王振翼（胜利油田) 戴永寿（石油大学）
Wang,Zhenyi Dai,Yongshou
摘 要
系统采用Modbus 通讯协议，在RS-485 Modbus 总线网络上配置智能流量计和I/O 模块等设备，利用力控组态软件平台，对油库发油控制过程进行组态、集成，进一步开发Micro Motion 智能变送器的通讯与测控功能，实现了集中监控与分布式数据采集功能。
关键词
Modbus;流量计;I/O 模块;组态软件
Abstract
The system adopts Modbus communication agreements in RS-485 Modbus network, in which smart flow meters, I/O modules and other devices are configured. It makes use of the ForceControl software platform for the configuration and integration of the oil delivering process control. With
further development of communication and measurement ability of the Micro Motion smart transmitters,master supervisory control and distributed data acquisition functions based on Modbus protocol are achieved.
Keywords
Modbus; flow meter; I/O module; Configuration software
引言
近年来，计算机和仪表自动化技术广泛应用于油田企业，油库在安全生产和科学管理方面也开始利用先进的工业控制技术、网络通信技术、数据库技术及其它相关的高科技技术，以提高安全生产和经营管理水平。
我们结合胜利油田成品油库现状和发展趋势，根据原有现场智能流量计的通信能力，设计开发了油库自动发油监控系统。
1 Modbus 协议简介
Modbus 通讯协议广泛应用于工业控制领域，协议结构简单通用，大部分工控系统都支持这种协议。Modbus标准定义了OSI 模型第7 层上的应用层报文传输协议，它还将串行链路上的协议标准化，以便在一个主节点和多个从节点之间进行查询和应答。Modbus 串行链路协议是一个主/从协议，该协议位于OSI 模型的第二层。
位于OSI 第7 层的Modbus 应用协议定义了简单的独立于其下面通信层的协议数据单元（PDU），RS-485 总线网络的Modbus 协议映射在发起Modbus 事务处理的主节点构造Modbus PDU ,然后添加附加域构造Modbus 串行链路通信PDU。
Modbus 通信总是由主节点发起，主节点向从节点发出查询命令并处理响应，从节点在没有收到主节点的请求时并不主动发送数据，也不与其它子节点互相通信。主节点在同一时刻只会发起一个Modbus 事务处理。
Modbus 协议定义两种串行传输模式：RTU 模式和ASCII 模式，规定了报文域信息位（bits）在线路上串行传送方式，确定了数据信息如何形成报文和报文如何解码。本系统采用RTU 模式，RTU 报文中每个8 位字节含有两个4 位十六进制字符，具有较高的数据密度，在相同的波特率下比ASCII 模式有更高的信息交换率。
每个报文必须以连续的字符流传送。标准Modbus 串行链路的可靠性基于两种错误校验：字符奇偶校验（偶或奇）和报文帧校验（LRC 或CRC）。RTU 报文帧包含一个对全部报文内容执行的、基于循环冗余校验（CRC）算法的错误检验域，不管报文有无奇偶校验，均执行此检验。
2 系统结构
该系统采用RS-485 Modbus 多点总线结构，包含两个层次：一是分布式的智能数据采集、远程控制设备，即下位机；另一个是数据处理和显示系统，即上位机。下位机包括14 台Micro Motion 流量计（2700 + T150）、14 套电动阀（V）及泵电机（M）、3 块Adam-4051 输入模块和3 块Adam-4056SO 输出模块。上位机HMI 系统应用力控组态软件作为监控平台，通过RS-485 Modbus 总线实现与下位机的通讯，对现场运行设备进行监视和控制，实现数据采集、设备控制、变量测量、参数调节以及各类信号报警等功能。系统总线结构如图1 所示。
现场数据采集设备为Micro Motion2700 变送器与T150 型传感器组成的高精度Coriolis 流量计。2700变送器对流体振动管传感器信号进行数字化处理，极大地减少了噪音，加快了系统的响应时间。它采用MVD技术，使流量计智能化，实现了多变量测量，能同时输出质量流量、体积流量、密度、温度、驱动增益等多个变量信号。可以查看过程变量、仪表状态，查看和响应报警，启动/停止/复位变送器累积量，改变测量单位，设置RS-485 通讯选项。2700 变送器具有自诊断功能，很容易地识别和处理错误。
ADAM-4051/4056SO 是现场执行设备到计算机的智能接口模块，内置微处理器，能够按照RS-485 协议与上位计算机连接通信，实现对电动阀和泵电机的状态查询与启/停控制。所有的模块组态参数，包括I/O 地址，传输模式、速率、奇偶校验都可以远程设置。ADAM-4051 是16 通道光隔离数字量输入模块，接收10～50V 输入电压，适合不同的数字量信号；ADAM-4056SO 是12 通道光隔离数字量输出模块，输出信号从+10VDC 到+35VDC，每通道最大电流1A。两种模块都支持Modbus/RTU 传输协议。
EIA RS-485 是工业上应用最广泛的双向、平衡传输线路标准，具有较强的抗干扰能力，能够高速或者长距离传输数据。在RS-485 总线网络段上有两根主线（Data+，Data-），流量计和I/O 模块通过引下线挂接在这两根主线上，所有连接是并行的，结点接入或解除都不会影响网络的整体性。使用ADAM RS-232/RS-485转换器连接计算机到RS-485 总线上。为了消除信号反射和畸变，在线路终端并联终端阻抗匹配器（终端器TR），电阻值等于线路的特征阻抗值。
3 软件组态
系统采用力控PCAtuto3.62 组态软件作为监控平台。力控是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件， 能以灵活多样的“组态方式”进行系统集成，方便、快速的构造不同需求的数据采集与监控系统。它提供了良好的用户开发界面和简洁的工程实现方法，只要将其内置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易的实现和完成监控层的各项功能，大大提高了系统集成效率，缩短了自动化工程开发时间。
根据生产工艺要求，在开发系统（Draw）中绘制发油流程、批量控制入口、装车亭单元结构、报表、报警等图形对象界面，在实时数据库组态程序（DBManager）中创建数据点，定义数据库变量，设置必要参数，在I/O 设备驱动（Modbus/RTU）中配置下位机设备，设置每个变送器、I/O 模块的设备名称、地址、通信方式、串行口波特率、数据位、奇偶校验、停止位等参数，这些参数设置必须是一致性的。将数据库的点参数和2700 变送器内存映像地址、ADAM 模块通道地址相对应，通过点参数的数据连接项来完成与现场设备的通讯连接， 图形对象通过对象动画连接项与数据库变量建立动态对应关系，现场数据通过数据库变量与界面图形对象动态连接，设备的运行状态对应显示在监控界面上，操作员在上位
机上很方便的实现对发油过程的实时监控。
通过组态软件可以设置2700 变送器各项功能参数，例如：设置质量流速单位和质量流量总量单位；为流量累加器建立起低流量关断功能，当质量流速小于流量低限值时，累加器停止计数；设置流量、密度阻尼常数，滤除噪声，消除流量和密度急剧变化带来的影响；设置密度低限，设置段塞流容许时间值，如果流体液相因夹杂气相使液体密度偶尔越过低限，段塞流容许时间值可以防止不必要的流体输出中断。
批量控制功能是在组态软件控制策略生成器中，应用“累计点”控制算法功能块实现的。功能块读取现场流量计瞬时流量输入，按时间标度进行累计，当累计器当前的累计值达到批量目标预设置时，批量累计完成，输出高电平，发出终止装油指令。
4 系统运行
系统工作程序如图2 所示。在一个发油批量开始之前，系统经初始化操作复位输入寄存器。操作员输入装车批量目标预设值后，主机按地址对下位机发起查询请求，建立通信后，通过Adam4056SO 启动发油流程，并不断读取变送器输入寄存器数据，当累计流量达到批量目标后，关断发油流程。当有接地、低密度、低流量等报警时，中断发油，查看故障参数并处理，报警解除后恢复批量进程。力控界面运行系统（View）运行流程画面、脚本、动画连接等，实时监控整个发油过程。系统实时数据库可以在线组态查询，保存历史数据，并且利用实时数据库转储工具ODBCGate 可以把数据存储到指定的数据库管理系统中，方便库存管理、报表管理。通过配置HTTP 服务器，在公司管理层WEB 页面上能够直接查看系统运行画面、实时数据库数据。
结束语：
采用Modbus 总线协议的发油监控系统，体现了分布式集中控制的思想， 一个节点出现问题、或例行检修时，不会影响其它节点正常工作，非常适用于油库不间断生产运行的特点。该系统投入使用两年以来，计量准确，操作方便，运行稳定可靠，在很大程度上提高了库存管理水平和生产效率。
本文作者创新点：在成品油库发油计量流程中引入了MODBUS 通信协议，开发了原有流量计测控功能，把自动化技术、信息技术应用到了油库经营管理中。
参考文献：
[1] 马国华《监控组态软及其应用》清华大学出版社，2001 年。
[2] Modbus-IDA.Org《MODBUS Application Protocol Specification V1.1a》，2004 年。
[3] 杨庆柏《现场总线技术》国防工业出版社，2004 年。
[4] 习博，方彦军. 工业以太网中网络通信技术的研究[J]，微计算机信息，2005，2:148-150
作者简介：王振翼，男，1970 年生，汉族，本科，工程师。1995 毕业于石油大学（华东）电子应用技术专业，现在胜利油田物资供应处油料公司从事仪表自动化技术研发工作。 Email：ylgswzy@slof.com。戴永寿，男，1966 年生，汉族，副教授，中国石油大学（华东）信息与控制工程学院硕士生导师，主要从事信息与控制技术研究。Email：daiys@hdpu.edu.cn。
Author brief introduction :Wang Zhenyi,Male,1970-,Engineer,Graduated from China University of
Petroleum, Work at ShengLi Oilfield Goods and Materials Supply Division Oil Company. Dai Yongshou,
Male, Director of postgraduate, Adjunct professor, Mainly for research on information and control
technology. College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum.
（257085 山东省东营市胜利油田物资供应处油料公司）王振翼
（257061 中国石油大学（华东）信息与控制工程学院）戴永寿
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