總線形式和通信協(xié)議有相同的也有不同的。盡管有各自的特點和優(yōu)點，盡管其局域網(wǎng)和標準規(guī)格不一，但無論哪種總線協(xié)議，都是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)之間進行全數(shù)字化、雙向和多站通信工作的，而且從總體上看，還都是靠軟硬件來實現(xiàn)的。上述幾種系統(tǒng)所使用的總線協(xié)議實現(xiàn)的一般方法是，較低層的具體功能和任務要求主要由硬件實現(xiàn)，而高層則主要由軟件來實現(xiàn)。2工程電現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應用陜京二線輸氣管道工程電動閥門采用Rotork公司Pakscan執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。PakscanIIE執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)系統(tǒng)特點Pakscan控制系統(tǒng)是Rotork公司于1986年在世界上首次推出的雙線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于石油天然氣儲運，石化裝置水及污水處理等行業(yè)。Pakscan雙線控制系統(tǒng)與其他的總線控制方式相比具有以下優(yōu)點：可靠性高RotorkPakscan雙線控制系統(tǒng)已有20年的使用歷史，該系統(tǒng)主工作站可熱備份（冗余）線路上一處出現(xiàn)短路和接地時，系統(tǒng)可繼續(xù)工作并發(fā)出報警。兼容性強RotorkPakscan雙線控制系統(tǒng)不僅可對Rotork執(zhí)行機構(gòu)進行控制；同時，通過GPFCU通信卡還可對其他廠家的執(zhí)行機構(gòu)和現(xiàn)場儀表進行控制。在新近建成投產(chǎn)的廣州白云機場項目中，Pakscan雙線控制系統(tǒng)在對Rotork執(zhí)行機構(gòu)進行監(jiān)控的同時，將其他液位儀和變送器等現(xiàn)場儀表的監(jiān)控信息通過雙線控制系統(tǒng)送到控制室。系統(tǒng)組成PakscanIIE雙線控制系統(tǒng)是一個以電動閥門執(zhí)行器為主的智能化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中有三個組成部分：現(xiàn)場單元、雙線回路和主工作站?，F(xiàn)場單元在一個雙線控制系統(tǒng)中，長達20km距離內(nèi)主工作站可控制240臺現(xiàn)場設(shè)備，采集現(xiàn)場執(zhí)行器的重要數(shù)字和模擬數(shù)據(jù)，掃描周期為1.89s，結(jié)點間無距離限制，無需中繼器。Pakscan現(xiàn)場單元是一塊在雙線系統(tǒng)中用于通信的袖珍卡件。作為選件，被安裝在Rotork執(zhí)行器之中，與執(zhí)行器的基本控制電路配合使用。每個現(xiàn)場單元在雙線回路中都有其唯一的地址，只對發(fā)自主工作站的正確命令作出響應。Rotork還有與Pakscan現(xiàn)場單元類似的，數(shù)據(jù)收集和控制發(fā)送單元。[可將其他廠家的變送器、電磁閥、泵和攪拌器等現(xiàn)場設(shè)備信息采集到Pakscan雙線控制系統(tǒng)中]雙線回路雙線回路與執(zhí)行器的聯(lián)接非常簡單。電纜是一條容易安裝的全屏蔽雙絞線，在所有應用中具有易安裝、易維護、低成本和高效率的優(yōu)點。雙線電纜順序地與每一執(zhí)行器接入或接出，它們起源于并返回至主工作站，形成一雙線回路。因為每臺現(xiàn)場設(shè)備都是雙向連接的，就構(gòu)成了一個冗余的通信線路。正常操作情況下，通信電流信號沿環(huán)路的一條線從主站控制器的端口A流出，經(jīng)該環(huán)路從端口B流回，此時，另一條線路是冗余的。當有一處線路發(fā)生故障時，該處故障線路被閥門屏蔽，故障線路兩邊的智能閥可通過各自的環(huán)路與主站控制器通信；當有兩處線路發(fā)生故障時，這兩處故障之間的智能閥都被屏蔽，兩處故障之外的智能閥依然可以通過兩“臂狀”環(huán)路與主站控制器通信。主工作站現(xiàn)場智能電動閥監(jiān)控系統(tǒng)主站控制器的系統(tǒng)連接圖如圖5所示。主站控制器是由主CPU卡、環(huán)路通信卡、電源、液晶顯示器和16按鈕鍵盤組成的盤裝智能儀表。它內(nèi)部有兩個固定的數(shù)據(jù)庫：一個是現(xiàn)場單元數(shù)據(jù)庫，負責接收并記錄從兩線環(huán)路傳來的智能閥的地址、轉(zhuǎn)矩、開度等數(shù)據(jù)，根據(jù)從上位機傳來的讀寫命令控制閥門的運動，該數(shù)據(jù)庫從邏輯上劃分為四個區(qū)，每個區(qū)記錄60個閥門的數(shù)據(jù)；另一個數(shù)據(jù)庫為主站控制器狀態(tài)及自診斷數(shù)據(jù)庫，負責記錄通信協(xié)議的有關(guān)狀態(tài)并向智能閥發(fā)布命令。通過主站控制器的按鍵和液晶顯示器，可以實現(xiàn)讀取智能閥的開度、轉(zhuǎn)矩、地址等數(shù)據(jù)，控制閥門的開閉，接收報警信號及與PLC通信等功能。PakscanIIEMasterStation是Rotork主站控制器中的一種，它為雙重熱備結(jié)構(gòu)，在主控制器出現(xiàn)故障時可以自動切換到熱備控制器。PakscanIIEMasterSation有一個RS-485通信口和一個RS-232通信口，它們可通過Modbus協(xié)議與PLC通信。其中RS-232通信口可以不通過PLC直接連接打印機，打印報警信號。固化于主工作站中的Pakscan軟件包提供了一套先進的、標準化的預先工程化的控制系統(tǒng)。使用主工作站的顯示器和鍵盤能對PakscanIIE雙線控制系統(tǒng)進行通信、控制等方面的組態(tài)。在需要直接操作控制的場合，可在主工作站上控制現(xiàn)場設(shè)備的“開”、“關(guān)”等。圖5現(xiàn)場智能電動閥監(jiān)控系統(tǒng)主站控制器系統(tǒng)連接圖作為雙線控制系統(tǒng)的基本現(xiàn)場設(shè)備，Rotork執(zhí)彳丁器家族中有IQ,A,AQ和Q等系列產(chǎn)品，都是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計的智能型執(zhí)行器，集聯(lián)鎖電磁閥、閥位行程開關(guān)、模擬閥位變送器等于一身。為完成不同的工作需要，只需在執(zhí)行器中更換不同功能的現(xiàn)場單元模件。有Pakscan現(xiàn)場單元、Folomatic（閥位比例控制）單元、數(shù)據(jù)記錄器單元和電流扭矩變送器單元等。2工程應用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本工程現(xiàn)場智能電動閥監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。圖6現(xiàn)場智能電動閥監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖站控系統(tǒng)采用美國AB公司的Controllogix雙重熱備型PLC系統(tǒng)，通過PLC控制總線型電動閥門（IQactuator）的開停閉。上位監(jiān)控站可監(jiān)視各個智能閥的閥位狀態(tài)、閥位值以及報警信號，并可執(zhí)行開閥、停閥和關(guān)閥操作。PakscanIIE主站控制器與站控系統(tǒng)之間采用Modbus協(xié)議通信，以Port1的RS-485接口連接。正常運行情況下，主PLC和主控制器工作，從PLC和熱備控制器分別與主PLC和主控制器保持同步。智能閥將數(shù)據(jù)傳送給主控制器，主PLC通過RS-485接口從主控制器中讀取數(shù)據(jù)，并向其發(fā)布命令，主控制器再執(zhí)行命令，驅(qū)動智能閥按命令運轉(zhuǎn)。當主PLC或主控制器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能分別自動切換到從PLC或熱備控制器。由于系統(tǒng)中采用的是Modbus通信協(xié)議，1臺PLC可以連接多臺PakscanIIE主站控制器，因此，若現(xiàn)場智能閥較多，系統(tǒng)可以很方便地擴展而且連線簡單。監(jiān)控系統(tǒng)的通信站控系統(tǒng)選用ModbusRTU主通信模塊（master）。PakscanIIE主站控制器是一個遠程終端單元，做為Modbus從設(shè)備（slave）oPLC的CPU通過ModbusRTU主通信模塊控制PakscanIIE主站控制器的讀寫，被稱為Modbushost。系統(tǒng)采用單Modbushost兩線通信方式，該方式最多可以連接32個PakscanIIE主站控制器。主通信模塊的程序設(shè)計有三部分內(nèi)容：初始化通信模塊、讀寫Modbus/RTU數(shù)據(jù)、監(jiān)測通信狀態(tài)。通信模塊的初始化工作主要是配置三個初始化控制塊的參數(shù)：Slave控制塊（SCB）、信息控制塊（MCB）和通信要求參數(shù)塊（COM_REQ）。SCB是個15個寄存器長的數(shù)據(jù)塊，功能是定義與其通信的Slave的型號、個數(shù)、狀態(tài)等參數(shù)，每一個Slave需要定義一個SCB塊。MCB是由6個寄存器長的數(shù)據(jù)塊組成，功能是定義Master要求每個Slave執(zhí)行的命令信息，包括命令類型、RTU引用地址偏移、PLC引用地址偏移、主機號等參數(shù)，每一種命令需要定義一個MCB塊。COM_REQ是由17個寄存器長的數(shù)據(jù)塊組成，功能是定義通信方式、端口控制字及監(jiān)測SCB和MCB的狀態(tài)參數(shù)等，每一端口需要定義一個COM_REQ塊。所有這些初始化參數(shù)在PLC上電或冷啟動初始化的第一個掃描周期內(nèi)加載到RTU主通信模塊，此后RTU主通信模塊負責與PakscanIIE主站控制器通信，而PLC則與RTU主通信模塊交換數(shù)據(jù)。讀寫Modbus/RTU數(shù)據(jù)和監(jiān)測通信狀態(tài)的編程相對簡單，只要讀寫初始化時定義的相應PLC參數(shù)地址即可。畫面組態(tài)上位監(jiān)控站可準確監(jiān)測和控制儲運過程的所有信息和設(shè)備。通過編程、組態(tài)、連接，形象地反映實際工藝流程、顯示動態(tài)數(shù)據(jù)，設(shè)置PID控制參數(shù)以及過程參數(shù)，并可以查看歷史趨勢、報警歷史報表等。Rotork的現(xiàn)場電動閥配置在流程的輸氣管線上，通過按鈕可以人工啟動、停止和關(guān)閉任一個閥門，并顯示任意時刻的閥門狀態(tài)和閥位值。設(shè)計良好的人機界面使操作簡便、直觀。3結(jié)束語該系統(tǒng)在陜京二線投用至今，效果良好。本文提供了電動閥門執(zhí)行器總線控制系統(tǒng)在本工程的應用情況，對于其他工程應根據(jù)各自的實際情況選擇不同應用方案煉化裝置的各個罐區(qū)管線上使用的電動閥均配備的是羅托克電動執(zhí)行機構(gòu)，這些電動頭采用的是總線連接方式，一開始，我以為這類總線和艾默生的總線連接和應用相同，隨著調(diào)試的進行，發(fā)現(xiàn)了他們的不同之處。這里所謂的總線，是指羅托克執(zhí)行機構(gòu)間擁有自己通訊協(xié)議的一種整體通訊方式，所有電動頭采用首尾串級環(huán)路鏈接，最后電纜連回PAKSCAN控制器（其實就是他的通訊控制器），這是構(gòu)成電動頭總線的基本框架，而與DCS連接又是PAKSCAN控制器通過MODBUS總線協(xié)議與上位機（FOXBORO）進行通訊，DCS通過尋址找到系統(tǒng)所需的各個信號的地址（如同一臺閥的DI、DO、AI、AO等等）寫入組態(tài)信息。在賽科，之所以不同，是因為他的DCS采用的是艾默生的DeltaV系統(tǒng)，而現(xiàn)場儀表均使用的是與其有著相同總線協(xié)議FF的儀表（ROSEMOUNT變送器，fisher智能定位器等等），故他的系統(tǒng)從控制站單元到現(xiàn)場單元就構(gòu)成了完整的具有現(xiàn)場總線通訊協(xié)議的過程控制系統(tǒng)。兩者之間除了通訊方式的不同外，連接方式也存在不同，羅托克電動頭采用環(huán)形連接，當中間斷路或故障后，兩邊還可以自由與控制器通訊，而賽科的總線采用的是星型連接這是連接方式的不同。有不同，但亦有相同點，最大的相同點（我想）因該是他們都是通過設(shè)定設(shè)備地址來進行聯(lián)系、通訊，采用數(shù)字通訊方式。同時，一樣都可以節(jié)省大量的控制電纜。隨著儀表的智能化，整個DCS系統(tǒng)的升級，使儀表在應用及維護、故障處理層面的內(nèi)容都發(fā)生了一些變化?？偩€儀表的使用，使以前對4?20mA的故障分析方式有了很大的改變，主要表現(xiàn)在：控制室與現(xiàn)場儀表間的電纜故障已經(jīng)不再是一個多發(fā)問題，以往一對一，點對點的連接形式，電纜在其中也屬于一個故障環(huán)節(jié)，而總線型系統(tǒng)如果單臺儀表出現(xiàn)故障，則可忽略主電纜故障，將故障分析的側(cè)重點全部放在儀表本體及其他環(huán)節(jié)上，如果若干臺儀表故障（在DCS內(nèi)）則又可將分析的側(cè)重點放在主電纜及通訊等環(huán)節(jié)上，這是對總線型系統(tǒng)故障分析的思維轉(zhuǎn)變。即分析回路軟故障多于分析回路物理故障。室內(nèi)的儀表回路故障分析及處理室內(nèi)回路的故障隨著中間環(huán)節(jié)的增加和新設(shè)備的使用變得多種多樣，但分析方法仍是有規(guī)律可尋。下面以較為典型的儀表回路對室內(nèi)故障的排查加以分析。AI輸入回路4-20mA模擬信號回路的故障及分析處理故障現(xiàn)象：現(xiàn)場表頭顯示60%，DCS畫面示值僅有45%，指示偏低分析：在檢查和排除現(xiàn)場儀表的故障后，問題集中在控制室內(nèi)。現(xiàn)場過來的電流信號進入安全柵的輸入端，再從輸出端通過連接電纜接入HLAI卡的FTA端子。用萬用表檢查5042的輸出信號與輸入信號是否對應，便可確定中間環(huán)節(jié)（安全柵）的工作正常與否。當進入DCS卡件的信號仍然正常時，即可確定FTA或HLAI卡件通道故障。故障處理：在明晰了回路環(huán)節(jié)，確定了故障查找方向，問題就很容易解決了。首先確認的是DCS回路。安全柵的輸出信號為2.8VDC（45%），與流程畫面顯示值對應，說明DCS回路正常。對安全柵的輸入信號進行檢查，測量值為3.4VDC（60%），輸出信號與輸入信號相差15%。由此，確定了故障點所在，即安全柵環(huán)節(jié)。更換后，顯示恢復正常事后我們對故障儀表進行檢查。發(fā)現(xiàn)該儀表的隔離變壓器T2已存在破損狀況，晶體管轉(zhuǎn)換器無法變換正確的信號電流輸出。這就是該安全柵的故障點所在在此類回路中，如果還存在如報警設(shè)定器等設(shè)備，同樣要對這些環(huán)節(jié)進行包括信號的轉(zhuǎn)換、內(nèi)部參數(shù)設(shè)置的正常與否等檢查，逐步排除疑點。現(xiàn)在，隨著集成芯片的應用，大部分的變送器都使用了智能表頭，與DCS也能夠通過數(shù)字方式進行通訊，由于大部分智能變送器在信號轉(zhuǎn)換及傳輸方式與傳統(tǒng)模擬信號（4?20mA）的不同，使故障現(xiàn)象也變得多樣化。以下是我昨天在現(xiàn)場遇到的一個故障。CONTROLSYSTEM:HONEYWELL-TDC3000transducer：HONEYWELL-ST3000STR93D-11D通訊協(xié)議：DE協(xié)議安全柵：MTL5042操作人員反映一臺液位變送器顯示正常，但經(jīng)常產(chǎn)生報警信號。進現(xiàn)場后，首先觀察了報警現(xiàn)象，報警前后顯示值并未發(fā)生改變，檢查安全柵輸出電壓為15.8~14.7vdc變化（正常電壓在17vdc左右），斷開輸出線路后電壓正常（23vdc）,由此估計室外環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障（包括電纜）。現(xiàn)場檢查表頭顯示無跳動現(xiàn)象，再檢查接線端子開路電壓為23vdc，電纜接入回路后，電壓依舊偏低，將電源與端子處兩反向二極管脫離，直接接入表頭，檢查電壓提升到17.4vdc,聯(lián)系控制室，報警現(xiàn)象消失。隨機確定造成電壓下降的原因為儀表端子二極管有擊穿現(xiàn)象導致。從廢舊表頭處更換一端子，重新接線，儀表顯示正常。想想原因，應該是因為二極管擊穿后，造成回路電壓偏低，當電壓在15.8~14.7vdc波動時，變送器可正常工作，但當電壓低于變送器最低通訊電壓時，變送器與DCS無法進行正常通訊，DCS系統(tǒng)則判斷此時回路故障，造成報警，隨著電壓的瞬間恢復，回路聯(lián)系正常，報警也恢復。這就是造成指示正常卻不斷報警的原因。一點淺見。DE協(xié)議的特點：①模擬和數(shù)字信息不能同時傳送 ②網(wǎng)絡電流值不代表測量值。電流值在4?20mA之間②網(wǎng)絡電流值不代表測量值。電流值在4?20mA之間4?20mA之間波動。在平常的生產(chǎn)過程中，經(jīng)常有同事問我，我們的儀表在現(xiàn)場都是正常的，但控制室內(nèi)就是不能正確反映工藝狀況或者無法正常的操作執(zhí)行機構(gòu)，問題會出在什么樣的地方。確實，隨著計算機技術(shù)的應用發(fā)展，在現(xiàn)代的石油化工企業(yè)中，越來越多的生產(chǎn)裝置使用了集散控制系統(tǒng)（即DCS）。與此同時，設(shè)備的更新使儀表故障點與以往使用電III型二次儀表時有了很大的不同，故障呈現(xiàn)出多樣性，使儀表維修人員在查找和排除故障時增加了難度。要正確的分析回路故障產(chǎn)生的原因，判斷故障點，不論是DCS系統(tǒng)還是傳統(tǒng)的電III型儀表回路，都應該對儀表回路的硬件的組成和連接以及回路信號的走向有清晰的了解。例如，有些DCS使用的是HONEYWELL公司的TDC3000系統(tǒng)，為適應生產(chǎn)需要與之配套使用隔離安全柵柜、繼電器柜，以及部分信號分配和轉(zhuǎn)換單元等設(shè)備這些回路的中間環(huán)節(jié)。