（胜利油田)王振翼 （石油大学）戴永寿
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
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。
图1 系统总线结构
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
图2 系统程序框图
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。
（来源：网络）
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