甘维兵,祁耀斌,张 宇
(武汉理工大学光纤传感技术研究中心,湖北武汉 430070)
摘 要
介绍了分布式监控技术领域的一种新型技术———现场总线网络技术,指出了其相对传统技术所具备的独特优越性。通过对现场总线技术特点的分析,介绍了一种基于现场总线技术的油库安全监测系统。最后对系统监控软件进行了介绍,并开发出相应的接口通讯程序。采用现场总线技术组建的油库安全监测系统稳定可靠,具有良好的应用前景。
关键词
现场总线 网络 安全监测 In Touch 软件
多年来,对一些原油储罐的测量绝大多数是采用人工检尺和分析化验的方法。这种落后的检测手段,无法保证生产的正常运行,更谈不上优化操作,使生产操作和管理决策具有很大的盲目性。随着电子及计算机控制技术的飞速发展,用于油库安全监测领域的自动化技术也正经历着前所未有的发展。其控制方式也由最早的集中式、集散式到现在的全分散式。每一次新技术的引进都为减轻现场工作人员的劳动负担和提高监测精度及效率起到了巨大的推动作用。现场总线技术是一种于20世纪80 年代初提出来,经历了20 世纪90 年代的发展,于近几年得到广泛推广及应用,代表分布监控技术发展方向的一种新型技术。现场总线技术在油库安全监测领域中的应用,必将为石化企业的发展提供新的机遇。
1 现场总线技术
现场总线( Fieldbus) 是20 世纪80 年代末、90年代初国际上发展形成的,用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础,沟通了生产过程现场与控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络,而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术,已经受到世界范围的关注,成为自动化技术发展的热点,并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。
1.1 现场总线的技术特点
系统的开放性、互可操作性与互用性、现场设备的智能化与功能自治性、系统结构的高度分散性、对现场环境的适应性。
1.2 几种具有代表性的现场总线
经历了近20 年的发展后,目前几种具有代表性的现场总线分别是: 基金会( FF) 、LonWorks ,Profibus ,CAN 以及HART 现场总线。1. 3 Profibus 现场总线它是作为德国国家标准DIN19245 和欧洲标准prEN50170 的现场总线, ISO/ OSI 模型也是它的参考模型。
1) Profibus 由3 个兼容部分组成。Profibus2DP :是一种高速低成本通信,用于设备级控制系统与分散式I/ O 的通信; Profibus2PA :专为过程自动化设计,可使传感器和执行机构连在一根总线上,并有本质安全规范; Profibus2FMS :用于车间级监控网络,是一个令牌结构、实时多主网络。
2) Profibus 采用三种传输技术: RS2485 传输技术、IEC115822 传输技术、光纤传输技术。
3) Profibus 总线存取协议:均使用一致的总线存取协议。该协议是通过OSI 参考模型第2 层(数据链路层) 来实现的。它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。主站之间采用令牌传送方式,主站与从站之间采用主从方式。其协议结构如图1 所示。
图1 Profibus 协议结构
注:1 层——物理层; 2 层——数据链路层; 7 层——应用层;IEC 接口采用DIN E 19245 T4 ; 深色框处采用EN 50170 ; A ——RS2485/ 光纤;B ——IEC11581 2
4) Profibus2DP 系统配置和设备类型:它允许构成单主站或多主站系统。在同一总线上最多可连接126 个站点。系统配置的描述包括站数、站地址、输入/ 输出地址、输入/ 输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。
2 基于Profibus 现场总线的油库安全监测系统
2.1 系统的构成
该系统可分为现场检测层和操作管理层。其中现场检测层负责对储罐的液位、阀位以及温度信号进行检测;负责对4 台汽车发油装置D K2S600系列定量装车控制仪的控制,完成自动计量、自动发油作业控制。操作管理层负责对罐区生产情况进行监控,并通过IE 浏览的方式在局域网上实现信息共享。
系统的控制核心为西门子S72400H PLC。其DP 口通过DP 电缆与总线模块ET200S 实时互换数据;另一DP 口作为MPI 总线使用,可作为编程口使用,并且可作为2 个操作站PC 机通过PC 适配器和西门子S72400H PLC 组成MPI 总线上的4个站,互换相关数据。S72400H PLC 通过CP342与另一S72400H PLC 的CP342 进行冗余信息处理。ET200S 上扩展模块CP341 采用双绞线通过协议转换器与光纤液位计通信,实时采集光纤液位计中所有罐的液位数据。上位机监控软件采用In2Touch7. 1 ,此软件组态简单方便,功能强大,人机界面具有良好的开放性, 支持TCP/ IP , DDE ,OPC ,SQL 等标准通信协议。其体系结构如图2所示。
图2 基于Profibus 现场总线的油库安全监测系统
2.2 现场检测传感单元
1) 光纤液位传感器
GY 系列光纤液位计用来检测储油罐内油的液位,其测量范围为0～25 m ,精度达到±2 mm ,分辨率为1 mm ,最大能传输5 km；
2) 光纤液位报警器
GYB 系列光纤液位报警器用来对储油罐的液位定点监测,其测量范围可调,响应时间为0.5 s ,最大能传输1 km；
3) 光纤阀位回讯器
GFH 系列光纤阀位回讯器用来检测储油罐阀位的开关状态；
4) 光纤温度传感器
CGW 型光纤光栅温度传感器用来检测储油罐内油的温度,其测量范围为- 10～80 ℃,精度达到±1℃,灵敏度为0.1℃,最大能传输10 km。
2.3 工作原理
光纤传感器对罐区各种参数进行在线检测,现场采集的光信号在操作层经过光电转换变为电信号,并直接传送PLC 进行处理。PLC 和扩展单元之间采用Profibus 连接。PLC 和监控系统之间使用Et hernet 连接,现场采集的液位信号、温度信号、开关量通过Et hernet 进入操作层系统监控,这样使得PLC 系统相对独立。
D KS2600 定量装车仪采集体积流量计、温度变送器、防静电防溢流控制器信号,通过对电磁阀的控制,完成自动定量装车作业。定量装车仪一方面将装车数据实时地传送给监控计算机,同时也接收监控计算机的控制命令。该系统由1 台计算机为上位机,4 台DKS2600 系列定量装车控制仪为下位机,通过D KS2600 系列远程多路通讯器,采用总线联接方式,构成分散型控制系统。
3 系统软件设计
3.1 操作系统———Win98/ N T/ 2000
鉴于用户对Windows 平台的熟悉程度和该平台下的众多软硬件支持,以及该平台良好的图形界面、抢占式多任务等众多优点,采用Windows 系列平台。
3.2 监控组态软件平台———In Touch7. 11
In Touch 组态监控软件是由美国Wonderware公司开发的人机界面生成程序,该软件的最大特点是开发者不用写冗长的程序,仅需作图,建立动态连接,然后运行即可。它包括许多个应用程序,其中有两个关键程序: Window Maker 和Window Viewer 。前者用来开发用户应用系统；后者用来运行用户系统。
In Touch 软件包含有庞大的标准图形库、完备的绘图工具和全新的ActiveX 动画构件,支持目前绝大多数硬件设备并且具有强大的数据处理及报警功能、完善的安全机制和强大的网络功能等特点,简单易学。
3.3 ET200S 与光纤液位计通讯的实现
光纤液位计存放储罐的液位数据, 采用ET200S 模块的CP341 通讯模板通过协议转换器
与光纤液位计进行实时数据采集。所有数据送入PLC 的有关DB 块中,供操作站调用。
协议转换器与光纤液位计的通信参数——2 400波特率:2 400 ;数据位:8 位;1 位可编程的第9 位数据位和1 位停止位;数值码:十六进制。协议转换器发送给光纤液位计报文格式: 0FFH ,站号(1～3) 、01H ,站号,00H ,00H ,81H ,发送报文时,前两个字节的第9 位数据位必须为1 ,后5 个字节的第9 位数据位必须为0 。光纤液位计发送给协议转换器报文格式为00H ,00H ,01H ,站号,81H ,00H ,00H ,01H ,站号,81H ,80H ,60 个字节的液位数据,4 个分割字节,60 个温度数据、4 个分割字节,2 个结束标志。
CP341 与协议转换器通信参数——波特率:2400 ;数据位:8 位;无校验;停止位:1 位;数值码:十六进制。CP340 发送给协议转换器指令:Z100CR ,X100CR , Y100CR ,分别对应光纤液位计的站号0 ,1 ,2 。
协议转换器回送给CP341 所有罐液位值,每罐4 位十六进制数, 高位在先。例如回送“200032154321 ⋯5612”。表示: 1 # 罐的液位高度的回送数据为2000H ,2 # 罐的液位高度的回送数据为3215H。
3.4 STEP7 与In Touch 通信接口程序
在该系统中,Step7 中的程序块DB 就是上位机监控软件与Step7 程序的数据接口点,配置与其相对应的DB 块就可实现上位机监控软件In Touch 与Step7 程序的数据接口。其通信接口程序如下。
CALL“DP2SEND”
CPLADDR : = W # 16 # 170
SEND : = P # DB1. DBX0. 0 B YTE240
DONE : = M0. 0
ERROR : = M0. 1
STSTUS : = MW1
CALL“DP2RECV”
CPLADDR : = W # 16 # 170
RECV : = P # DB2. DBX0. 0 B YTE240
NDR : = M128. 0
ERROR : = M128. 1
STA TUS : = MW46
DPSTA TUS : = MB120
L DB2. DBW 0
L 0
J C m001
CALL FC 63
M001 :NOP 0
CALL FC 64
4 总结
现场检测及控制系统的数字化、网络化是一种必然的发展方向,而现场网络的开放性与具体设备的无关性也是一种趋势。用于油库现场监测的仪器及设备经常来自不同的生产厂家,品种繁多,加之其具有的分散性,在未来的应用中要很好地发挥各种仪器设备的现场监测作用,简化现场人员对设备的操作和维护,对此,现场总线网络技术必将有着很好的应用前景。
（来源：《石油化工自动化》）
|
