蚌埠西门子S7-300代理商

1 前　言

　　罐区中原油储罐和输油管道所使用的各种控制阀门是石油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。通常罐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,这在一定程度上使罐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,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20 km。
　　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。但主要的特点是多个智能阀仅通过两线互联成一个环路,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2－1所示。

图2—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。
　　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。
　　Pakscan IIE Master Station 是Rotork 主站控制器中的一种,它为双重热备结构,在主控制器出现故障时可以自动切换到热备控制器。图2 —2 为PakscanIIE 主站控制器与现场智能阀通过两线环路相连的情况。

图2—2 两线环路连接图

　　Pakscan IIE Master Sation 有一个RS - 485 通讯口和一个RS - 232 通讯口,它们可通过Modbus 协议与PLC 通讯。其中RS - 232 通讯口可以不通过PLC直接连接打印机,打印报警信号。

　2.2 　监控系统结构

　　图2—3 所示为现场智能电动阀监控系统的结构框图。

图2—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port 1 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 和热备控制器分别与主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 或热备控制器。
　　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 ) 。Pakscan IIE 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Modbus host 两线通讯方式,该方式多可以连接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Pakscan IIE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。

PLC输入外部电路的外部节点形式共分为以下三种：
    1、无源节点输入，即：开关节点输入。
    2、NPN和PNP节点输入
    3、二极管输入
下面，就这三种节点输入的形式及接线方式简单说明一下。
1、无源节点输入（开关量输入）
    此种节点形式是PLC输入用的多的一种形式。使用此种形式时，只要注意PLC的输入公共端是共阳极还是共阴极就行了。如为共阳极，则通过开关节点引入的应该是负极，如为共阴极，则经过开关节点引入的应该是正极。如下图所示（括号内为共阳极时）：

2、NPN和PNP节点输入
    一些传感器或接近开关的输出节点是NPN或PNP节点形式。这时，做为PLC的输入是选NPN还是PNP节点，一方面要看要看PLC的接线形式而定，另外还要看传感器或接近开关的接线形式。下面举例来说明：
    如下图所示，传感器的输出是NPN形式的。从图中负载接线可知，传感器动作时，输出0V（黑线④处）。这就要求，PLC的公共端（COM）是正极。因此，对于此线路，当PLC的公共端接（CON）正极时，PLC的输入就只能用NPN形式。

    下图正好相反，当传感器动作时，其输出为正极（黑线④处）。此时，就要求PLC的公共端（COM）接负极。因此，对于此线路，当PLC的公共端接负极时，PLC的输入就只能用PNP的形式。

    PLC的输入节点到底是采用PNP还是NPN的形式，其实大不可必死记。只要明白PLC输入内部的电路原理就行了，即：采用PNP还是NPN节点，都必须保证PLC输入电路内部的光电耦合部分的发光二极管得电。
    以上两例是以西门子PLC为例，西门子PLC输入内部线路的光电耦合的公共端可以是共阴极或共阳极，因此，在考虑使用NPN或PNP输入时，可以改变公共端（COM）的正极或负极来分别使用；而对于三菱FX系列的PLC，因光电耦合的公共端是固定采用共阳极的，因此公共端只能接正极，输入也就只能使用NPN节点输入方式了。
3、串二极管输入
    有时，需要在PLC的输入节点中串入一个发光二极管来为指示。如下图所示：
 
    此时，一般PLC都会规定串入二极管的允许电压降及允许串入的二极管的个数。比如，上图所示的FX系列的PLC规定，发光二极管允许电压降为4V，多允许中时串入2个。

1 引言

　　福鼎分水关至宁德城关段高速公路是国家规划的“两纵两横”国道主干线之一同江至三亚公路在福建的一段，起点接浙江省甬台温高速公路，终点接罗源至宁德高速公路。本路采用山岭重丘区高速公路标准修建，双向四车道，设计车速80Km/h，全长141公里，沿线设有互通立交十座，超过一公里的长隧道八条，一公里以下短隧道六条，全线隧道单洞长度达二十公里，隧道监控是全线监控的关键。八条长隧道设置了完整的监控系统，包括交通监控、通风、照明、变电站供配电、火灾报警、CCTV监视、隧道广播等子系统，其中交通监控、通风照明、变电站供配电等隧道信息的采集和发布采用本地控制器（PLC）完成。

2 PLC概述

　　本地控制器采用OMRON 公司的大中型机CS1系列，八条长隧道十六个单洞共用78套PLC，其中坑门里隧道11套，吉坑隧道11套，蔡家山隧道9套，洋坪隧道9套，赤岭隧道13套，杨梅岭隧道8套，湾坞隧道9套，吴楼隧道8套PLC，分别组成16个Controllerbbbb冗余令牌环网的控制系统。Controllerbbbb 是OMRON的主要的FA级别的网络，它支持在PLC之间及PLC和上位机之间的自动数据链接，也可使用信息服务进行可编程的数据传送，可得到高容量，柔性数据链接及高容量的数据传送，对低成本的通信系统，可使用双绞线电缆。78套本地控制器的PLC通过光纤通信模块CS1W-CLK52分别组成16个光纤Contollerbbbb冗余令牌环网进行数据通讯。

3 PLC系统组成

　　每个隧道的PLC系统分别在隧道左洞和隧道右洞组成光纤Contorllerbbbb冗余令牌环网，两个光纤Contorllerbbbb冗余令牌环网都是独立的控制系统，互不干涉和影响。安装在监控设备室内的PLC通过Hostbbbb与主控PLC相连，并与隧道监控分中心的服务器通过以太网模块CS1W-ETN01、HUB、光纤收发器组成以太网进行数据交换。主控PLC在监控室内连接一个本地触摸屏，并通过MODEM与监控分中心的一个远程触摸屏相连。

　　隧道PLC网络构成图：

4 PLC程序主要功能

　　1、收集本区段检测设备检测的信息，包括CO检测器、能见度检测器、透过率检测仪、车辆检测器等。

　　2、对收集信息进行预处理。如：隧道内的CO正常运营时允许的浓度一般在150—250ppm,，交通阻滞（隧道内各车道均以怠速行驶，平均车速为10km/h时可为300ppm,经历时间不超过20分钟;隧道内烟雾允许浓度为7.0＊0.001 1/m;隧道内风速正常运营时推荐为10m/s），并储存在本地的存储单元内。

　　3、 隧道内的本地控制器的存储单元中处理好的信息（CO浓度、能见度、烟雾浓度、透过率、车辆检测、交通信号标志等）上传给隧道监控分中心的服务器。

　　4、 接收隧道管理站计算机的各种控制命令（如控制风机的启、停、照明开关等），将控制命令和设备运行状态比较后，发出对下端执行设备的控制指令（如发给风机、照明柜、车道控制标志、交通信号灯、横洞指示等的指令）。

　　5、 本地控制器设有手动控制，手动操作界面采用触摸屏NT31C，当通信中断或其它原因和上端失去联系时，可进行手动操作，且手动优先。

　　6、可存储几个常用和特殊的程序，如交通事故处理程序、火灾紧急处理程序等（即当遇到交通事故时的紧急处理措施,如：改变交通信号标志，发出报警信息，通知巡警等;当遇到火灾时的紧急处理措施，如：当隧道内遇到火灾时，风机的控制等）。

5 PLC编程

　　1、交通控制程序

　　交通控制程序负责读取车辆检测器、车道指示标志、情报板的状态及信息，并将数据传递给上位机。根据上位机上设定的交通模式，控制车道指示标志和交通信号灯的状态。并根据上位机设置的状态及信息。实现对车辆检测器、车道指示标志、情报板、交通信号灯的控制。在发生通信故障时，产生报警信号。定时给车辆检测器校时，以保证车辆检测器时间的一致性。

　　车道指示标志和交通信号灯的状态的控制方式有以下三级控制：

　　——监控分中心：自动控制（上位机）、人工远程控制（上位机、触摸屏）

　　——隧道监控室：人工控制（触摸屏）

　　——现场设备： 人工手动控制

　　正常情况下，车道指示标志和交通信号灯的状态由监控分中心的上位机控制，在上位机出现故障时，可通过监控分中心的触摸屏进行控制。若监控分中心至隧道设备室的通信出现故障，则改由隧道设备室的触摸屏进行控制。

　　交通控制流程图

　　2、通风控制程序

　　通风控制程序根据检测到的透过率、CO浓度数据、交通量数据，控制风机的运行台数、风向和运行时间，实现节能运行和保持风机较佳寿命的控制运行;并在发生火灾时，根据不同地点，进行相应的火灾排烟处理，以保证隧道的安全及运行环境的舒适性。

　　通风控制程序实现风机正转、反转、停机控制，并将每台风机的状态（正转、反转、停机）、自动手动状态显示、总故障信号传给上位机。自动统计风机运行时间，累计运行时间短的风机优先启动，以便平衡各台风机的劳逸程度，延长风机的使用寿命。

　　自动根据CO浓度、透过率值、交通量状况、火灾报警等综合情况控制风机的运行。每台风机启动需短暂延时，才允许其它风机启动，以减少对变电站供电的冲击。

　　通风控制子系统控制方式可以有如下四级：

　　——监控分中心：自动控制、人工远程控制

　　——隧道监控室：自动控制、人工控制

　　——隧道变电所：人工手动控制

　　——通风机开关箱：人工手动控制

　　正常情况下将隧道变电所的风机控制转换开关置于“自动”位，由监控分中心实现通风控制子系统的监控，自动完成子系统的各项功能。系统在故障或需要时经过转换应在前三级的任一级上维持系统的正常运行。在对通风设备和通风控制子系统需要进行维修和测试时则可以采取隧道监控室人工、变电所人工、通风机就地开关箱处人工控制的方式。

　　控制方式的优先权为：人工高于自动，人工方式时是按四级顺序优先级由低到高，自动方式时是隧道监控室控制优先于监控分中心控制。

　　风机自动控制模式有两种：一种是在一些特定情况下选用某种预先编制的控制程序通过人工确认后进行风机自动控制，另一种是根据CO和透过率检测器检测到的实际数据与环境指标的标准值比较，来实时调节风机的运转。

　　通风控制流程图

　　3、照明控制程序

　　隧道照明控制程序根据检测到的洞内外光强数据、交通量变化以及白天、黑夜等情况，控制隧道的照明系统，调节出入口以及洞内的照明，保证行车的安全，以及在满足照明要求的情况下达到节能运行的目的，同时对洞内照明以及照明控制设备的状况进行监视。

　　照明系统隧道照明控制程序具有洞内灯泡亮度不足的报警功能，即能够通过洞内光强仪采集数据与设定值比较后提示维护部门更换灯具。在自动（控制方式中，发生火灾事故时，洞内所有照明自动全亮。在自动（本地）、远控（人工/自动）控制方式中，任何时候确保有一路基本照明灯亮。

　　此隧道照明有人工、自动（本地）、远控（手动/光强）三种方式，其中人工/自动（本地）方式由照明系统自行完成，远控方式由监控与照明系统配合完成。照明系统将远程控制或本地控制（人工/自动）的状态信号传给监控系统。

　　远控制方式时由监控系统提供继电器接点和连接电缆至照明系统协调完成远控制。各个照明回路的执行控制由照明系统实现。

　　照明系统将照明回路开关分合状态信号传给监控系统，照明系统提供继电器干接点。对照明灯可用触摸屏NT31C达到手动控制目的。

　　照明控制流程图

　　4、变电站监视控制程序

　　PLC对隧道变电站的电源状态、质量以及故障等状态进行监视。主要是对高压电源进线开关状态、低压总开关状态、每段低压母线的电压、变电站故障总信号，柴油发电机的起、停、总故障信号等进行监视，根据被监视设备状态的变化及故障告警信号进行告警记录，存贮相应的监视信息，并且把采集的信号传送至监控分中心。另外，根据变电站的电源状况控制风机系统的工作。对无电源的变电站不会使该站供电风机运行，并在低电压状况下调控风机的启动。

6 结束语

　　高速公路开通运行后，隧道监控系统运行相当稳定，在隧道比较恶劣的环境下，采用PLC是较为合适的。现在自动化技术日新月异，现场总线技术在控制领域已在大力推广，但PLC技术也在不断加强发展，特别在通信、组网、冗余技术方面日趋完善强大，在控制领域仍然占据不可动摇的位置。