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袁漢福(1952-),浙江寧波人，自動(dòng)化系統(tǒng)注冊(cè)工程師，從事煉油自動(dòng)化設(shè)計(jì)、施工等工作。現(xiàn)任藍(lán)星石化有限公司天津石油化工廠副總工程師。摘要：本文主要介紹了遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)的組成、調(diào)試方法及主要技術(shù)特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)總線(xiàn)；通訊；組態(tài)；程序
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)總線(xiàn)；通訊；組態(tài)；程序
Abstract: This paper introduces the remote I/O system configuration, commissioning and main technology features.
Key words: data bus; communication; configuration; program
1 引言
2007年藍(lán)星石化公司天津石油化工廠重油催化裝置進(jìn)行設(shè)備改造，對(duì)接近100臺(tái)機(jī)泵的運(yùn)行指示信號(hào)采用 MTL8000 Process I/O進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)換成數(shù)字通訊信號(hào)傳給DCS系統(tǒng)，對(duì)裝置的安全運(yùn)行提供了監(jiān)控手段。在重油催化裝置變電室安裝遠(yuǎn)程I/O采集箱，通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)與DCS系統(tǒng)進(jìn)行通訊。
由于變電室與主控室之間有1000米的距離，上述方案比較直接從現(xiàn)場(chǎng)使用導(dǎo)線(xiàn)連接到主控室的DCS中的常規(guī)施工方法要節(jié)省1/3的施工時(shí)間和1/2的費(fèi)用，其中可以節(jié)省大量的DCS的過(guò)程通道板卡和安全柵，節(jié)省大量的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)和輔料及其人工費(fèi)。系統(tǒng)投用后，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
2 系統(tǒng)組成和特點(diǎn)
2.1系統(tǒng)組成
如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
MTL8000遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)包括：總線(xiàn)接口模件（BIM），I/O模件。總線(xiàn)接口模件（BIM）提供了高性能、冗余通信，它所支持的通訊協(xié)議有Modbus-RTU或Profibus-DP。MTL8000遠(yuǎn)程I/O 的卡件采用底板式安裝，I/O卡件和現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)端子可以十分方便地安裝在底板上，所有卡件可以在危險(xiǎn)場(chǎng)所在線(xiàn)更換。整個(gè)系統(tǒng)最多可以連接32個(gè)I/O卡件，每個(gè)卡件分別有8通道或16通道。為了保證系統(tǒng)供電的可靠性，系統(tǒng)可采用冗余的24VDC 供電。
2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)
MTL8000遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)包含有不同I/O類(lèi)型（普通模塊、本質(zhì)安全模塊），并提供了廣泛的通訊協(xié)議（Modbus-RTU、Profibus-DP、以太網(wǎng)），在大型I/O系統(tǒng)中，可以將多個(gè)I/O節(jié)點(diǎn)連接使用。
2.2.1 通訊
采用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通訊。選用不同的Process I/O總線(xiàn)接口模塊（BIM）可以實(shí)現(xiàn)不同的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)調(diào)換不同的BIM，就可以實(shí)現(xiàn)不同的總線(xiàn)通訊協(xié)議，而不用調(diào)整其他部分的配置。通過(guò)I/O卡件可以直接將HART信號(hào)傳送到上位系統(tǒng)。
可以選擇支持智能現(xiàn)場(chǎng)儀表連接的模擬量I/O通道，每個(gè)通道輸入/輸出4/20mA電流，同時(shí)還支持HART協(xié)議，可以獲得HART設(shè)備的四個(gè)主要變量和儀表狀態(tài)信息。控制器通過(guò)Modbus和Profibus的連接可以獲得這些信息，控制系統(tǒng)可通過(guò)組態(tài)利用這些重要數(shù)據(jù)來(lái)改善過(guò)程控制的質(zhì)量。
2.2.2過(guò)程環(huán)境
可工作在-40到+70 oC環(huán)境溫度范圍 ，抗腐蝕能力符合G3 ISA SP71.04標(biāo)準(zhǔn)，符合EN60068標(biāo)準(zhǔn)的抗震性能。
2.2.3防爆等級(jí)
MTL8000 I/O可以現(xiàn)場(chǎng)安裝，卡件連接來(lái)自裝置中的各種信號(hào)。根據(jù)需要采用隔爆和本安兩種防爆技術(shù)，可以采用一般應(yīng)用區(qū)域（非危險(xiǎn)區(qū)域）、2區(qū)或1區(qū)。
2.2.4I/O負(fù)載能力
信號(hào)類(lèi)型可以是標(biāo)準(zhǔn)的4/20mA模擬量、溫度以及數(shù)字量信號(hào)，信號(hào)源可位于一般應(yīng)用區(qū)域或危險(xiǎn)區(qū)域。對(duì)于模擬量回路，MTL8000具有16bit的轉(zhuǎn)換精度提高過(guò)程控制的質(zhì)量，每個(gè)I/O節(jié)點(diǎn)可以提供從1到432個(gè)I/O點(diǎn)（典型系統(tǒng)）可升級(jí)規(guī)模的系統(tǒng)。每個(gè)點(diǎn)可以通過(guò)組態(tài)選擇濾波功能。
2.2.5系統(tǒng)自診斷
通常與DCS聯(lián)合集成診斷功能，發(fā)送的診斷信息包括LAN通訊狀態(tài)、電源以及I/O模塊，甚至具體到每一個(gè)通道的診斷信息。可對(duì)熱電偶斷路及RTD故障進(jìn)行上行至最大和下行至最小的組態(tài)選擇。監(jiān)視DCS或PLC系統(tǒng)主機(jī)的“看門(mén)狗”信號(hào)，當(dāng)出現(xiàn)通訊故障時(shí)，MTL8000可將模擬量和數(shù)字量輸出設(shè)定在預(yù)先定義的級(jí)別上，在有效供電的情況下將保持這一狀態(tài)。
在系統(tǒng)其他部分帶電正常工作的情況下，能夠檢測(cè)出插槽上安裝的錯(cuò)誤的模塊并允許在線(xiàn)更換。
雙冗余LAN和電源具有極低的平均修理時(shí)間從而確保了停車(chē)時(shí)間被控制在最低的水平上。
2.2.6系統(tǒng)安裝和維護(hù)
全模塊化的設(shè)計(jì)使得現(xiàn)場(chǎng)安裝和維護(hù)簡(jiǎn)單易行，同時(shí)由于不存在錯(cuò)誤安裝可能性，使得裝置的安全性得到了保證。緊湊的設(shè)計(jì)確保了最小的占地空間，這一點(diǎn)在改造系統(tǒng)中顯得尤為重要。
系統(tǒng)的模塊化還體現(xiàn)在I/O模塊與現(xiàn)場(chǎng)端子單元和底板的分離，這種結(jié)構(gòu)使得在現(xiàn)場(chǎng)損壞的端子可以被單獨(dú)更換，從而保護(hù)了用于I/O電器設(shè)備的投資。這種模塊化設(shè)計(jì)還確保了I/O 模塊和端子可以在線(xiàn)更換而不用切斷系統(tǒng)總線(xiàn)和電源。
允許所有的儀表回路進(jìn)行在線(xiàn)的維護(hù)并且在不斷電和通訊丟失的情況下允許所有的I/O模塊在線(xiàn)更換，甚至在危險(xiǎn)區(qū)域。如此低的MMTR確保了極高的系統(tǒng)可應(yīng)用性和最小的產(chǎn)品浪費(fèi)。
2.2.7系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間
通過(guò)三種掃描優(yōu)先級(jí)別對(duì)系統(tǒng)速度進(jìn)行優(yōu)化，如允許高優(yōu)先級(jí)和控制回路采用高的掃描速率，而溫度和檢測(cè)回路采用低的掃描速率。采用掃描優(yōu)化器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)速度的優(yōu)化。
由于上述特性，即使在大規(guī)模節(jié)點(diǎn)情況之下，對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于100mS。
3 技術(shù)要求
3.1運(yùn)行要求
催化裝置的機(jī)泵運(yùn)行有一些特殊要求,為保證裝置的安全運(yùn)行,在機(jī)泵的配置上實(shí)現(xiàn)二重化或三重化,二重化配置可以實(shí)現(xiàn)一用一備或全部使用,三重化配置可以實(shí)現(xiàn)二用一備。這樣在運(yùn)行機(jī)泵發(fā)生故障時(shí)可以及時(shí)進(jìn)行切換,但二重化配置不允許全部停運(yùn),三重化配置不允許有二臺(tái)機(jī)泵同時(shí)停運(yùn)。
3.2 引線(xiàn)要求
每臺(tái)機(jī)泵只引入一對(duì)接點(diǎn)。
3.3 邏輯要求
以三重化配置為例說(shuō)明，如圖2所示。
K1為1號(hào)泵狀態(tài)，運(yùn)行時(shí)為ON，停止時(shí)為OFF；
K2為2號(hào)泵狀態(tài)，運(yùn)行時(shí)為ON，停止時(shí)為OFF；
K3為3號(hào)泵狀態(tài)，運(yùn)行時(shí)為ON，停止時(shí)為OFF；
圖2 邏輯運(yùn)算圖
使用以上邏輯控制，K1、K2、 K3中如果兩個(gè)泵狀態(tài)為OFF，三個(gè)或運(yùn)算中肯定有一個(gè)為OFF。
或運(yùn)算后的三個(gè)量進(jìn)行與運(yùn)算，只要有一個(gè)為OFF，與運(yùn)算即為OFF，在進(jìn)行取反運(yùn)算。輸出變成ON狀態(tài)，顯示報(bào)警。
二重化配置機(jī)泵的監(jiān)控邏輯比較簡(jiǎn)單,K1和K2 進(jìn)行”或”運(yùn)算,輸出為OFF時(shí),即為二臺(tái)機(jī)泵全部停運(yùn), 在進(jìn)行取反運(yùn)算。輸出變成ON狀態(tài)，顯示報(bào)警。
4 MTL8000組態(tài)
總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)采用Modbus-RTU通訊協(xié)議，通過(guò)冗余的RS485接口（LANA、LANB）同上位機(jī)進(jìn)行通訊。通訊的參數(shù)，如波特率、奇偶校驗(yàn)和卡件類(lèi)型都可以通過(guò)軟件組態(tài)設(shè)定。組態(tài)可以通過(guò)本地組態(tài)或遠(yuǎn)程組態(tài)完成，通過(guò)通訊卡上的RS232 接口可以進(jìn)行本地組態(tài)；通過(guò)一個(gè)RS485 接口可以從控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程組態(tài)。
4.1 接收單元同DCS的通訊參數(shù)設(shè)置
波特率：9600
數(shù)據(jù)位：8
停止位：1
奇偶校驗(yàn)：非奇非偶校驗(yàn) (NONE）
節(jié)點(diǎn)地址：1——3、4——6、7——9
4.2組態(tài)可以有本地和遠(yuǎn)程兩種方式進(jìn)行
本地組態(tài)連接方式如圖3所示。
遠(yuǎn)程組態(tài)連接方式如圖4所示。
圖3 本地組態(tài)連接方式
圖4 遠(yuǎn)程組態(tài)連接方式
MTL8000 組態(tài)軟件安裝到PC 機(jī)上后，可以通過(guò)MTL8455軟件進(jìn)行組態(tài)，完成通訊卡和I/O 卡的相關(guān)參數(shù)配置。
5 程序編制
DCS程序采用SCX語(yǔ)言編制,此語(yǔ)言類(lèi)似C語(yǔ)言,主要程序如下:
DCS程序采用SCX語(yǔ)言編制,此語(yǔ)言類(lèi)似C語(yǔ)言,主要程序如下:
int phase,error;
main()
{
long j; //定義一個(gè)長(zhǎng)整型變量
int i, a[49]; //定義一個(gè)整型變量和一個(gè)整型變量數(shù)組
int f;
int te[49];
setcomm(9600,0);//使用波特率為9600，無(wú)校驗(yàn)2位。
setdelaytime(250); //讀取數(shù)據(jù)延時(shí)250毫秒。
//1#
if (phase==0)
{
_TAG("RETURN31")=readinputreg(1,0,49,a); //讀取儀表地址為1，數(shù)據(jù)地址為0開(kāi)始的49個(gè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存放在數(shù)組中，將讀取數(shù)據(jù)的質(zhì)量碼賦值給"RETURN31"。
setdelaytime(250); //讀取數(shù)據(jù)延時(shí)250毫秒，保證不丟失數(shù)據(jù)包。
if(_TAG("RETURN31")==0 ) //如果返回的質(zhì)量碼為0，則開(kāi)始賦值。
{
_TAG("S101")=a[0]; //將數(shù)組中的第一個(gè)整型數(shù)賦值給101。
_TAG("S102")=a[8]; //將數(shù)組中的第9個(gè)整型數(shù)賦值給S102。
_TAG("S103")=a[16]; //將數(shù)組中的第17個(gè)整型數(shù)賦值給S103。
_TAG("S104")=a[24]; //將數(shù)組中的第25個(gè)整型數(shù)賦值給S104。
_TAG("S105")=a[32]; //將數(shù)組中的第33個(gè)整型數(shù)賦值給S105。
_TAG("S106")=a[40]; //將數(shù)組中的第41個(gè)整型數(shù)賦值給S106。
_TAG("S107")=a[48]; //將數(shù)組中的第49個(gè)整型數(shù)賦值給S107。
}
}
phase=phase+1; //運(yùn)行周期加1。
if (phase<0 OR phase>0)
{
phase=0;
}
}
圖5 s101轉(zhuǎn)換成無(wú)符號(hào)整型數(shù)據(jù)圖
將讀取的整型數(shù)據(jù)S101轉(zhuǎn)換成無(wú)符號(hào)整型數(shù)據(jù)
圖6 s0101狀態(tài)傳送圖
將轉(zhuǎn)換成無(wú)符號(hào)整型數(shù)據(jù)S0101進(jìn)行取值運(yùn)算，將S0101第一位狀態(tài)送給B-101-1，將S0101第二位狀態(tài)送給B-101-2。
圖7
如圖3所示，泵運(yùn)行時(shí)狀態(tài)為ON，停止?fàn)顟B(tài)為OFF。BLS207為報(bào)警投入切除按鈕，當(dāng)BLS207為OFF時(shí)ALMB207一直為OFF，不產(chǎn)生報(bào)警；當(dāng)BLS207為ON時(shí)，如果B-207-1、B-207-2全部為OFF時(shí)產(chǎn)生報(bào)警ALMB207直為ON。
其余報(bào)警與此相同。
6 結(jié)論
1 MTL8000 Process I/O是一種可以有效滿(mǎn)足過(guò)程工業(yè)需求的可現(xiàn)場(chǎng)安裝的I/O平臺(tái)，不僅能滿(mǎn)足一般應(yīng)用的需要，而且還能夠滿(mǎn)足危險(xiǎn)場(chǎng)合應(yīng)用的需要。具有高度的信號(hào)轉(zhuǎn)換精度和提供完善的系統(tǒng)診斷信息功能，夠滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程的苛刻要求。在一條通訊總線(xiàn)上可以傳輸大量的I/O信號(hào)，從而替代了傳統(tǒng)的的電纜連線(xiàn)，由于I/O節(jié)點(diǎn)位于現(xiàn)場(chǎng)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝到投用的周期可以大大縮短，同時(shí)也大量節(jié)省了控制室內(nèi)的空間。低電平信號(hào)可以直接連接到節(jié)點(diǎn)的端子上而不再需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從這一點(diǎn)上也能節(jié)省大量的費(fèi)用。完善的診斷和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)功能為系統(tǒng)提供了很高的可用性，從而提高生產(chǎn)裝置的可靠性和安全性。
2 每臺(tái)機(jī)泵通過(guò)一個(gè)接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，方法便捷、簡(jiǎn)單、使用，可以節(jié)省大量的設(shè)備、材料、人工。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)