输油管线阀门执行器现场总线控制系统应用

摘 要 在天津一体化输油管道站场上采用上海蓝昱公司的BLJ系列基于MODBUS协议的环形总线阀门控制器，大大简化了SCADA系统的复杂设计，使控制系统的可靠性得以提高，借助施耐德SCADA系统的功能，完成现场阀门执行器的故障诊断以及阀门的监控。

关键词 阀门执行器；总线；控制；输油管道

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）042-018-02

在长输管道自动化大力发展的今天，阀门执行器已经成为原油长输管道比较普遍的一种控制设备，阀门控制器的智能化水平、信息量的大小以及容错能力直接影响到SCADA控制系统数据采集与监控的可靠性、稳定性。天津一体化输油管道采用自动化水平较高的SCADA系统进行控制，利用阀门执行器对现场输油设备进行逻辑控制，因此所需的阀门执行器数量较多且信息量较大，而采用阀门执行器点对点布线，使SCADA控制系统配置及设计都非常繁琐。

天津一体化输油管线首次在原油管道站场上采用上海蓝昱公司的BLJ系列基于MODBUS协议的环形总线阀门控制器，大大简化了监控系统的复杂设计，使控制系统的可靠性得以提高，借助施耐德SCADA系统的功能，完成现场阀门执行器的故障诊断以及监控。

1 系统特点

阀门执行器现场总线控制系统是根据仪表自动化不断出现的新需求而发展起来系统。而本系统在成熟应用的工业级通讯模块上开发，结合专门由可编程的大规模集成电路开发的冗余模块而成，具有适应恶劣的环境温度（-40℃～80℃），强电磁干扰环境、抗冲击性能及容错性能，具有如下特点。

1.1 成本降低

本系统具有良好的抗干扰及容错功能，使用的带屏蔽的双绞线或使用无屏蔽三线电缆进行阀门执行器之间的连接，并进行阀门执行器内部的通信。而普通电动阀门与SCADA系统进行连接时，引入每台阀门执行器上的控制线缆可达20多根。

同时，SCADA控制系统省去了许多的I/O模块和防浪涌保护模块，减少了SCADA系统遭雷击的环节。

其次，传统控制方式每台阀门执行器的接线端子多则30多个，而本系统每台阀门执行器在接线时只涉及4个接线端子，安装调试成本降低。

1.2 系统容量大

根据使用要求和系统规模，考虑到串行通讯的时效性，本系统采用四个环型通道独立配置，在保证阀门控制完好的情况下，每条通道可接入30台阀门执行器，整个阀门控制器最多可接入120台阀门执行器。

采用串行通讯方式可完成传统20多芯控制线缆实现的信息传递，系统容量较大。

1.3 接口简单

在阀门执行器现场总线控制系统中，阀门控制器与阀门间通信采用RS485的Modbus RTU协议，接线方式采用串联方式，与SCADA系统采用RS232进行通讯。而且本系统不需要任何组态即可上电工作。

2 系统结构

阀门执行器现场总线控制系统一般是由SCADA控制系统、阀门控制器、通信环路和阀门执行器组成。系统结构框图如图1所示。

2.1 阀门控制器

阀门控制器采用成熟的工业级通讯模块开发，结合专门由可编程的大规模集成电路开发的冗余模块组成，具有适应恶劣环境，强电磁干扰环境和抗冲击性能。功能上完全实现完全的软硬件冗余：双CPU、双电源、双通讯模块、每个通讯模块的每组通道均采用双通讯口设计，具有每个通讯节点的自诊断和状态检测，而且具有完整的模块自诊断与故障恢复机制。

2.2 SCADA系统

阀门控制器与SCADA系统进行通讯，通过上位机组态，融入SCADA系统中，利用SCADA系统界面对阀门的操作方式以及工作状态进行控制和监视。在SCADA系统的界面上，设置了监视环路工作状态的画面、显示阀门运行和报警信息。此外，阀门控制器采用网关的结构，作为一个特殊用途的网关，控制器通过环网扫描现场阀门执行器的数据，放入实时数据库中，供SCADA系统扫描获取；接收SCADA系统发出的控制指令和数据，放入实时数据库中，按顺序对现场阀门执行器进行发送，并监控其执行情况。

2.3 通信环路

阀门执行器现场总线控制系统中阀门执行器用双绞线串联成一条封闭的环型链路，每台阀门执行器都能从环型链路的两个方向与阀门控制器进行数据的发送与接收，使通讯线路形成冗余。

如果通讯环路有断点，在环行链路断点两边的阀门执行器可以自动形成各自一边完整的环型链路，保持阀门控制器与阀门执行器间的数据接收与发送，阀门控制器首先通过端口G1A向与其连接的第一台阀门执行器发送指令，同时接收该阀门执行器的回复。然后再向第二台阀门执行器发送指令，同时也接收这台阀门执行器的回复。这样，发送指令，接收回复，连接阀门执行器的环型链路一台接一台扩大，直到环型链路断点不能再继续下去为止。同时，阀门控制器也通道端口G1B向相反方向的阀门执行器发送指令并接收回复，直到断点前的阀门执行器。如此反复，阀门控制器能够确定环型链路中的断点位置，保证所有阀门执行器与阀门控制器之间的通讯工作持续稳定。

3 系统工作原理

本系统采用网关的结构，每个主机均有实时数据库在运行，在主备状态下，主控制器同步备用控制器的数据库。所有的工作指令均由主控制器发出和接受，备用控制器只监视主控制器的工作状态，如果被坚实的主控制器发生故障，立即由备用控制器接管控制权，同时对发生故障的控制器进行一次复位清除操作，看能否恢复正常，如果能够恢复，则其自动进入备用状态。作为一个特殊用途的网关，控制器通过环网扫描现场执行器的数据，放入实时数据库中，供上级控制器或监视系统扫描获取；接收上机执行器或监视系统来的控制指令和数据，放入实时数据库中，按顺序对现场执行器进行发送，并监视其执行情况。

天津一体化原油管道站场使用的环形总线阀门控制器系统，采用串联形组网，实现了环网结构的可靠通讯；阀门执行器的连接方式简单化，采用4环型通道独立配置，避免了大环容易发生多处线路故障；阀门执行器分区分功能接入阀门控制器，减少了线路故障对系统的影响，加快了响应速度。

参考文献

[1]上海蓝昱.Modus协议环形总线阀门控制器 BLJ-VC-MCM4G-2S技术手册[M].上海蓝昱科技有限公司，2009.

[2]张凤登.现场总线技术与应用[M].北京：科学出版社，2008.