智能電動閥DCS控制系統

                               上海申弘閥門有限公司

之前介紹蒸汽減壓閥的安裝方法及故障處理 ，現在介紹智能電動閥DCS控制系統石化罐區中原油儲罐和輸油管道所使用的各種控制閥不僅分散而且數量眾多，主要為大口徑閥門，采用氣動或電動執行機構，通常是通過數據采集與監視控制系統（SCADA）或DCS直接對閥門進行控制，除了開閥、關閥和急
0智能電動閥DCS控制系統 引言
石化罐區中原油儲罐和輸油管道所使用的各種控制閥不僅分散而且數量眾多，主要為大口徑閥門，采用氣動或電動執行機構，通常是通過數據采集與監視控制系統（SCADA）或DCS直接對閥門進行控制，除了開閥、關閥和急停控制外，一般還需要將閥門開度、開關狀態、遠程/就地、各種報警等閥門信息引入系統。一個閥門至少有六七個以上不同類型的參數，閥門較多的場合，不僅需要大量的電纜，而且占用較多的系統I/O卡件和通道資源。通常的概念，純監視數據可以接受通信方式來完成采集，涉及控制的參數一般不使用通信方式而采用硬接線，但近年來隨著通信功能的完善及其可靠性的進一步提高，使用通信來實現對現場儀表的控制越來越多地得到了應用。某1×106m3原油罐區采用ECS-700DCS，通過與Pakscan電動閥控制單元的Modbus通信，成功實現了DCS對大量電動閥的可靠控制。
1 系統硬件設計
1.1 DCS
ECS-700DCS按照可靠性設計原則，在充分保證系統安全可靠的基礎上，不僅使系統規模能充分滿足大型聯合生產裝置的需求，還具有故障安全設計、單點在線下載、多工程師協同工作、分域管理、離線仿真調試等特點，同時融合了的現場總線技術和網絡技術，支持Profibus，Modbus，FF，HART等多種標準現場總線的接入和多種第三方設備的綜合集成，并且與這些第三方設備的集成均可提供接口與線路的冗余配置。采用的控制網絡技術和開放性標準，高性能的微處理器和的嵌入式設計技術、軟件設計技術等。DCS和多種現場總線標準共存的實際情況，有選擇地介紹集散控制系統的結構、原理、軟件系統、通信網絡、系統組態及其工業實際應用；重點以典型的局域操作網(LON)為背景，完整介紹其核心、開發環境、現場總線產品開發以及應用實施等過程；在此基礎上，介紹FF和Profibus/PROFInet現場總線技術及其應用示例。
      容錯技術設計（包括控制器、I/O組件、電源、控制網絡和服務器的冗余和熱插拔技術）進一步提高了系統的安全性和可用性。
       將現場總線、OPC和IEC61131-3等開放性標準作為系統的核心技術設計，提供更強的開放性和系統集成性。

       基于FB-2000NS系列成熟技術的基礎上，以用戶為中心的設計指導思想，依據積累的設計和工程應用經驗，使系統設計使用更加便捷、靈活、友好。
       FB-3000 MCS提供了更可靠、更穩定的平臺，是一套適用于從小到大規模可變的控制系統，滿足用戶更廣泛的控制需求。整條生產線共設5個現場控制站和1個遠程站。整個控制系統的過程站之間以及與中控室之間的通信網絡采用TCP/IP協議的環形工業以太網，通信介質選用抗干擾能力較強的光纖；遠程站與現場控制站之間的通信選用Profibus-DP總線，通信介質選用DP電纜。中控室設4臺操作員站及1臺工程師站；水泥磨控制站因工藝需要，設2臺現場操作員站。操作員站可互為冗余使用，在操作員站上可對所有信號實現顯示、報警、控制、存儲及打印報表等功能。工程師站則主要負責系統組態和在線調試。

1.2 電動閥控制單元
電動閥控制單元由一臺主站控制器和與它相連的現場電動閥組成。主站控制器通過一條兩線電流環路（總線）控制掛于環路上的多個現場控制閥，該電流環路可長達數公里。多個電動閥僅通過兩條總線互聯成一個環路，終接入主站控制器的只有起始和末端兩總線，所有閥門信息通過兩總線通信進入主站控制器，每個現場設備都具備兩個方向上冗余的通信通道，這樣提高了線路故障時的通信可用性。Pakscan現場控制模塊可以安裝RotorkIQ，IQT，AQ，Q和A系列執行器內，而通用現場控制模塊可以連接其他廠家的設備，上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥如泵、電磁閥、電動閥等。電動閥產品適用于各行業應用的高性能數字指示操作器，可作為各種智能調節器、DCS、PLC系統及變頻器的后備手動操作器使用。完成對電動閥各種執行...
經過多年的產品升級，ZXQ系列電動閥產品適用于各行業應用的高性能數字指示操作器，可作為各種智能調節器、DCS、PLC系統及變頻器的后備手動操作器使用。完成對電動閥各種執行機構和變頻器的直接操作和反饋跟蹤，實現自動手動/狀態的無擾動，為系統的啟停、故障的處理提供方便。電動閥廣泛應用于電力、鋼鐵、石化和輕工等各行業。典型應用在與標準電流或電位器反饋的電動執行器配套使用，電動閥顯示直觀，操作方便。此定位器可接受來自上位儀表的DC4-20mA的調節信號和下位電動執行機構電位器的“三線”信號(或DC4-20mA的閥位反饋信號)，出“開”和“關”信號，實現對電動閥閥門開度的控制與調節。

1）回路接線
     DCS DO點接入電動閥門二次回路（控制開關）
     DCS DI點接入電動閥開關反饋各1點
（如果是調節閥，均為4~20mA電流控制，則使用AO/AI點）
2）DCS組態
     DCS相應回路組態，分配點類型，信號類型，量程范圍等參數。
3）HMI組態
     畫面FIX組態，制作相應畫面，連接相應DCS點。

1、電動閥控制精度：0.1%-3.0%(可調);
2、電動閥可接電動執行器反饋信號：電位器500Ω-10KΩ;
3、電動閥可接收外部控制信號(DC)：4-20mA,其它輸入信號出廠前定制);
4、電動閥可設定執行器正逆動作模態和輸入信號中斷時“中斷”模態-OPEN(開)、STOP(停)、SHUT(閉);
5、電動閥可設置是否允許電子制動;
智能型電動閥控制器的介紹
6、電動閥可控硅輸出：AC,600V，2;
7、電動閥輸出執行器位置信號：低漂移輸出4-20mADC對應執行器全閉至全開，信號*與輸入隔離(光電隔離);
8、電動閥環境溫度：0-70℃(可設定)，濕度：≤90%RH;
9、電動閥有超溫保護功能;
10、電動閥外形尺寸參考網上描述;
11、電動閥可通過按鍵自由標定輸入信號所對應執行器的動作區間(一般標定為電動執行器全閉、全開位置);
12、手動/自動無擾切換;
13、電動閥執行器堵轉檢測控制功能;
14、電動閥可設定允許改變精度或重調時間;
15、密碼鎖，防止誤操作;
16、按輸入信號和執行器轉角位置進行智能步距調整定位;
17、帶錯誤代碼指示故障原因等;
18、電動閥可擴展RS485通訊功能;
19、電動閥特殊要求可以定制。

主站控制器不斷采集來自現場控制模塊的信息，實現讀取智能閥的開度、轉矩、地址、報警等數據和狀態信息，隔離現場故障設備，并通過標準的ModbusRTU等協議與DCS通信，上送實時數據和設備運行狀態，接受閥門控制命令，實現對現場多種智能閥門和設備的控制。為了增加可靠性，采用冗余主站控制器，與DCS的通信接口和線路也是冗余配置的。在進行通信方式控制的同時，電動閥等執行器也可以使用就地控制、硬接線遠程控制及輔助輸入，大大提高了控制的可靠性和配置的靈活性。

1.3 系統硬件結構
電動閥控制單元的主站控制器安裝在現場機柜間的輔助機柜中，通過冗余的通信總線接入DCS的冗余串口通信模塊COM741基座中，實現可靠的通信。一對冗余的通信模塊有4個接口，可以通過硬件跳線配置成RS-485或RS-232通信接口，實現與多個電動閥控制單元的連接。因為ModbusRTU等協議已是廣泛應用的工業標準協議，因此在各類電動閥控制單元中均得到支持，DCS種類豐富的通信模塊可與各類支持這些標準協議的電動控制閥實現通信。該項目中罐區100多個常規信號則通過I/O模塊直接進入DCS控制站，其中硬接線與通信點數之比為1：15。系統硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構

2 系統軟件設計
2.1 通信程序編制
DCS與電動閥主站控制器采用ModbusRTU協議進行通信，在DCS實現起來非常簡單，不需要編制程序，僅填寫簡單的表格（其中大多數項選擇合適的參數即可）即可完成通信配置和程序設計。然后需根據參數類型添加若干個讀寫命令，再掃描硬件自動生成對應的內部變量，用來存放電動閥的開停閉命令和狀態參數，這樣就完成了通信組態工作。該項目中DCS作為主站，采用RS-485接口，傳輸速率為9600bit/s，8位數據位，奇校驗，1位停止位。

2.2 電動閥控制程序編制
電動閥控制單元接收并記錄從兩線環路傳來的智能閥的地址、轉矩、開度、報警等數據，根據從DCS傳來的讀寫命令控制閥門的動作，因此控制閥門的程序是在DCS中完成的，其中包括開停閉閥門邏輯及故障判斷、輸出信號類型、行程時間的設置等。使用DCS提供的閥門控制功能模塊Valve，即可實現對閥門的控制程序編制，使用起來相當方便，只需在用戶程序中對控制模塊進行引用，并對其中操作和配置參數進行初始化設置即可。同時系統還提供了Valve功能塊相對應的標準閥門操作面板，可供操作員在操作站監控軟件中使用。當然，若標準閥門面板不能滿足要求，可以自定義所需要的操作面板。圖2是閥門控制模塊Valve引用的一個實例，其中Flag是閥門控制模塊質量碼，用來在監控軟件中顯示閥門的各種狀態。

1、AC800F控制器主要特點
AC800F采用高性能32位RISC CPU。
系統執行方式采用多進程周期運行方式，任務運行周期及優先級可以組態（快為5ms），各任務內的程序均保證在組態的周期內執行完畢，從而滿足工廠不同被控對象的控制要求。
AC800F控制器用戶內存容量為8MB，系統CPU引導程序存儲到閃存中，可以實現CPU軟件升級。
AC800F控制器電源模件具備自診斷功能，外部供電或自身有故障時可以預先發出報警信號，同時將輸出保持20ms，系統運行保護程序。
AC800F控制器配置Profibus模件，符合ProfibusDP/V1標準，同時具備Master1與Master2功能，可以與現場遠程I/O及DP標準智能儀表連接，通過DP/PA耦合器與PA標準儀表連接。
系統支持配置Profibus總線冗余模件實現與現場儀表之間通信冗余。
現場過程站采用標準以態網線與操作員站及其他設備進行通信。
系統數據庫為全局，所有變量及標簽均可以系統范圍共享。
現場總線控制器為全金屬封裝，支持現場導軌安裝。
模件具備實時檢測及遠程診斷功能。

2、 S800 I/O模塊主要特點
(1) 模塊簡介
S800 I/O可以做為本地直接I/O與控制器相連，并通過光纖總線擴展。也可以以Profibus方式相連，各個層次都可以冗余配置，包括電源冗余，通信接口冗余，I/O模塊冗余。它秉承了ABB的Industrial IT工業技術。
 (2)模塊特點
S800系列I/O有兩種系列，緊湊型系列和標準型系列：緊湊型S800L I/O是一個優化的經濟型方案，用于連接現場設備并完成測量和控制的基本功能，主要用于簡單需求的應用。標準型S800 I/O用于更多的應用需求，并且支持I/O熱插拔功能。這兩種系列的I/O也可以在一個導軌上混合使用。S800 系列I/O具有以下特點：
1靈活性，大化地滿足安裝需求如小規模或大規模、戶內或戶外、墻面安裝或地面固定；
2模塊化結構，可根據用戶的需求不斷地進行擴展；
3節省成本，可幫助用戶節省硬件、電纜、安裝和維護的費用；
4高可靠性，良好的抗振性，支持熱插拔功能，并具有自診斷、冗余等特點。
3、 Profibus現場總線特點
PROFIBUS是一種簡單、堅固和可靠的現場總線系統，是目前*能夠以標準方式應用于所有領域并貫穿整個過程鏈的現場總線。實現了全數字化通信，不同廠家產品互操作；實現了真正的分布式控制(分散式控制)：可以傳送多個過程變量的同時可將儀表標識符和簡單診斷信息一并傳送，可以產生的現場儀表，多變量變送器；提高了測試精度，增強了系統的自治性。

FCS現場控制站
     大容量、功能強大的控制程序編程和I/O信號處理能力，高可靠性的設計，實現控制器、I/O單元、電源、控制網絡及I/O網絡的雙重熱備冗余和組件的熱插拔維護。
     控制器采用雙處理器，分別實現控制程序的Runtime環境和I/O掃描任務。主處理器采用支持Windows CE.NET 4.1以上的標準嵌入式主板單元。獨立的I/O掃描器支持不同的現場I/O總線。
     實時數據庫
      多達數萬個可通過網絡存取的數據變量存貯（包括上千點的I/O信號），提供開放的數據庫存取編程接口。
    IEC61131-3Runtime虛擬機
支持多達50個任務的搶占式優先級任務調度，可分配16級的優先級。任務類型分周期任務、事件響應任務和低優先級的自調度任務。周期任務的周期可達20ms，事件響應可達5ms。
    可容納數萬條IL指令的用戶程序。通過開放的實時數據庫編程接口，用戶可C/C++語言編制定制的控制程序。
    可在線裝載用戶程序，可在線更新模塊庫和應用程序。
    支持在線斷點調試、單步調試等。
    信號調理和I/O處理器的獨立。支持全隔離、半隔離和非隔離的I/O信號調理類型。
    控制網絡為冗余的雙總線、采用100MHz的高速工業以太網，正常時以負荷分攤的方式并行工作。
    支持FCS之間的網絡變量直接存取訪問。

圖2 閥門控制模塊Valve的引用實例

2.3 監控軟件制作
該項目中需要控制電動閥近200臺，每臺電動閥均有開閥、關閥、急停、開到位、關到位、過扭矩報警、綜合報警7個信號。每一幅畫面上都有大量閥門，操作界面設計的好壞將直接影響到操作效率與安全，利用DCS軟件的強大功能，閥門利用顏色的變化清晰準確地呈現出了閥門的開啟、閉合、行程、故障、報警等狀態。若對閥門進行操作，點擊閥門則會彈出閥門操作面板，來供操作員進行開停閉的閥門操作。
3 結束語
基于通信實現了DCS對大量電動閥的實時控制，使得罐區監控系統布線簡潔，大大減少了電纜和DCS部件，減少了安裝調試工作量和成本，關鍵部件和通信全環節的冗余配置又保證了系統的高可靠性；同時罐區數據直接進入DCS，既便于在中心控制室對整個罐區進行監視和控制，也為罐區數據的進一步處理和企業的信息化管理帶來了方便。該罐區投用半年以來，系統運行平穩，控制方便可靠，實踐證明基于通信實現DCS對大量電動閥的控制是可靠和令人滿意的，對大型石化罐區及電動閥應用較多的場合具有一定的參考意義。與本產品相關論文：1150度高溫蝶閥在催化裂化裝置應用