现场总线电动执行机构在黄岛油库的应用

摘要：中石化管道储运公司黄岛油库使用的电动执行机构数量多，且相对位置比较分散。在电动执行机构更新改造项目中采用现场总线方式接入，利用EIM TEC2000电动执行机构配套M124N网络控制站，通过MODBUS RTU通讯协议与上位机系统进行通讯。相较过去传统的硬接线控制方式具有控制冗余、信息量大、材料及安装成本低、易于维护等优点。

主题词：现场总线；电动执行机构；MODBUS；冗余

中图分类号：TP11 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）32-7381-05

1 概述

中石化管道储运公司黄岛油库为全国最大的原油中转基地。储油容量210万立方米，承担着青岛大炼油、青岛石化、黄岛国家原油储备库以及华北地区、华东沿海和沿江炼化企业原油接卸、中转和输送任务，年储运原油能力达3000余万吨，主要生产设备有输油泵19台、储油罐38座等。

由于油库的工艺特点，在泵房、流量计间等处电动执行机构数量多、分布较密集，在罐区则电动执行机构数量少、分布分散。随着技术的进步，总线电动执行机构在国内大型油库中得到了越来越多的成功应用，因此在黄岛油库罐前阀改造中采用了28台EIM TEC2000电动执行机构，配套1套M124N网络控制站，通过MOXA MB3180网关与上位机进行通讯。

2 总线电动执行机构特点

随着现代工业的飞速发展，过程控制技术受到了人们的普遍重视，用户对过程控制系统的要求也越来越高。现场总线的应运而生，表明控制技术达到了一个新的水平。它不仅极大地满足了过程控制的需要，而且还将对工业自动化仪表行业带来一场革命。

除了传统的仪表越来越多地采用现场总线外，越来越多的电动执行机构厂家也相继推出各自为电动执行机构开发设计的现场总线控制系统。这类系统，无论其系统结构、总线形式和通信协议如何不同，都完全实现了阀门或执行器等现场装置与上位机的通信和智能化，而且整个系统简单、可靠、经济，深受用户的欢迎。

现场总线电动执行机构是根据用户需要最新发展起来的现场控制系统。其系统配置和构成灵活多变，具有很强的适用能力。它很好地解决了现场最常见的有关干扰噪声、控制距离、接点容量和工作环境等方面的问题，非常具体地显示了它在执行机构应用领域内巨大的潜在市场和发展前景。

2.1 节省安装费用

现场总线电动执行机构由于具有良好的消噪功能，因此，它可以使用带屏蔽的双绞线或使用廉价的无屏蔽三线电缆进行系统内部的通信。这种系统安装简单，投运速度快，费用一般只有常规控制系统的40%左右。例如，在常规控制系统中，接到每台阀门或执行器上的电缆芯数可达六、七根、十几根，最多的可达二十二根，而阀门执行器现场总路线控制系统中的所有阀门或执行器的连接只需要两根或三根电缆即可完成（除就地供电外）。

2.2 工程容量大

在单一网络中可以配置254 台电动执行机构，并且不会影响网络的性能和降低网络响应的时间。在不使用中继器的条件下，相邻的两台电动执行机构能够保证通讯时的电缆长度可以达到1500m（5000ft），整个网络的全长可以达到320km（200miles）。

2.3 高性能

总线控制方式能够提供实时的和完整的现场设备自诊断信息和状态信息，不仅提高了生产效率 还减少了设备停工期。

现场总线电动执行机构控制系统功能丰富、性能优良、工作可靠，非常适合在一些特殊场合使用。即使在环境条件特别恶劣的地方，它也能发挥作用，长期安全可靠地工作。如今，各公司的阀门执行器现场总线控制系统都已经经过多年现场运行检验并得到用户的认可，成为名副其实的现场控制系统。

2.4 配置齐全

用户可根据过程控制的需要任意提出要求和配置，这种系统既能以主系统也能以子系统参与过程控制，使用时还可将阀门或执行器等设置成智能化或半智能化单元。其它诸如主控站冗余、紧急操作面板、各种信号的输入输出接口、多站系统和多任务软件等都可以根据需要来配置。

2.5 接口简单

在现场总线电动执行机构控制系统中，系统内部通信接口短距离一般采用RS232，而长距离则采用RS485。同时，各种信号的输入输出接口也都采用插拔连接方式。这就使得系统内部的接线非常简单，仅使用一些标准的常用工具和少量的仪器便可完成。有时，甚至现场操作人员都能熟练地做好这些接线工作。

2.6 可靠性

对于大多数控制设备来说，总线控制方式能够提供更高的可靠性和更便捷的连通性。

在网络控制站和每个设备之间有两条数据通道，互为冗余，并且电缆和物理连接冗余，通讯回路具有开路和短路保护功能，能够有效的减少由于电缆故障和设备故障引起的停工期。

2.7 可扩展性

总线控制方式能够仅仅使用单一的网络来覆盖整个库区，并且网络具有极好的扩展能力，可以满足未来油库发展的需要。

2.8 廉价的MODBUS协议解决方案

虽然各厂家现场总线电动执行机构支持Foundation Fieldbus，Profibus DP，Modbus Plus，Modbus RTU，DeviceNet，Ethernet，Lonworks等多种协议，但对比多种总线控制协议，Modbus 协议是造价最低，性能表现良好，支持冗余和自动切换热备功能的总线协议。因其使用较低的波特率，所以电缆的费用和RS485 接口的费用要远低于其他现场总线产品；同时因为单网支持多达254 台设备，所以它在DCS、SCADA 或PLC 中需要的接口数量及电缆数量相比传统控制和其他总线控制要少很多。

通过使用Modbus RTU 协议和两线制接线方式，可以使用全部数字通讯的方式获得现场设备的状态数据和发送数据命令。对于电动执行机构可以获得：阀门开度、远控、开足、关足、开运行、关运行、综合故障等设备信息。

3 EIM总线电动执行机构方案简述

黄岛油库罐前阀电动执行机构改造共包括12个罐的罐前阀，共计28个电动执行机构，同时预留了后续电动执行机构改造的总线接入。网络结构如图2所示。

构建这套阀门控制系统网络所使用的产品：

1）TEC2000系列全智能型电动执行机构（EIM公司产品）

2）M124N网络控制站（EIM公司产品）

M124N网络控制站安装在控制室内，该网络控制站可以使用RS232，RS485或RS422物理接口通过MB3180网关接入油库控制系统以太网，和上位机连接，并使用Modbus RTU通讯协议进行通讯，M124N网络控制站和上位机之间的通讯是完全冗余的。

M124N网络控制站和现场的TEC2000电动执行机构之间的连接使用带有屏蔽的双绞电缆连接，并使用Modbus RTU通讯协议进行通讯，使用了串行E>Net冗余环状网络拓扑结构。

3.1 串行E>Net环状网络拓扑的基本特性

1）在网络控制站和每个设备之间有两条数据通道，互为冗余，并且电缆和物理连接冗余。

2）通讯回路具有开路、短路和接地故障保护功能，当发生上述故障时，不会导致电动执行机构和控制系统之间的通讯失败。

3）通讯距离长，相邻设备之间的距离最长可以达到1500m （5000ft），整个网络的全长可以达到320km （200miles）。

4）在单一的网络中可以配置最多达254台的电动执行机构。

5）使用Modbus RTU协议和两线制接线方式，可以使用全部数字通讯的方式发送数据命令、获得现场设备的详细状态数据和自诊断信息。

M124N网络控制站和现场的TEC2000电动执行机构使用了串行E>Net冗余环状网络拓扑结构。现场的TEC2000电动执行机构之间和M124N网络控制站之间的连接使用带有屏蔽的双绞电缆连接，并使用Modbus RTU通讯协议进行通讯。

M124N网络控制站和上位机之间的通讯和物理连接是完全冗余的，M124N网络控制站与上位机之间的连接如图3所示。

3.2 M124N 网络控制站的特性

1）M124N 网络控制站所连接的一个RS-485 Modbus 环状网络拓扑结构中可以接入124台执行机构。

2）M124N 网络控制站可以与上位主机方便的构成冗余或非冗余的控制网络。

3）一个M124N网络控制站中配置有两个网络控制器，二者完全冗余并且互为热备用，M124N 网络控制站内的部件完全冗余（除LCD液晶屏幕外）。

4）M124N 网络控制站在网络中支持对执行机构运行Modbus功能码07来运行Report-By-Exception （RBE）例外报告命令。M124N 网络控制站使用Modbus功能码07来对执行机构进行轮询，如果执行机构状态位为“0”，则跳过RBE命令，去轮询下一个执行机构；如果执行机构状态位为“0xFF”，则执行机构运行RBE命令，该执行机构的数据将被读取，并存储在M124N 网络控制站的数据库中。只有执行机构的状态发生变化后，M124N 网络控制站才会使用宝贵的网络时间来读取数据和更新数据库，所以支持使用RBE命令可以大大减少网络中的数据传输量，能够将网络的效率和速度提高4～6倍。如果该执行机构的状态位一直为“0”，则在第200个轮询周期时会读取该执行机构的数据来更新数据库。

5）M124N 网络控制站的优先扫描功能确保对于正在运行的执行机构的状态的快速更新。它对正在运行的执行机构的状态交替扫描，典型的更新时间是100mS 。如果M124N 网络控制站从上位主机接受到命令并发送到现场执行机构，那么这台执行机构将被M124N 网络控制站优先扫描。优先扫描功能能够保证M124N 网络控制站和上位主机获得执行机构的最新状态数据，从而可以快速的更新数据库。

6）一个M124N网络控制站中配置有两个网络控制器完全热备用。

7）通过Modbus与上位主机实时冗余的连接可以提供fail-over容错功能，并且上位主机可以随时对所有网络控制器读取和写入数据。

8）M124N 网络控制站可以配置与上位主机的连接为RS-232， RS-422/485， 4线或2线制接线 。

9）可以通过M124N网络控制站上的LCD液晶屏幕、LED指示灯和控制键盘来监视和控制网络中所有的执行机构。

10）M124N 网络控制站配置带有背光的LCD液晶屏幕可以显示2行x16字符，能够显示执行机构机构状态、阀门位置和报警等信息，并且所有系统的报警都可以显示到LCD液晶屏幕上。

3.3 M124N网络控制站的LCD液晶显示视图

M124N网络控制站和现场TEC2000电动执行机构之间的连接：

M124N网络控制站和现场TEC2000电动执行机构之间的通讯和物理连接是完全冗余的，其连接如下图所示。

M124N网络控制站和现场TEC2000电动执行机构之间的通讯使用Modbus RTU协议。通过使用Modbus RTU协议和两线制接线方式，可以使用全部数字通讯的方式获得现场设备的状态数据和发送数据命令。对于控制电动执行机构可以获得：阀门位置开度、控制模式、阀门极限位置、打开方向运行、关闭方向运行、过力矩和综合故障等设备详细信息。TEC2000电动执行机构的Modbus带有A口和B口两个通讯端口，这两个通讯口都是双向通讯的，即可以接受信号，也可以发送信号。

EIM公司的产品完全支持 Modbus协议中的所有功能码，包括“Report by Exception”命令，可以在2秒钟内阅读和改变100台电动执行机构的状态。在单一的E>Net环状网络中可以配置多达254台电动执行机构，并且不会影响网络的性能和降低网络响应的时间。在不使用中继器的条件下，相邻的两台电动执行机构能够保证通讯时的最大电缆长度可以达到1500m（5000ft）。

4 实际应用

在实施过程中，分别将各电动执行机构的MODBUS节点地址一一设置，我们按1～28顺序设置，与MB3180的通讯参数设置如下：波特率9600/奇偶效验N/数据位8/停止位1。

下表为上位机访问1#节点电动执行机构所读写的变量地址清单

上述数据阀位设定功能及阀位反馈显示是以前硬接线的电动执行机构所不具备的，操作人员可通过阀门开度的设定来调节油库生产作业过程中进、出油罐流量，并且数据刷新速度很快，完全能满足油库日常生产的需要。

在调试过程中，我们也发现了总线电动执行机构的另一个优点：由于接线少，仅需要配置相应的节点地址，传统的回路校验工作完全不需要了，调试过程非常顺利，同时也极大地降低了日后维护的工作量。

在后续的改造过程中，仅需要把现在的环形网络断开，将新的总线电动执行机构接入目前的网络中来就可以。

5 结论

EIM总线电动执行机构非常适合黄岛油库罐区电动执行机构这种应用场合：数量多，相对较分散，距离远（但每两个执行机构之间距离

随着对总线电动执行机构的了解及实际应用，我们相信总线电动执行机构将会在油库等场合得到越来越广泛的应用。

参考文献：

[1] Model M124R Network Master Operations Manual（EIM Company，Inc.）