采用PLC和Modbus通讯协议实现油罐区储运监控系统的设计
1、引言
油库中油料储存罐和输油管道所使用的各种控制阀门是油料储运过程中必不可少的现场仪表，其智能化程度的高低、所含信息的多少和对故障的诊断与容错能力直接影响到数据采集与监控系统的可靠性、稳定性和易用性。通常库区中的控制阀数量众多且分散，普通的控制阀所含信息量少而布线繁多，这在一定程度上使库区监控系统的设计复杂化。该系统采用英国rotork公司的智能电动阀及其主站控制器和3级故障显示报警系统，大大简化了监控系统的复杂设计，而且借助其丰富的诊断信息和对故障的容错能力，使系统的可靠性得以提高。
2、监控系统的硬件实现
2.1 rotork智能阀控制设备
rotork智能阀控制设备是一个阀门数据采集、监视与控制系统，它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可以控制挂于环路上的多达240个现场控制阀，该电流环路可长达20km。
现场电动阀的智能化程度较高，其内部含有丰富的数据和诊断信息。但最主要的特点是多个智能阀仅通过两线互联成一个环路，最终接入主站控制器的只有起始和末端两线，所有阀门信息通过两线通讯进入主站控制器。现场电动阀还具有线路故障屏蔽功能，当环路出现开路、短路或接地故障时，智能阀可以将故障端的线路屏蔽掉，使主站控制器仍能与线路上的所有智能阀通讯而不受影响，同时将故障信息发给主站控制器。其两线屏蔽原理如图1所示。
图1 故障屏蔽原理
正常操作情况下，通讯电流信号沿环路的一条线从主站控制器的端口a流出，经该环路从端口b流回。此时，另一条线路是冗余的。当有一处线路发生故障时，该处故障线路被阀门屏蔽，故障线路两边的智能阀可通过各自的环路与主站控制器通讯;当有两处线路发生故障时，这两处故障之间的智能阀都被屏蔽，两处故障之外的智能阀依然可以通过两“臂状”环路与主站控制器通讯。
2.2 系统的设计
在该系统中采用plc作为控制机来完成对信号的实时采样、脉冲量累计、状态的判别、输出控制等;采用微型计算机作为上位机完成采集数据信息的存储，分析处理、状态显示以及打印输出，以实现对系统的实时监控。在该系统中最重要的是：一方面，由plc将采集到的各种数据准确、可靠、迅速的传送到上位机;另一方面上位机的控制命令和调度命令必须准确无误的下发到plc，而完成这两方面工作的关键在于数据通信。主站控制器是由主cpu卡、环路通讯卡、电源、液晶显示器和16按钮键盘组成的盘装智能仪表。它内部有两个固定的数据库，一个是现场单元数据库，负责接收并记录从两线环路传来的智能阀的地址、转矩、开度等数据，根据从上位机传来的读写命令控制阀门的运动，该数据库从逻辑上划分为4个区，每个区记录60个阀门的数据;另一个数据库为主站控制器状态及自诊断数据库，负责记录通讯协议的有关状态并向智能阀发布命令。通过主站控制器的按键和液晶显示器，可以实现读取智能阀的开度、转矩、地址等数据，控制阀门的开闭，接收报警信号及与plc通讯等功能。
图2 油料储运监控系统设计图
2.3 监控系统结构
图3 现场智能电动阀监控系统的结构框图
该系统的控制部分采用美国ge fanuc公司的hbr双重热备型plc系统，通过plc控制140个智能阀（iq actuator）的开停闭。上位监控站可监视各个智能阀的阀位回信状态、阀位值以及报警信号，并可执行开阀、停阀和关阀操作。
pakscan iie主站控制器与plc之间采用modbus协议通讯，以port1的rs-485接口连接。正常运行情况下，主plc和主控制器工作，从plc和备控制器分别与主plc和主控制器保持同步。智能阀将数据传送给主控制器，主plc通过rs-485接口从主控制器中读取数据，并向其发布命令，主控制器再执行命令，驱动智能阀按命令运转。当主plc或主控制器出现故障时，系统能分别自动切换到从plc或备控制器。
由于系统中采用的是modbus通讯协议，一台plc可以连接多台pakscan iie主站控制器，因此，若现场智能阀较多，系统可以很方便地扩展而且连线简单。
3、软件设计
3.1 通讯程序设计
plc选用modbus rtu主通讯模块（master）。pakscaniie主站控制器是一个远程终端单元，做为modbus从设备（slave）。plc的cpu通过modbusrtu主通讯模块控制pakscan iie主站控制器的读写，被称为modbus host。系统采用单modbushost两线通讯方式，该方式最多可以连接32个pakscan iie主站控制器。主通讯模块的程序设计有3部分内容：初始化通讯模块;读写modbus/rtu数据;监测通讯状态。
通讯模块的初始化工作主要是配置3个初始化控制块的参数：slave控制块（scb），信息控制块（mcb）和通讯要求参数块（com_req）。scb是一个15个寄存器长的数据块，功能是定义与其通讯的slave的型号、个数、状态等参数，每一个slave需要定义一个scb块。mcb是一个6个寄存器长的数据块，功能是定义master要求每个slave执行的命令信息，包括命令类型、rtu引用地址偏移、plc引用地址偏移、主机号等参数，每一种命令需要定义一个mcb块。com_req是一个17个寄存器长的数据块，功能是定义通讯方式、端口控制字及监测scb和mcb的状态参数等，每一端口需要定义一个com_req块。所有这些初始化参数在plc上电或冷启动初始化的第一个扫描周期内加载到rtu主通讯模块，此后rtu主通讯模块负责与pakscaniie主站控制器通讯，而plc则与rtu主通讯模块交换数据。读写modbus/rtu数据和监测通讯状态的编程相对简单，只要读写初始化时定义的相应的plc参数地址即可。
3.2 监控软件设计
上位监控站可以准确的监测和控制储运过程的所有信息和设备。通过编程、组态、连接，形象地反映实际工艺流程、显示动态数据，设置pid控制参数以及过程参数，并可以查看历史趋势、报警历史报表等。
rotork的现场电动阀配置在流程的输油管线上，通过按钮可以人工启动、停止和关闭任一个阀门，并显示任意时刻的阀门状态和阀位值。设计良好的人机界面使操作简便、直观。
3.3 故障报警系统设计
在自动控制系统的设计中我们设计了3级故障显示报警系统，1级设置在控制现场各控制柜面板，用指示灯指示设备正常运行和故障情况，当设备正常运行时对应指示灯亮，当该设备运行有故障时指示灯以1hz的频率闪烁。为防止指示灯灯泡损坏不能正确反映设备工作情况，专门设置了故障复位/灯测试按钮，系统运行任何时间持续按该按钮3s，所有指示灯应全部点亮，如果这时有指示等不亮说明该指示灯已坏，应立即更换，改按钮复位后指示灯仍按原工作状态显示设备工作状态。2级故障显示设置在中心控制室大屏幕监视器上，当设备出现故障时，有文字显示故障类型，工艺流程图上对应的设备闪烁，历史事件表中将记录该故障。3级故障显示设置在中心控制室信号箱内，当设备出现故障时，信号箱将用声、光报警方式提示工作人员，及时处理故障。在处理故障时，又将故障进行分类，有些故障是要求系统停止运行的，但有些故障对系统工作影响不大，系统可带故障运行，故障可在运行中排除，这样就大大减少整个系统停止运行时间，提高系统可靠性运行水平。
4、结束语
rotork的智能阀控制设备与plc的结合使得罐区储运监控系统布线简洁、控制方便，plc的冗余以及pakscaniie主站控制器的双备保证了系统的高可靠性，也提高了控制系统的自动化程度。
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2、监控系统的硬件实现
2.1 rotork智能阀控制设备
rotork智能阀控制设备是一个阀门数据采集、监视与控制系统，它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可以控制挂于环路上的多达240个现场控制阀，该电流环路可长达20km。
现场电动阀的智能化程度较高，其内部含有丰富的数据和诊断信息。但最主要的特点是多个智能阀仅通过两线互联成一个环路，最终接入主站控制器的只有起始和末端两线，所有阀门信息通过两线通讯进入主站控制器。现场电动阀还具有线路故障屏蔽功能，当环路出现开路、短路或接地故障时，智能阀可以将故障端的线路屏蔽掉，使主站控制器仍能与线路上的所有智能阀通讯而不受影响，同时将故障信息发给主站控制器。其两线屏蔽原理如图1所示。
图1 故障屏蔽原理
正常操作情况下，通讯电流信号沿环路的一条线从主站控制器的端口a流出，经该环路从端口b流回。此时，另一条线路是冗余的。当有一处线路发生故障时，该处故障线路被阀门屏蔽，故障线路两边的智能阀可通过各自的环路与主站控制器通讯;当有两处线路发生故障时，这两处故障之间的智能阀都被屏蔽，两处故障之外的智能阀依然可以通过两“臂状”环路与主站控制器通讯。
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图2 油料储运监控系统设计图
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图3 现场智能电动阀监控系统的结构框图
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pakscan iie主站控制器与plc之间采用modbus协议通讯，以port1的rs-485接口连接。正常运行情况下，主plc和主控制器工作，从plc和备控制器分别与主plc和主控制器保持同步。智能阀将数据传送给主控制器，主plc通过rs-485接口从主控制器中读取数据，并向其发布命令，主控制器再执行命令，驱动智能阀按命令运转。当主plc或主控制器出现故障时，系统能分别自动切换到从plc或备控制器。
由于系统中采用的是modbus通讯协议，一台plc可以连接多台pakscan iie主站控制器，因此，若现场智能阀较多，系统可以很方便地扩展而且连线简单。
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通讯模块的初始化工作主要是配置3个初始化控制块的参数：slave控制块（scb），信息控制块（mcb）和通讯要求参数块（com_req）。scb是一个15个寄存器长的数据块，功能是定义与其通讯的slave的型号、个数、状态等参数，每一个slave需要定义一个scb块。mcb是一个6个寄存器长的数据块，功能是定义master要求每个slave执行的命令信息，包括命令类型、rtu引用地址偏移、plc引用地址偏移、主机号等参数，每一种命令需要定义一个mcb块。com_req是一个17个寄存器长的数据块，功能是定义通讯方式、端口控制字及监测scb和mcb的状态参数等，每一端口需要定义一个com_req块。所有这些初始化参数在plc上电或冷启动初始化的第一个扫描周期内加载到rtu主通讯模块，此后rtu主通讯模块负责与pakscaniie主站控制器通讯，而plc则与rtu主通讯模块交换数据。读写modbus/rtu数据和监测通讯状态的编程相对简单，只要读写初始化时定义的相应的plc参数地址即可。
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4、结束语
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