现场总线在电动阀控制中的应用

2022-09-12

随着控制系统技术的不断发展, 近年来, 越来越多的石油化工企业选择采用现场总线控制型仪表, 但是由于是新型控制理念, 在现实应用中出现了许多应用问题, 现将成功的经验总结如下:

一、现场总线电动阀控制系统概述

阿布扎比原油管线项目末站电动阀控制系统设计采用HI基金会现场总线 (31.25Kbps) 在室内与Rotork Pakscan工作站挂接, 考虑总线优点主要集中如下:

1. 电缆成本降低, 节省钱, 该装置中所选阀门执行器现场总线控制系统每个控制回路采用一根四芯带屏蔽的双绞线电缆完成通信, 共计337台电动阀, 六个控制回路。而在常规控制系统中, 接到每台阀门执行器上的控制电缆芯数依据其传输信号数量而定, 最多的可达22根。

2. 控制系统成本降低, 节省硬件设备, 由于采用总线控制方式, 上位控制系统节省了大量的I/O卡件和防浪涌保护设备。

3. 由于阀门执行器现场总线控制系统允许在10~20km的一条通信环路上接入100~250台阀门执行器, 而且在整个有效通信环路内, 不设中继站也可将信息传送到各个电动阀执行机构, 这样就大大提高了控制信息的传输量。

4. 安装调试成本降低, 接口简单, 每台电动执行机构在接线时只涉及4个接线端子。

5. 可以根据现场控制需要, 任意组态。

二、控制系统结构

该阀门执行器现场总线控制系统在结构由PakscanⅢ主机、通信环路和现场阀门执行器组成。系统结构框图如图1所示。

1. 主控站

PakscanⅢ主机的控制面板上, 配有监视环路工作状态的液晶显示器、可以通过它的键盘设置系统参数和数据, 该显示器可以显示系统运行和报警信息的指示灯。通过控制面板, 可完成系统环路波特率、现场单元地址和数据传输等参数的设置。此外, 万一主控站失控或系统工作不正常, 操作人员可使用键盘直接控制阀门执行器。而当系统遇到意外情况时, 控制面板上还有应急按钮供操作人员紧急关闭系统中最重要的阀门与管道。它可在主控站发生故障后50ms自动切换到备用主控站, 从而确保系统仍能安全可靠地运行。

2. 通信环路

一般工业现场中的阀门执行器与控制室之间传输信号所需的接线十分繁杂, 安装与维修都很困难, 费用也很高。而阀门执行器现场总线控制系统中使用的两线或三线电缆既安装简单、维修方便、易于扩展、成本低、节省费用。特别是系统中所有阀门执行器用这种电缆一台一台串接起来后形成一条闭合的环路时, 每台阀门执行器都能从环路的两个方向与主控站进行信息和数据的交换, 相当又给系统增加了一条冗余通信路径。

三、系统工作原理

系统运行期间, 除了正常的工作之外, 环路电缆不停地被扫描查询, 以确定其是否完整。若通信环路完整无损, 主控站将依过程控制的需要通过环路电缆向现场单元发送控制命令, 同时接受现场单元发回的工作状态信息。当然, 所有现场单元都已预先设置好了地址并随时准备接受命令和接受查询。一般情况下, 主控站要发数次命令。每发一次命令, 都要接收到被询址现场单元的应答一次, 否则, 系统将按环路故障进行处理。现场单元的应答时间则由现场单元的数量以及环路距离所决定。通信环路一旦断开, 在环路断点一侧的现场单元将会自动地形成各自一侧完整的环路, 继续保持主控站与所有现场单元之间的通信。图2为几种常见的环路故障, 图3和图4则分别是系统正常工作时和环路断开后两种方式的工作原理示意图。

环路断开后, 主控站首先通过端口A向与其连接的第一台现场单元发送命令, 同时接收该现场单元的应答。然后再向第二台现场单元发送命令, 同时也接收这台现场单元的应答。这样, 发送命令, 接收应答, 连接现场单元的环路一步步扩大, 直到环路断点处不能再继续下去为止。同时, 主控站也通过端口B向相反方向的现场单元发送命令并接收应答, 直到断点前的现场单元。用这种方法, 主控站不仅从环路两个方向确定了断点位置, 也确定了断点两端现场单元自行构成的返回路径, 从而保证所有现场单元与主控站之间的通信工作始终不被中断。

四、阿布扎比项目总线控制安装出现的问题

该装置共计337台电动阀, 初期设计两面控制柜, 三个回路, 回路一为收球筒区域, 回路二为消防系统, 回路三为罐区控制。投电后, 系统无法全部读出现场每台电动阀, 后将控制回路由原来的三个调整为六个, 控制室内相应增加一面盘柜, 并重新调整接线, 具体调整方法是, 现有三套工作站用于收球筒和消防回路, 后增加三套工作站用于其余三个罐区控制回路, 如下图所示, 调试后问题解决。

分析原因:主要是电缆距离太长, 单回路均超过20公里, 总线安装电缆:总线电缆类型与传送距离有一定要求, 且当我们在网络上增加设备时, 要考虑许多限制。限制一:电压限制。必须保证每台总线供电设备最小工作电压为9V。限制二:阻抗限制。总线供电的设备系统中包括电缆电阻, 由欧姆定律, 必须保证远离电源端总线上的设备得到所需的运行电压和电流。

五、现场总线安装过程中应注意

1. 现场总线设备一般具有极性, 正、负极不能接反。

2. 若本安使用必须使用专用现场总线安全栅, 本安电源及专用终端器。

3. 导线任何一点不能接地。屏蔽层支、干线相接且集中一点在控制室侧接地。

4. 总线电源不能用其它电源产品, 要求专用直流电源, 接地处理也不同, 要依据厂家要求处理。

5. 总线段上可以连接中继器、网桥、网关等通信设备, 使用方式同其它总线设备, 总线网络上任意两个设备间最多可以使用4个中继器或有源藕合器 (IEC/ISO物理层标准) , 可扩展两个设备间最大距离为9500米。网桥可用于联接不同速率的现场总线段 (H1和H2) 和/或物理层 (导线、光纤) 以形成更大的网络。网关将现场总线段连接到其它类型的通信协议上 (以太网、RS232接口) 。

6. 选择最长的总线段作为干线即终端器安装于最远线段的端点。

7. 接线盒:现场使用的总线接线盒只起物理连接作用, 不具备任何智能化, 现各公司均有定型产品。本安使用时, 其接头裸露在外, 现场环境很恶劣, 机械碰撞, 水溅均会影响其通信。因此阿布扎比现场使用的防爆接线盒将总线接线盒装于其内, 起到防水及保护作用。

8. 终端器:终端器是使用在传输线的每个末端或附近的阻抗匹配模块, 每个总线段需要二台 (而且只要二台) 终端器, 终端器防止信号失真和衰减。终端器内部实际为一个电阻 (100Ω) 与一个电容 (1MF) 串联在总线最远端的干线末端将干线正、负极相接。

9. 合理安装与配合是总线网络成功运行的最重要环节, 一定要严格执行所使用总线产品的规范和要求。