PLC在閥門遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

1. 引 言

　　可編程控制器（Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC）作為工業(yè)控制專用的計(jì)算機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良，抗干擾性能好，可靠性高，編程簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，在機(jī)械、化工、橡膠、電力、石油天然氣等行業(yè)工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)已日趨廣泛地得到應(yīng)用，成為工控現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的最主要的控制裝置。同時(shí)利用PLC所具有的串行通信和計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程通信功能，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)多臺(tái)PLC控制裝置的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。

　　在石油、天然氣遠(yuǎn)程輸送管線上，大口徑油氣管道閥門是重要的基礎(chǔ)設(shè)備之一，具有截止、開啟、配送和調(diào)壓等多種功能，一旦出現(xiàn)故障輕則影響管線的輸送功能，重則導(dǎo)致管線的嚴(yán)重破壞甚至造成人生安全，因此對(duì)油氣管道及閥門的全程狀態(tài)監(jiān)控顯得尤為重要。遠(yuǎn)程油氣管道監(jiān)控系統(tǒng)就是為提高油氣遠(yuǎn)程輸送的安全可靠性而提出來的，該系統(tǒng)允許系統(tǒng)操作員通過位于監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)終端，進(jìn)行對(duì)一定區(qū)域的閥門站進(jìn)行遠(yuǎn)程，具有較高的可靠性和運(yùn)行效率。

2. 監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

　　遠(yuǎn)程油氣管線監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)是以PLC作為遠(yuǎn)程控制終端，以工控PC機(jī)作為上位機(jī)的主從式一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，采用串行異步通訊協(xié)議。下位機(jī)PLC安裝在各閥門站，根據(jù)上位機(jī)的指令或自身的控制程序控制閥門的開啟或關(guān)閉，并配置各種傳感器等輔助設(shè)備，組成數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。上位機(jī)安裝于油氣調(diào)度控制中心，以半雙工輪詢方式同各閥門站PLC通訊，以此形成SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控）系統(tǒng)。無線數(shù)傳電臺(tái)采用透明方式工作，只起數(shù)據(jù)傳輸作用，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)采用同一頻率，通訊時(shí)，站點(diǎn)的識(shí)別是通過PLC的不同地址編號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。

　　各閥門站采用PLC作為系統(tǒng)的基本RTU單元，完成各種測(cè)量和控制任務(wù)，主要由PLC本體、AD轉(zhuǎn)換模塊、傳感器組與智能驅(qū)動(dòng)裝置四部分組成。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

　　2.1 閥門電機(jī)主回路

　　圖2為閥門電機(jī)主回路及PLC外部端子回路示意圖。三相交流電動(dòng)機(jī)M分別由交流接觸器KMO和KMC的通斷來驅(qū)動(dòng)閥芯順、逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)閥門的開啟或關(guān)閉。

圖2 閥門電機(jī)住回路及PLC外部端子回路示意圖

　　2.2 PLC外部端子回路

　　系統(tǒng)選用三菱電機(jī)公司生產(chǎn)的FX2N-32MR作為RTU單元。智能驅(qū)動(dòng)裝置是引進(jìn)美國(guó)Limitorque技術(shù)的SMC多回轉(zhuǎn)型閥門電動(dòng)裝置，它可以單臺(tái)控制，也可集中控制，可現(xiàn)場(chǎng)操作，也可遠(yuǎn)程控制，除能驅(qū)動(dòng)閥門動(dòng)作外同時(shí)還能將自身的狀態(tài)以標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的方式送出供PLC進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)。考慮閥門站兼有就地和遠(yuǎn)程兩種控制方式，PLC共管理12路輸入信號(hào)和8路輸出信號(hào)。其輸入輸出信號(hào)及端子分配如表1所示。

表1 PLC輸入/輸出信號(hào)及端子分配表

　　2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

　　A/D轉(zhuǎn)換模塊選用與PLC本體配套的FX2N-4AD，其有四路獨(dú)立的差分輸入通道。每個(gè)通道可選擇為電流型（±20mA）或電壓型（±10VDC）信號(hào)輸入。在每個(gè)閥門站管線或閥門的適當(dāng)位置裝上溫度、壓力和流量傳感器，以采集油氣管線的工作狀態(tài)。參數(shù)信號(hào)經(jīng)傳感器變送后分別與FX2N-4AD各獨(dú)立通道相連，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后放到相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器中，供PLC程序定時(shí)讀取。

　　2.4 數(shù)傳電臺(tái)選型與設(shè)置

　　計(jì)算機(jī)與PLC之間采用無線數(shù)傳電臺(tái)方式進(jìn)行通訊，采用交錯(cuò)編碼、收后重發(fā)技術(shù)，提高無線通訊的抗干擾能力，確保閥門站無線遠(yuǎn)程控制的安全可靠運(yùn)行。數(shù)據(jù)傳輸模塊選用美國(guó)的MDS2710數(shù)字傳輸電臺(tái)，它可為兩點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸提供全透明的半雙工通訊連接。它一端與嵌入在PLC內(nèi)的通訊FX2n-485-BD通過RS485接口方式相連，另一端則通過標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口與監(jiān)控中心服務(wù)器的串口連接，組成準(zhǔn)雙向的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收無線通訊網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)32個(gè)。

　　電臺(tái)數(shù)據(jù)幀格式設(shè)置為7位數(shù)據(jù)位、1位停止位、偶校驗(yàn)的方式，傳輸速率為9600bit/s。電臺(tái)發(fā)射功率為25W，采用收、發(fā)同頻方式（235MHz），主站架設(shè)全向天線，閥門站架設(shè)定向八木式天線后，數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)15Km以上，在地勢(shì)平坦地區(qū)，通訊距離可達(dá)20Km。與之相適應(yīng)PLC通訊格式特殊數(shù)據(jù)寄存器D8120設(shè)置為-8058，D8121寄存器用來設(shè)置各閥門站ID號(hào)。為了安全，除在天線安裝了避雷針外，天線到電臺(tái)之間的饋線也加裝了避雷器。

3. 監(jiān)控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)對(duì)閥門的監(jiān)控能實(shí)現(xiàn)就地控制和遠(yuǎn)程控制兩種控制方式。系統(tǒng)控制過程流程為：傳感器將測(cè)得信號(hào)通過屏蔽信號(hào)電纜傳送到A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后存入指定的數(shù)據(jù)寄存器供PLC讀取。PLC將數(shù)據(jù)通過無線數(shù)傳電臺(tái)送出，最后到監(jiān)控中心供系統(tǒng)處理，完成一次數(shù)據(jù)采集過程。系統(tǒng)控制信號(hào)當(dāng)為就地控制方式時(shí)由操作者通過閥門站控制箱內(nèi)的按鈕直接控制;當(dāng)為遠(yuǎn)程控制時(shí)則由監(jiān)控中心發(fā)出，PLC接收到信號(hào)后通過輸出端口控制智能驅(qū)動(dòng)裝置使閥門動(dòng)作。

　　系統(tǒng)軟件由兩部分組成：一是PLC端實(shí)時(shí)測(cè)控軟件;二是監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件。

　　3.1 閥門站PLC軟件設(shè)計(jì)

　　PLC端閥門站實(shí)時(shí)測(cè)控軟件控制過程流程圖如圖3所示。它采用梯形圖邏輯編制，編程方便且直觀。因篇幅原因，下面給出PLC本體從FX2N-4AD給取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果及部分控制程序梯形圖，如圖4所示。

圖3 PLC監(jiān)控程序流程圖

圖4 PLC控制程序梯形圖（部分）

　　3.2 系統(tǒng)監(jiān)控中心軟件

　　本監(jiān)控系統(tǒng)軟件是利用KingView6.5編寫。能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，以動(dòng)畫圖形方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有數(shù)據(jù)庫(kù)ODBC接口、DDE功能、可便利地生成各種曲線和用戶報(bào)表，也可將數(shù)據(jù)以Excel格式輸出。系統(tǒng)軟件主要由實(shí)時(shí)監(jiān)控、曲線動(dòng)態(tài)生成、數(shù)據(jù)報(bào)表管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、報(bào)警及用戶管理六大功能模塊組成。

　　用戶通過系統(tǒng)可隨時(shí)清楚了解網(wǎng)內(nèi)各閥門站的狀態(tài)參數(shù)與閥門狀態(tài)，對(duì)閥門實(shí)施遠(yuǎn)程控制，對(duì)所監(jiān)測(cè)的各種參數(shù)均設(shè)有上、下限值，具有越限報(bào)警、緊急處理功能。系統(tǒng)將歷史數(shù)據(jù)以多種方式保存，便于管理者進(jìn)行閥門站運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計(jì)和故障分析。圖5為監(jiān)控系統(tǒng)主畫面。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)主畫面

4. 結(jié) 語(yǔ)

　　系統(tǒng)監(jiān)控中心通過數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)對(duì)油氣管線中多閥門站參數(shù)同時(shí)實(shí)時(shí)采集、對(duì)異常情況及時(shí)報(bào)警，消除了安全隱患，極大改善了我國(guó)目前油氣管線監(jiān)管不力的現(xiàn)狀，系統(tǒng)有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)報(bào)表的自動(dòng)生成、數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問、排序、查詢等多種功能。系統(tǒng)經(jīng)半年多實(shí)際運(yùn)行，其性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，人機(jī)界面友好，易操作，使用維護(hù)方便，具有很好的可擴(kuò)展性和較高的實(shí)用價(jià)值。