电动阀门执行器现场总线控制系统及应用

时间：2020-04-27

电动阀门执行器是天然气长输管道中常用的现场控制设备，其智能化程度的高低、所含信息的多少和对故障的诊断与容错能力直接影响到数据采集与监控系统的可靠性、稳定性和易用性。大型站场中的电动阀门数量多且分散，采用普通的电动阀门硬布线繁多，这在一定程度上使站场监控系统的设计复杂化。

本工程在大型输气管道站场上采用英国Rotork公司的Pakscan电动阀门执行器总线控制系统，大大简化了监控系统的复杂设计，而且借助其丰富的诊断信息和对故障的容错能力，使控制系统的可靠性得以提高。

1 阀门执行器现场总线控制系统

近年来，在世界工业阀门和执行器生产制造中占有主导地位的化公司相继推出各自为阀门执行器开发设计的现场总线控制系统。其中主要有美国 Limitorque公司的DDC - 100TM系统、美国Key-stone公司的KEYD IG系统和英国Rotork公司的 Pakscan IIE系统。这类系统，无论其系统结构、总线形式和通信协议如何不同，都完全实现了阀门执行器等现场装置与上位控制系统的通信和智能化控制。

1.1 系统特点

阀门执行器现场总线控制系统是根据用户需要新发展起来的“FCS”(现场控制系统)。其系统配置和构成灵活多变，具有很强的适用性和扩展能力。它很好地解决了现场常见的有关干扰噪声、控制距离、接点容量和工作环境等方面的问题，具有如下特点：

1.1.1 电缆成本降低

阀门执行器现场总线控制系统由于具有良好的消噪功能，因此，它可以使用带屏蔽的双绞线或使用廉价的无屏蔽三线电缆进行系统内部的通信。在常规控制系统中，接到每台阀门执行器上的控制电缆芯数依据其传输信号数量而定，多的可达22根，而阀门执行器现场总路线控制系统中的所有阀门执行器的连接只需要两芯或三芯电缆即可完成。

1.1.2 控制系统成本降低

由于采用总线控制方式，上位控制系统节省了大量的I/O卡件和防浪涌保护设备。

1.1.3 系统容量大

根据使用要求和系统规模，阀门执行器现场总线控制系统允许在10～20km的一条通信环路上接入100～250台阀门执行器等各种类型的现场装置。在整个有效通信环路内，不设中继站也可将信息或数据传送到各个现场装置，同时还不限制接入环路内阀门执行器等装置之间的距离。

1.1.4 安装调试成本降低

安装调试成本降低，由于每台电动执行机构在接线时只涉及4个接线端子。而传统控制方式每台电动执行机构所涉及的接线端子少则14个多则30多个，使得安装调试非常烦琐。

1.1.5 信息传递量大幅度提高

由于采用双线控制方式可完成传统22芯电缆所能实现的信息传递，使得双线控制方式所能实现的信息传递量得以大幅度提升。

1.1.6 配置齐全

用户可根据过程控制的需要任意提出要求和配置，这种系统既能以主系统也能以子系统参与过程控制，使用时还可将阀门执行器等设置成智能化或半智能化单元。其它诸如主控站冗余、紧急操作面板、各种信号的输入输出接口、多站系统和多任务软件等都可以根据需要来配置。

1.1.7 接口简单

在阀门执行器现场总线控制系统中，系统内部通信接口短距离一般采用RS232，而长距离则采用RS485。同时，各种信号的输入输出接口也都采用插拔连接方式。

1.2 系统结构

不同的阀门执行器现场总线控制系统在结构上是基本相同的。它们一般是由主控站、通信环路和现场单元(本体为阀门执行器)组成。系统结构框图如图1所示。

1.2.1 主控站

主控站多采用工业PC机构成，以利用其键盘和显示器对系统的操作方式以及工作状态进行控制和监视。用户可根据系统提供的丰富方便的软件包非常容易地生成操作方式、系统状态和控制逻辑画面，并通过键盘随时发出操作命令，设置系统必要的工作参数条件。DDC-100TM系统和KEYD IG系统采用工业PC机构成的一种主控站。主控站也有特殊设计的盘装式结构，例如Pakscan IIE的主控站就是这种结构。在它的控制面板上，装有监视环路工作状态的液晶显示器、设置系统参数和数据的键盘以及显示系统运行和报警信息的指示灯。通过控制面板，可完成系统环路波特率、现场单元地址和数据传输等参数的设置。此外，万一主控站失控或系统工作不正常，操作人员可使用键盘直接控制阀门执行器。而当系统遇到意外情况时，控制面板上还有应急按钮供操作人员紧急关闭系统中重要的阀门与管道。它可在主控站发生故障后50ms自动切换到备用主控站，从而确保系统仍能安全可靠地运行。

1.2.2 通信环路

一般工业现场中的阀门执行器与控制室之间传输信号所需的接线十分繁杂，安装与维修都很困难，费用也很高。而阀门执行器现场总线控制系统中使用的两线或三线电缆既安装简单、维修方便、易于扩展、成本低、节省费用。特别是系统中所有阀门执行器用这种电缆一台一台串接起来后形成一条闭合的环路时，每台阀门执行器都能从环路的两个方向与主控站进行信息和数据的交换，相当又给系统增加了一条冗余通信路径。

1.2 系统工作原理

系统运行期间，除了正常的工作之外，环路电缆不停地被扫描查询，以确定其是否完整。若通信环路完整无损，主控站将依过程控制的需要通过环路电缆向现场单元发送控制命令，同时接受现场单元发回的工作状态信息。当然，所有现场单元都已预先设置好了地址并随时准备接受命令和接受查询。一般情况下，主控站要发数次命令。每发一次命令，都要接收到被询址现场单元的应答一次，否则，系统将按环路故障进行处理。现场单元的应答时间则由现场单元的数量以及环路距离所决定。

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