基于通信实现DCS对电动阀的可靠控制.pdf

过程控制实施技术 石 油 化 工 自 动 化 ，2 0 1 0 ，6 7 2 A UToM ATI ON I N PETRO CHEM I CAL I NDUSTRY 基于通信实现 DC S对电动阀的 可靠控制 吴少 国， 薛 见海 ， 吴 江 ， 邵黎勋 ， 张 清 浙江中控技术股 份有 限公 司， 杭州 3 1 0 0 5 3 摘 要 控制阀是石油储 运过程 中必不可少的现场仪表， 对其控制通常采用 硬接线方式 ， 阀门较 多的场合不仅需要 大量 电 缆 ， 而且 占用较多的控制系统资源 。某原油罐区基 于通信方式 ， 成 功实现 了 D C S对大量 电动阀 的可靠 控制 ， 取得 了满意 的效 果。主要描述 了 D C S和电动 阀控制 单元的硬件没计 ， 通信和组态软件实施 ， 以及实际应用效果 。实 践证明基于通信实 现 D C S 对 大量 电动阀的控制是可靠和令人满意 的， 对大型石化 罐区及 电动 阀应用较多的场合具有一定 的参考意义 。 关键词 通信； 集散控制系统； 电动阀； 可靠控制 中 图分 类号 TP 2 1 4 文 献 标 志 码 B 文 章 编 号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 o 0 6 0 0 7 2 0 2 O 引 言 石化罐区中原油储罐和输油管道所使用的各 种控制阀不仅分散而且数量众多， 主要为大 口径阀 门 ， 采用 气动或 电动 执行 机 构 ， 通 常 是通 过 数 据 采 集 与监视 控 制 系 统 S C AD A 或 DC S直 接 对 阀 门 进行 控制 ， 除 了开 阀 、 关 阀和急停 控制 外 ， 一 般还 需 要将 阀 门开度 、 开 关 状 态 、 远程 ／ 就 地 、 各 种 报 警 等 阀门信 息 引人 系统 。一 个 阀 门至 少有 六 七 个 以 上 不同类型的参数 ， 阀门较多的场合 ， 不仅需要大量 的 电缆 ， 而 且 占用 较 多 的 系 统 I ／ o 卡 件 和 通 道 资 源。通常的概念 ， 纯监视数据可以接受通信方式来 完成采集， 涉及控制的参数一般不使用通信方式而 采用硬接线 ， 但近年来随着通信功能的完善及其可 靠性的进一步提高 ， 使用通信来实现对现场仪表的 控 制越来 越多 地 得 到 了应 用 。某 1 1 0 m。 原 油 罐 区采 用 E C S一 7 0 0 D C S ， 通 过 与 P a k s c a n电动 阀 控 制单元的 Mo d b u s 通信 ， 成功实现 了 D C S对大量 电动阀 的可靠控 制 。 1 系统硬 件设 计 1 ． 1 DCS E C S 一 7 0 0 D C S按照可靠性设计 原则 ， 在充分 保证系统安全可靠的基础上 ， 不仅使系统规模能充 分满足大型联合生产装置的需求 ， 还具有故障安全 设 计 、 单 点 在 线 下 载 、 多 工 程 师 协 同 工 作 、 分 域 管 理 、 离线仿真调试等特点 ， 同时融合了最新 的现场 总 线 技 术 和 网 络 技 术 ， 支 持 P r o fi b u s ，Mo d b u s ， F F ，HAR T等多种国际标准现场总线 的接入和多 种第三方设备的综合集成 ， 并且与这些第三方设备 的集成 均可 提供接 口与 线路 的冗余 配置 。 1 ． 2 电动 阀控 制单 元 电动 阀控 制 单 元 由一 台主站 控 制 器和 与 它相 连的现场电动 阀组成。主站控制器通过一条两线 电流环路 总线 控 制挂 于 环 路上 的多 个 现 场控 制 阀 ， 该 电流环路 可 长达数 公里 。多个 电动 阀仅 通过 两条 总线 互联 成一个 环路 ， 最 终接 入主站 控制 器 的 只有起始和末端两总线， 所有阀门信息通过两总线 通信进入主站控制器 ， 每个现场设备都具备两个方 向上冗余的通信通道 ， 这样提高了线路故障时的通 信可 用 性。P a k s c a n现 场 控 制 模 块 可 以 安 装 Ro t o r k I Q，I QT，AQ，Q 和 A 系列 执 行 器 内 ， 而 通用现场控 制模块 可 以连接其他 厂家的设备 ， 如 泵 、 电磁 阀 、 电动 阀等 。 主站控制器不断采集来 自现场控制模块的信 息 ， 实 现读 取 智 能 阀 的开度 、 转矩 、 地 址 、 报 警 等数 据和状态信息 ， 隔离现场故 障设备 ， 并通过标准 的 Mo d b u s R TU等协议与 D C S通信 ， 上送实时数据 和设备运行状态， 接受阀门控制命令 ， 实现对现场 多种智能阀门和设备的控制。为了增加可靠性 ， 采 用冗余主站控制器 ， 与 D C S的通信接 口和线路也 是冗余配置的。在进行通信方式控制的同时， 电动 阀等执行器也可以使用就地控制 、 硬接线远程控制 及辅助输入 ， 大大提高了控制的可靠性和配置的灵 活 性 。 收稿 日期2 0 1 0 0 9 0 3 修改稿 。 作者简介吴少国 ， 现工 作于浙江 中控 技术 股份有 限公司 ， 主 要从事炼油 、 石 化行业 过程 控制系统工程设计 、 应用和技术管理工 作 ， 任高级工程师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 吴少国等． 基 于通信实现 D CS对电动阀的可靠控制 1 ． 3系统 硬件 结构 电动 阀控制单 元 的主站控制 器安装 在现场 机柜 问 的辅助 机柜 中， 通 过冗 余 的通 信总 线接 入 D C S的冗 余 串 口通 信 模 块 C OM7 4 1基 座 中， 实现 可靠 的通 信 。一 对 冗余 的通信 模块 有 4个 接 口 ， 可 以 通 过 硬 件 跳 线 配 置 成 RS一 4 8 5 或 R S 一 2 3 2通信 接 口， 实 现与 多个 电动 阀控 制 单 元 的 连 接 。 因 为 Mo d b u s RT U 等 协 议 已 是 广泛 应 用 的 工 业 标 准 协 议 ， 因 此 在 各 类 电 动 阀 控 制 单 元 中 均 得 到 支 持 ， D C S种 类 丰 富 的 通 信 模块 可与各类 支持这些 标 准协议 的电动控 制 阀 实现通信 。该项 目中罐 区 1 0 0多个 常规信 号则 通 过 i ／ o模 块直 接进入 D C S控制 站 ， 其 中硬接 线 与通 信 点 数 之 比为 11 5 。 系 统 硬 件 结 构 如 图 1所示 。 工程 师站 操作 员站 op cN务器 盥 戳 啦 、厘 遁 蟹 匦 l 幽 褴＼ 一 I 兀一 J ， I D cs 冗余控制 络 。 f ’ I D C S 控制器 冗余通 信总线 常 规 l／ O 模 块 f 串 口 通 信 模 块 蠢 站 { 其 他 现 场 仪 表 电 动 阀 l }j 电 动 阀 2 电 动 阀 图 1 系统硬 件 结构 va l v 8 3l 0 8 _l l 0 l 2系统 软件设 计 2． 1 通信 程序 编 制 D C S与 电动 阀主 站 控 制 器 采 用 Mo d b u s R T U 协议 进行通 信 ， 在 D C S实 现起 来 非 常简 单 ， 不需 要 编制程序 ， 仅填 写简单 的表格 其 中大多数项 选择合 适的参数即可 即可完成通信配置和程序设计 。然 后需 根据参数 类 型添 加若 干个 读 写命 令 ， 再 扫 描硬 件 自动生成对应的内部变量， 用来存放电动 阀的开 停 闭命 令和状态参 数 ， 这样就完 成 了通 信组态 工作 。 该项 目中D C S作为主站， 采用 R S 一 4 8 5 接 口， 传输速 率 为 9 6 0 0 b i t ／ s ， 8 位数 据位 ， 奇校验 ， 1 位停止位 。 2 ． 2 电动 阀控 制程序 编 制 电动阀控制单元接收并记录从两线环路传来 的智 能阀的地址 、 转矩 、 开度 、 报警等数据 ， 根据从 D C S传来的读写命令 控制 阀门的动作 ， 因此控制 阀门 的程 序是 在 DC S中完 成 的 ， 其 中包 括 开停 闭 阀门逻辑 及故 障判 断 、 输 出信 号 类 型 、 行 程 时 问 的 设置 等 。使 用 DC S提 供 的 阀 门控 制 功 能 模 块 Va l v e ， 即可实现对阀门的控制程序编制， 使用起来 相 当方便 ， 只需 在用 户 程 序 中对 控 制 模 块 进 行 引 用 ， 并 对其 中操 作 和 配 置 参 数 进 行 初 始 化设 置 即 可。同时系统还提供 了 Va l v e功能块相对应 的标 准阀 门操作 面板 ， 可 供操 作员在 操作 站监 控软 件 中 使用。当然 ， 若标准阀门面板不能满足要求 ， 可以 自 定义所 需要 的操作 面板。图 2是 阀 门控 制模 块 Va l v e 引用 的一个 实 例 ， 其 中 F l a g是 阀 门控 制模 块 质量码 ， 用来在监控软件中显示阀门的各种状态。 ￡ F r r 8 3 1 0 8 HS O 1 1 0 1 ．1 N l 8 3 1 0 8_HZO1一l l 0 1 ． P V r卜 r 0P NS T A OP N广 - J 开阀命令 研 8 3． 0 8毒 Z C I 1 10 1．P V r r r C L S S T A C L S r 8 3 1o8 } l10 1．IN J } A S T O P r t ￡ E S T A T E 关指 示 8 3 1 0 8 H S S 1 1 0 1 1 N 一 广F LAG DSr g - S 珊8 3l 0 8 _1 1 叭 ．V ． 一 F LAG广 p O O l 1 1 号 停止 命令 p O 0 0 6 2 号 图 2 阀 门控 制模 块 Va l v e的 引用 实例 2． 3监控 软件 制作 该项 目中需要 控制 电动 阀 近 2 0 0台 ， 每 台电动 阀均有开 阀 、 关 阀、 急停 、 开 到位 、 关 到 位 、 过扭 矩 报 警 、 综合报警 7个信号。每一幅画面上都有大量阀 门， 操作界面设计的好坏将直接影响到操作效率与 安全 ， 利用 DC S软件 的强 大功 能 ， 阀 门利用 颜 色 的 变化清晰准确地呈现出了阀门的开启、 闭合 、 行程 、 故障、 报警等状态。若对阀门进行操作 ， 点击阀门 则会弹出阀门操作面板 ， 来供操作员进行开停闭的 阀门操作 。 3 结 束语 基 于通 信实 现 了 D C S对大量 电动 阀的实 时 控 制 ， 使得罐区监控系统布线简洁， 大大减少 了电缆 和 D C S部件 ， 减少了安装调试工作量和成本 ， 关键 部 件和通 信全 环节 的冗 余 配 置 又保 证 了系 统 的 高 可靠性 ； 同时罐 区数 据直接进入 D C S ， 既便于在中 心控 制室 对整 个罐 区进行 监 视和控 制 ， 也为罐 区数 据 的进一 步处 理和 企业 的信 息化 管理带 来 了方便 。 该罐区投用半年以来 ， 系统运行平稳 ， 控制方便可 下转 第 8 1页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 侯 念忠等． 泄漏定位系统 的研究 与应用 耦合 ， 克服 两种方 法 单 独 使 用 时 的 弊端 ， 从 而形 成 一 种新 的管 道检 测 、 定 位系 统 。 在管道泄漏监测 中 ， 建立带多层前馈 的分别用来 识别输入端压力波形 、 输出端压力波形 和输差波形模 式的神经网络智能检测模型。该模型通过提取流体 流经管道不 同泄漏点和未泄漏点 时的泄漏信号特 征 ， 构造输入矩阵指导神经网络学习， 对流体管道状况进 行分类 ， 具有很 强 的容错性 ， 对 于有一 定环境 噪声 影 响的信号， 其输出波形小 ， 仍能正确分类， 具有 自学习 能力 ， 当神经 网络发 出流体管 道泄漏 报警 信号 后 ， 通 过实际检查， 若属误报警 ， 则可将当前数据存入样本 学习矩阵 ， 转入神 经 网络 自学 习程序 调整 映射 网络 ， 降低 系统 的不 确定 性 ， 有 利 于克 服 管道 中的 噪声影 响， 同时对 管道运 行状况进 行分类 识别 ， 具 有 高度 的 容错 性和精确度 ， 提 高其 对流体管道 泄漏检测 能力 。 在神经 网络智能辨识 、 诊 断功能 的基 础上 ， 系统 融人多尺度小波变换算法， 对压力和经计算的标体 流量数据 改进小 波分 析 ， 对泄 漏 、 提排 量 、 降排 量 以 及油库 内各来 油管线相互影 响时 的流量变化 趋势进 行统计 ， 加入 了程序 数据库 ， 通过 现场 流量数 据 的小 波分析确定其实 际的趋势 ， 并进 行对 比， 判断 是否为 泄漏。对输差的判断则是在标体的基础上进行换算 后进 行平均值对 比分析 ， 当输差判 断 出有泄漏 时 ， 软 件 马上进行压力 的分 析 ， 软 件 中对 泄漏 、 提 压 、 降压 以及 油库 内各来油 管线相互影 响时的压力 变化趋 势 进行 了统计 ， 加入 了程序数 据库 ， 通 过对输 差有 问题 时刻前后 时段的现场压力 数据 的小 波分析 确定其 实 际 的趋势 ， 进行对 比， 判断是 否为泄 漏 。这样 通过对 输差、 流量、 压力的综合分析来确保系统报警的准确 性， 如果不符合条件则忽略， 如果符合泄漏条件， 则 对压力 的毫秒 数 据精 确分 析 ， 找 到泄 漏点 。提 高 了 系统的检测 速 度 与 抗 干 扰 能力 和 拐 点 判 断 的准 确 性 ， 使 系统 可检测 的最小 泄漏量进 一步 降低 ， 解决 了 系统小 流量无法 报 警 的问题 ， 误报 警频 率 得 到显 著 降低 。 为 实现系统 的报警 ， 设 计报警处理 模块 ， 对 接收 到的数据采用试 探响应特性 和模 式识别 技术来 增加 定位精 度 。在接 到耦 合 判断 的报 警 标 志 以后 ， 对 本 次的报警数据进行排序、 存盘； 自动记录每次泄漏时 的曲线 特性 ， 以 区别站 内倒 阀 门、 调排 量等其 他非 泄 漏时 的工况调节 而 导致 的压 力波 动 的 曲线特 性 ， 逐 步形成一个 逼近真正 的泄漏 曲线 的数 据信 息库 。在 报警信息 到来 时 ， 该模块会 弹出报警 画 面、 显 示相应 的报警数据 ， 并打 印报 警 曲线 ， 同时 系统通 过 声 、 光 报警信号来提 示值班工人 。 2现场应用情 况 该 系统研 发成功后 ， 通 过在某输 油管道上 应用 ， 实现 了最低可检 测泄 漏量 为 l 6 L， 报警 准确 率不 小 于 9 0 、 误 报 率 不 大 于 1 0 、 定 位 误 差 不 大 于 4 - 2 5 0 m 的指标 。该系统 2 0 0 9 年在 中原 油 田 5条输 油主干线 ， 近百公里输油 管道上应用 ， 打孔数 比历史 同期下 降 3 O ， 损 油量 下 降 3 5 ． 9 ， 有效 降低 了原 油损失 ， 减少 了环境污染 。 3建 议 与结论 该 系统 采用 负压 波 与物 质 平衡 耦 合 的方 式 并 融 人 改进 的小 波分 析 技术 ， 确 定小 流量 信 号 拐 点 ， 解决 了系统小 流量 无 法 报 警 的 问题 。可广 泛 应 用 于 陆上 输油 长输 管道 的泄漏 定位 检测 领域 。 该 系统开 发智 能诊 断模块 与 神经 网络算 法 、 小 波变换算法融合 ， 使系统具备学 习能力 ， 提高了系 统 的检测 速度 、 抗 干 扰 能力 和容 错 性 ， 从 而 提 高 了 系统 的报警 准 确性 。 参考 文献 [ 1 ] 刘 涛． 管道检测系统 中的信号处理技 术研究 [ D] ． 天津 天 津大学 ， 2 0 0 7 ． E 2 ] 袁朝庆 ， 庞鑫峰． 管道 泄漏检 测技术 现状及展 望 E J ] ． 大庆石 油学院学报 ， 2 0 0 6 ， 3 0 2 7 6 7 9 ． E 3 ] 刘恩斌． 基 于 瞬态模 型 的油 气 管道泄 漏检 测[ J ] ． 天 然气 工 、 『 ， 2 00 5 ； 2 5 6 1 0 21 0 4 ． 上接 第 7 3页 靠 ， 实践证 明基 于 通 信 实 现 D C S对 大量 电动 阀 的 控制 是可靠 和令 人满 意 的 ， 对大 型石 化罐 区及 电动 阀应用 较多 的场合 具 有一定 的参 考意 义 。 参考文献 [ 1 ] 李卫成． 电动阀门执行 器现场总线控制 系统及应用E J ] ． 天然 气 与石油 ， 2 0 0 7 ， 6 2 8 3 2 ． E 2 ] 郑水成 ， 董爱娜． 油品储 运 自控 系统及 过程 仪表 的设 计 [ J ] ． 石油化工 自动化 ， 2 0 0 6 ， 6 1 1 1 3 ． E 3 ] 苏梦 ， 冯达， 陆朝荣 ， 等．基于 P L C的油料储 运监控系统 的设计与实现E J ] ． 微计算机信息 ， 2 0 0 6 ， 2 2 9 1 4 9 5 0 ． [ 4 ] 黄春燕．某原油商业储 备库设计 资料E o] ． 中国石油 华东勘 察设计研究院 ， 2 0 0 9 ． E 5 ] 浙江 中控技术股份有 限公司． E CS 一7 0 0控制 系统手册 E c] ． 浙江中控技术股份有限公 司， 2 0 1 0 ． E 6 ] 陆德民 ， 张振基 ， 黄步余 ． 石 油化工 自动控 制设 计手册E M] ． 3 版． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． E v ] 国家石油和化学工业局． S H 3 0 0 5 1 9 9 9石 油化工 自动化仪 表选型设计规范E s ] ． 北京中国石化出版社 ， 1 9 9 9 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m