電動(dòng)閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)及應(yīng)用

執(zhí)行器是天然氣長輸管道中常用的現(xiàn)場控制設(shè)備，其智能化程度的高低、所含信息的多少和對故障的診斷與容錯(cuò)能力直接影響到數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和易用性。大型站場中的電動(dòng)閥門數(shù)量多且分散，采用普通的電動(dòng)閥門硬布線繁多，這在一定程度上使站場監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。
本工程**在大型輸氣管道站場上采用英國Rotork公司的Pakscan電動(dòng)閥門執(zhí)行器總線控制系統(tǒng)，大大簡化了監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜設(shè)計(jì)，而且借助其豐富的診斷信息和對故障的容錯(cuò)能力，使控制系統(tǒng)的可靠性得以提高。
1 閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
近年來，在世界工業(yè)閥門和執(zhí)行器生產(chǎn)制造中占有主導(dǎo)地位的專業(yè)化公司相繼推出各自為閥門執(zhí)行器開發(fā)設(shè)計(jì)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。其中主要有美國Limitorque公司的DDC- 100TM系統(tǒng)、美國Key-stone公司的KEYD IG系統(tǒng)和英國Rotork公司的PakscanIIE系統(tǒng)。這類系統(tǒng)，無論其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、總線形式和通信協(xié)議如何不同，都完全實(shí)現(xiàn)了閥門執(zhí)行器等現(xiàn)場裝置與上位控制系統(tǒng)的通信和智能化控制。
1.1 系統(tǒng)特點(diǎn)
閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是根據(jù)用戶需要*新發(fā)展起來的“FCS”（現(xiàn)場控制系統(tǒng)）。其系統(tǒng)配置和構(gòu)成靈活多變，具有很強(qiáng)的適用性和擴(kuò)展能力。它很好地解決了現(xiàn)場*常見的有關(guān)干擾噪聲、控制距離、接點(diǎn)容量和工作環(huán)境等方面的問題，具有如下特點(diǎn)：
1.1.1 電纜成本降低
閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由于具有良好的消噪功能，因此，它可以使用帶屏蔽的雙絞線或使用廉價(jià)的無屏蔽三線電纜進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部的通信。在常規(guī)控制系統(tǒng)中，接到每臺閥門執(zhí)行器上的控制電纜芯數(shù)依據(jù)其傳輸信號數(shù)量而定，*多的可達(dá)22根，而閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總路線控制系統(tǒng)中的所有閥門執(zhí)行器的連接只需要兩芯或三芯電纜即可完成。
1.1.2 控制系統(tǒng)成本降低
由于采用總線控制方式，上位控制系統(tǒng)節(jié)省了大量的I/O卡件和防浪涌保護(hù)設(shè)備。
1.1.3 系統(tǒng)容量大
根據(jù)使用要求和系統(tǒng)規(guī)模，閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)允許在10～20km的一條通信環(huán)路上接入100～250臺閥門執(zhí)行器等各種類型的現(xiàn)場裝置。在整個(gè)有效通信環(huán)路內(nèi)，不設(shè)中繼站也可將信息或數(shù)據(jù)傳送到各個(gè)現(xiàn)場裝置，同時(shí)還不限制接入環(huán)路內(nèi)閥門執(zhí)行器等裝置之間的距離。
1.1.4 安裝調(diào)試成本降低
安裝調(diào)試成本降低，由于每臺電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在接線時(shí)只涉及4個(gè)接線端子。而傳統(tǒng)控制方式每臺電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所涉及的接線端子少則14個(gè)多則30多個(gè)，使得安裝調(diào)試非常煩瑣。
1.1.5 信息傳遞量大幅度提高
由于采用雙線控制方式可完成傳統(tǒng)22芯電纜所能實(shí)現(xiàn)的信息傳遞，使得雙線控制方式所能實(shí)現(xiàn)的信息傳遞量得以大幅度提升。
1.1.6 配置齊全
用戶可根據(jù)過程控制的需要任意提出要求和配置，這種系統(tǒng)既能以主系統(tǒng)也能以子系統(tǒng)參與過程控制，使用時(shí)還可將閥門執(zhí)行器等設(shè)置成智能化或半智能化單元。其它諸如主控站冗余、緊急操作面板、各種信號的輸入輸出接口、多站系統(tǒng)和多任務(wù)軟件等都可以根據(jù)需要來配置。
1.1.7 接口簡單
在閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)部通信接口短距離一般采用RS232，而長距離則采用RS485。同時(shí)，各種信號的輸入輸出接口也都采用插拔連接方式。
1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
不同的閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是基本相同的。它們一般是由主控站、通信環(huán)路和現(xiàn)場單元（本體為閥門執(zhí)行器）組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2.1 主控站
主控站多采用工業(yè)PC機(jī)構(gòu)成，以利用其鍵盤和顯示器對系統(tǒng)的操作方式以及工作狀態(tài)進(jìn)行控制和監(jiān)視。用戶可根據(jù)系統(tǒng)提供的豐富方便的軟件包非常容易地生成操作方式、系統(tǒng)狀態(tài)和控制邏輯畫面，并通過鍵盤隨時(shí)發(fā)出操作命令，設(shè)置系統(tǒng)必要的工作參數(shù)條件。DDC-100TM系統(tǒng)和KEYDIG系統(tǒng)采用工業(yè)PC機(jī)構(gòu)成的一種主控站。主控站也有特殊設(shè)計(jì)的盤裝式結(jié)構(gòu)，例如PakscanIIE的主控站就是這種結(jié)構(gòu)。在它的控制面板上，裝有監(jiān)視環(huán)路工作狀態(tài)的液晶顯示器、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和數(shù)據(jù)的鍵盤以及顯示系統(tǒng)運(yùn)行和報(bào)警信息的指示燈。通過控制面板，可完成系統(tǒng)環(huán)路波特率、現(xiàn)場單元地址和數(shù)據(jù)傳輸?shù)葏?shù)的設(shè)置。此外，萬一主控站失控或系統(tǒng)工作不正常，操作人員可使用鍵盤直接控制閥門執(zhí)行器。而當(dāng)系統(tǒng)遇到意外情況時(shí)，控制面板上還有應(yīng)急按鈕供操作人員緊急關(guān)閉系統(tǒng)中*重要的閥門與管道。它可在主控站發(fā)生故障后50ms自動(dòng)切換到備用主控站，從而確保系統(tǒng)仍能**可靠地運(yùn)行。
1.2.2 通信環(huán)路
一般工業(yè)現(xiàn)場中的閥門執(zhí)行器與控制室之間傳輸信號所需的接線十分繁雜，安裝與維修都很困難，費(fèi)用也很高。而閥門執(zhí)行器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中使用的兩線或三線電纜既安裝簡單、維修方便、易于擴(kuò)展、成本低、節(jié)省費(fèi)用。特別是系統(tǒng)中所有閥門執(zhí)行器用這種電纜一臺一臺串接起來后形成一條閉合的環(huán)路時(shí)，每臺閥門執(zhí)行器都能從環(huán)路的兩個(gè)方向與主控站進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)的交換，相當(dāng)又給系統(tǒng)增加了一條冗余通信路徑。
1.2 系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)運(yùn)行期間，除了正常的工作之外，環(huán)路電纜不停地被掃描查詢，以確定其是否完整。若通信環(huán)路完整無損，主控站將依過程控制的需要通過環(huán)路電纜向現(xiàn)場單元發(fā)送控制命令，同時(shí)接受現(xiàn)場單元發(fā)回的工作狀態(tài)信息。當(dāng)然，所有現(xiàn)場單元都已預(yù)先設(shè)置好了地址并隨時(shí)準(zhǔn)備接受命令和接受查詢。一般情況下，主控站要發(fā)數(shù)次命令。每發(fā)一次命令，都要接收到被詢址現(xiàn)場單元的應(yīng)答一次，否則，系統(tǒng)將按環(huán)路故障進(jìn)行處理。現(xiàn)場單元的應(yīng)答時(shí)間則由現(xiàn)場單元的數(shù)量以及環(huán)路距離所決定。