摘 要：文中介紹了基于PLC的油料儲運監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案、系統(tǒng)組成、硬件設(shè)計與軟件設(shè)計，闡述了采用Pakscan主站控制器控制的智能電動閥的特點及其與PLC的通訊方法，同時采用3級故障顯示報警系統(tǒng)提高系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：PLC; 智能電動閥; 主站控制器

Abstract: The paper introduces a design of oil storage and transportation the monitoring system of based on PLC, and what is the system made up of . Elaborates the characteristics of the dynamoelectric valve of intelligence used in the Pakscan main station controller and how to communicate with PLC. Introduce the 3 grade system of showing malfunction alarm to increase the dependability of the system at the same time.

Key words: PLC; Dynamoelectric valve of intelligence ; main station controller

可編程控制器（PLC）是以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，有很多數(shù)字量及模擬量的控制裝置，例如電機的起停，電磁閥的開閉，產(chǎn)品的計數(shù)，溫度、壓力、流量的設(shè)定與控制等，在工業(yè)現(xiàn)場中采用可編程序控制器（PLC）解決自動控制問題已成為最有效的力式之一。本文以油料儲運監(jiān)控系統(tǒng)為背景，介紹了基于PLC的油料儲運監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案、系統(tǒng)組成、控制方式與通訊網(wǎng)絡(luò)，對于推動PLC技術(shù)的應(yīng)用有一定的現(xiàn)實意義。

1 引言

油庫中油料儲存罐和輸油管道所使用的各種控制閥門是油料儲運過程中必不可少的現(xiàn)場儀表，其智能化程度的高低、所含信息的多少和對故障的診斷與容錯能力直接影響到數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和易用性。通常庫區(qū)中的控制閥數(shù)量眾多且分散，普通的控制閥所含信息量少而布線繁多，這在一定程度上使庫區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜化。該系統(tǒng)采用英國Rotork公司的智能電動閥及其主站控制器和3級故障顯示報警系統(tǒng)，大大簡化了監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜設(shè)計，而且借助其豐富的診斷信息和對故障的容錯能力，使系統(tǒng)的可靠性得以提高。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

2.1 Rotork智能閥控制設(shè)備

Rotork智能閥控制設(shè)備是一個閥門數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視與控制系統(tǒng)，它由一臺主站控制器和與它相連的現(xiàn)場電動閥組成。主站控制器通過一條兩線電流環(huán)路可以控制掛于環(huán)路上的多達240個現(xiàn)場控制閥，該電流環(huán)路可長達20 km。

現(xiàn)場電動閥的智能化程度較高，其內(nèi)部含有豐富的數(shù)據(jù)和診斷信息。但最主要的特點是多個智能閥僅通過兩線互聯(lián)成一個環(huán)路，最終接入主站控制器的只有起始和末端兩線，所有閥門信息通過兩線通訊進入主站控制器?，F(xiàn)場電動閥還具有線路故障屏蔽功能，當(dāng)環(huán)路出現(xiàn)開路、短路或接地故障時，智能閥可以將故障端的線路屏蔽掉，使主站控制器仍能與線路上的所有智能閥通訊而不受影響，同時將故障信息發(fā)給主站控制器。其兩線屏蔽原理如圖1所示。

圖1 故障屏蔽原理

正常操作情況下，通訊電流信號沿環(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(dāng)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)路與主站控制器通訊;當(dāng)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)路與主站控制器通訊。

2.2 系統(tǒng)的設(shè)計

在該系統(tǒng)中采用PLC作為控制機來完成對信號的實時采樣、脈沖量累計、狀態(tài)的判別、輸出控制等;采用微型計算機作為上位機完成采集數(shù)據(jù)信息的存儲，分析處理、狀態(tài)顯示以及打印輸出，以實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時監(jiān)控。在該系統(tǒng)中最重要的是：一方面，由PLC將采集到的各種數(shù)據(jù)準確、可靠、迅速的傳送到上位機;另一方面上位機的控制命令和調(diào)度命令必須準確無誤的下發(fā)到PLC，而完成這兩方面工作的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)通信。主站控制器是由主CPU卡、環(huán)路通訊卡、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(zé)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4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(zé)記錄通訊協(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通訊等功能。

圖2 油料儲運監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計圖

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 現(xiàn)場智能電動閥監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)的控制部分采用美國GE Fanuc公司的HBR雙重?zé)醾湫蚉LC系統(tǒng)，通過PLC控制140個智能閥（IQ actuator）的開停閉。上位監(jiān)控站可監(jiān)視各個智能閥的閥位回信狀態(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。

Pakscan IIE主站控制器與PLC之間采用Modbus協(xié)議通訊，以port 1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(dāng)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或備控制器。

由于系統(tǒng)中采用的是Modbus通訊協(xié)議，一臺PLC可以連接多臺Pakscan IIE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。

3 軟件設(shè)計

3.1 通訊程序設(shè)計

PLC選用Modbus RTU主通訊模塊（master）。Pakscan IIE主站控制器是一個遠程終端單元，做為Modbus從設(shè)備（slave）。PLC的CPU通過Modbus RTU主通訊模塊控制Pakscan IIE主站控制器的讀寫，被稱為Modbus host。系統(tǒng)采用單Modbus host兩線通訊方式，該方式最多可以連接32個Pakscan IIE主站控制器。

主通訊模塊的程序設(shè)計有3部分內(nèi)容：初始化通訊模塊;讀寫Modbus/RTU數(shù)據(jù);監(jiān)測通訊狀態(tài)。

通訊模塊的初始化工作主要是配置3個初始化控制塊的參數(shù)：Slave控制塊（SCB），信息控制塊（MCB）和通訊要求參數(shù)塊（COM_REQ）。SCB是一個15個寄存器長的數(shù)據(jù)塊，功能是定義與其通訊的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是一個6個寄存器長的數(shù)據(jù)塊，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是一個17個寄存器長的數(shù)據(jù)塊，功能是定義通訊方式、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主通訊模塊，此后RTU主通訊模塊負責(zé)與PakscanIIE主站控制器通訊，而PLC則與RTU主通訊模塊交換數(shù)據(jù)。

讀寫Modbus/RTU數(shù)據(jù)和監(jiān)測通訊狀態(tài)的編程相對簡單，只要讀寫初始化時定義的相應(yīng)的PLC參數(shù)地址即可。

3.2 監(jiān)控軟件設(shè)計

上位監(jiān)控站可以準確的監(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油管線上，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。

3.3 故障報警系統(tǒng)設(shè)計

在自動控制系統(tǒng)的設(shè)計中我們設(shè)計了3級故障顯示報警系統(tǒng)，1級設(shè)置在控制現(xiàn)場各控制柜面板，用指示燈指示設(shè)備正常運行和故障情況，當(dāng)設(shè)備正常運行時對應(yīng)指示燈亮，當(dāng)該設(shè)備運行有故障時指示燈以1Hz的頻率閃爍。為防止指示燈燈泡損壞不能正確反映設(shè)備工作情況，專門設(shè)置了故障復(fù)位/燈測試按鈕，系統(tǒng)運行任何時間持續(xù)按該按鈕3s，所有指示燈應(yīng)全部點亮，如果這時有指示等不亮說明該指示燈已壞，應(yīng)立即更換，改按鈕復(fù)位后指示燈仍按原工作狀態(tài)顯示設(shè)備工作狀態(tài)。2級故障顯示設(shè)置在中心控制室大屏幕監(jiān)視器上，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，有文字顯示故障類型，工藝流程圖上對應(yīng)的設(shè)備閃爍，歷史事件表中將記錄該故障。3級故障顯示設(shè)置在中心控制室信號箱內(nèi)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，信號箱將用聲、光報警方式提示工作人員，及時處理故障。在處理故障時，又將故障進行分類，有些故障是要求系統(tǒng)停止運行的，但有些故障對系統(tǒng)工作影響不大，系統(tǒng)可帶故障運行，故障可在運行中排除，這樣就大大減少整個系統(tǒng)停止運行時間，提高系統(tǒng)可靠性運行水平。

4 結(jié)束語

Rotork的智能閥控制設(shè)備與PLC的結(jié)合使得罐區(qū)儲運監(jiān)控系統(tǒng)布線簡潔、控制方便，PLC的冗余以及Pakscan IIE主站控制器的雙備保證了系統(tǒng)的高可靠性，也提高了控制系統(tǒng)的自動化程度。

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