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摘要：本文主要介紹了遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)的組成、調(diào)試方法及主要技術(shù)特點。Abstracts: This paper introduces the remote I/O system configuration, commissioning and main technology feature.

關(guān)鍵字：數(shù)據(jù)總線、通訊、組態(tài)、程序
Key words: data bus, communication, configuration, program

1 引言

    2007年藍(lán)星石化公司天津石油化工廠重油催化裝置進(jìn)行設(shè)備改造，對接近100臺機(jī)泵的運(yùn)行指示信號采用 MTL8000 Process I/O進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)換成數(shù)字通訊信號傳給DCS系統(tǒng)，對裝置的安全運(yùn)行提供了監(jiān)控手段。在重油催化裝置變電室安裝遠(yuǎn)程I/O采集箱，通過數(shù)據(jù)總線與DCS系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

    由于變電室與主控室之間有1000米的距離，上述方案比較直接從現(xiàn)場使用導(dǎo)線連接到主控室的DCS中的常規(guī)施工方法要節(jié)省1/3的施工時間和1/2的費用，其中可以節(jié)省大量的DCS的過程通道板卡和安全柵，節(jié)省大量的補(bǔ)償導(dǎo)線和輔料及其人工費。系統(tǒng)投用后，達(dá)到設(shè)計要求。

2 系統(tǒng)組成和特點

    2.1系統(tǒng)組成

    見附圖一  （系統(tǒng)框圖）

    MTL8000遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)包括：總線接口模件（BIM），I/O模件。總線接口模件（BIM）提供了高性能、冗余通信，它所支持的通訊協(xié)議有Modbus-RTU或Profibus-DP。MTL8000遠(yuǎn)程I/O 的卡件采用底板式安裝，I/O卡件和現(xiàn)場接線端子可以十分方便地安裝在底板上，所有卡件可以在危險場所在線更換。整個系統(tǒng)最多可以連接32個I/O卡件，每個卡件分別有8通道或16通道。為了保證系統(tǒng)供電的可靠性，系統(tǒng)可采用冗余的24VDC 供電。

    2.2 系統(tǒng)特點

    MTL8000遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)包含有不同I/O類型（普通模塊、本質(zhì)安全模塊），并提供了廣泛的通訊協(xié)議（Modbus-RTU，Profibus-DP、以太網(wǎng)），在大型I/O系統(tǒng)中，可以將多個I/O節(jié)點連接使用。

    2.2.1 通訊

    采用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線與主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通訊。選用不同的Process I/O總線接口模塊（BIM）可以實現(xiàn)不同的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。通過調(diào)換不同的BIM，就可以實現(xiàn)不同的總線通訊協(xié)議，而不用調(diào)整其他部分的配置。通過I/O卡件可以直接將HART信號傳送到上位系統(tǒng)。

    可以選擇支持智能現(xiàn)場儀表連接的模擬量I/O通道，每個通道輸入/輸出4/20mA電流，同時還支持HART協(xié)議，可以獲得HART設(shè)備的四個主要變量和儀表狀態(tài)信息?？刂破魍ㄟ^Modbus和Profibus的連接可以獲得這些信息，控制系統(tǒng)可通過組態(tài)利用這些重要數(shù)據(jù)來改善過程控制的質(zhì)量。

    2.2.2過程環(huán)境

    可工作在-40到+70 oC環(huán)境溫度范圍 ，抗腐蝕能力符合G3 ISA SP71.04標(biāo)準(zhǔn)，符合EN60068標(biāo)準(zhǔn)的抗震性能。

    2.2.3防爆等級

    MTL8000 I/O可以現(xiàn)場安裝，卡件連接來自裝置中的各種信號。根據(jù)需要采用隔爆和本安兩種防爆技術(shù)，可以采用一般應(yīng)用區(qū)域（非危險區(qū)域）、2區(qū)或1區(qū)。

    2.2.4 I/O負(fù)載能力

    信號類型可以是標(biāo)準(zhǔn)的4/20mA模擬量、溫度以及數(shù)字量信號，信號源可位于一般應(yīng)用區(qū)域或危險區(qū)域。對于模擬量回路，MTL8000具有16bit的轉(zhuǎn)換精度提高過程控制的質(zhì)量，每個I/O節(jié)點可以提供從1到432個I/O點（典型系統(tǒng)）可升級規(guī)模的系統(tǒng)。每個點可以通過組態(tài)選擇濾波功能。

    2.2.5系統(tǒng)自診斷

    通常與DCS聯(lián)合集成診斷功能，發(fā)送的診斷信息包括LAN通訊狀態(tài)、電源以及I/O模塊，甚至及具體到每一個通道的診斷信息。可對熱電偶斷路及RTD故障進(jìn)行上行至最大和下行至最小的組態(tài)選擇。監(jiān)視DCS或PLC系統(tǒng)主機(jī)的“看門狗”信號，當(dāng)出現(xiàn)通訊故障時，MTL8000可將模擬量和數(shù)字量輸出設(shè)定在預(yù)先定義的級別上，在有效供電的情況下將保持這一狀態(tài)。
    在系統(tǒng)其他部分帶電正常工作的情況下，能夠檢測出插槽上安裝的錯誤的模塊并允許在線更換。 

    雙冗余LAN和電源具有極低的平均修理時間從而確保了停車時間被控制在最低的水平上。 

    2.2.7系統(tǒng)安裝和維護(hù)

    全模塊化的設(shè)計使得現(xiàn)場安裝和維護(hù)簡單易行，同時由于不存在錯誤安裝的可能性，使得裝置的安全性得到了保證。緊湊的設(shè)計確保了最小的占地空間，這一點在改造系統(tǒng)中顯得尤為重要。 

    系統(tǒng)的模塊化還體現(xiàn)在I/O模塊與現(xiàn)場端子單元和底板的分離，這種結(jié)構(gòu)使得在現(xiàn)場損壞的端子可以被單獨更換，從而保護(hù)了用于I/O電器設(shè)備的投資。這種模塊化設(shè)計還確保了I/O 模塊和端子可以在線更換而不用切斷系統(tǒng)總線和電源。

    允許所有的儀表回路進(jìn)行在線的維護(hù)并且在不斷電和通訊丟失的情況下允許所有的I/O模塊在線更換，甚至在危險區(qū)域。如此低的MMTR確保了極高的系統(tǒng)可應(yīng)用性和最小的產(chǎn)品浪費。

    2.2.8系統(tǒng)響應(yīng)時間

    通過三種掃描優(yōu)先級別對系統(tǒng)速度進(jìn)行優(yōu)化，如允許高優(yōu)先級和控制回路采用高的掃描速率，而溫度和檢測回路采用低的掃描速率。采用掃描優(yōu)化器對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置可以方便地實現(xiàn)系統(tǒng)速度的優(yōu)化。

    由于上述特性，即使在大規(guī)模節(jié)點情況之下，對系統(tǒng)的響應(yīng)時間優(yōu)于100mS。

3 技術(shù)要求

    3.1運(yùn)行要求

    催化裝置的機(jī)泵運(yùn)行有一些特殊要求,為保證裝置的安全運(yùn)行,在機(jī)泵的配置上實現(xiàn)二重化或三重化,二重化配置可以實現(xiàn)一用一備或全部使用,三重化配置可以實現(xiàn)二用一備.這樣在運(yùn)行機(jī)泵發(fā)生故障時可以及時進(jìn)行切換,但二重化配置不允許全部停運(yùn),三重化配置不允許有二臺機(jī)泵同時停運(yùn).

    3.2 引線要求

    每臺機(jī)泵只引入一對接點。

    3.3 邏輯要求

    以三重化配置為例說明:（見附圖 二  邏輯運(yùn)算圖）

    K1為1號泵狀態(tài)，運(yùn)行時為ON，停止時為OFF；

    K2為2號泵狀態(tài)，運(yùn)行時為ON，停止時為OFF；

    K3為3號泵狀態(tài)，運(yùn)行時為ON，停止時為OFF；
 

    使用以上邏輯控制，K1、K2、 K3中如果兩個泵狀態(tài)為OFF，三個或運(yùn)算中肯定有一個為OFF。

    或運(yùn)算后的三個量進(jìn)行與運(yùn)算，只要有一個為OFF，與運(yùn)算即為OFF，在進(jìn)行取反運(yùn)算。輸出變成ON狀態(tài)，顯示報警。

    二重化配置機(jī)泵的監(jiān)控邏輯比較簡單,K1和K2 進(jìn)行”或”運(yùn)算,輸出為OFF時,既為二臺機(jī)泵全部停運(yùn), 在進(jìn)行取反運(yùn)算。輸出變成ON狀態(tài)，顯示報警。

4 MTL8000組態(tài)

    總線標(biāo)準(zhǔn)采用Modbus-RTU通訊協(xié)議，通過冗余的RS485接口（LANA ，LANB）同上位機(jī)進(jìn)行通訊。通訊的參數(shù)，如波特率、奇偶校驗和卡件類型都可以通過軟件組態(tài)設(shè)定。組態(tài)可以通過本地組態(tài)或遠(yuǎn)程組態(tài)完成，通過通訊卡上的RS232 接口可以進(jìn)行本地組態(tài)；通過一個RS485 接口可以從控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程組態(tài)。

    4.1 接收單元同DCS的通訊參數(shù)設(shè)置

    波特率：9600

    數(shù)據(jù)位：8

    停止位：1

    奇偶校驗：非奇非偶校驗 (NONE）

    節(jié)點地址：1——3、4——6、7——9

    4.2組態(tài)可以有本地和遠(yuǎn)程兩種方式進(jìn)行

    見附圖三 本地組態(tài)連接方式

    見附圖四 遠(yuǎn)程組態(tài)連接方式

    MTL8000 組態(tài)軟件安裝到PC 機(jī)上后，可以通過MTL8455軟件進(jìn)行組態(tài)，完成通訊卡和I/O 卡的相關(guān)參數(shù)配置。
      
5 DCS程序采用SCX語言編制,此語言類似C語言,主要程序如下:

int phase,error;

main()
{
 long j; //定義一個長整型變量
 int i, a[49]; //定義一個整型變量和一個整型變量數(shù)組
 int  f;
 int te[49];
 setcomm(9600,0);//使用波特率為9600，無校驗2位。
 setdelaytime(250);  //讀取數(shù)據(jù)延時250毫秒。

//1#
   if (phase==0)
   {  
    _TAG("RETURN31")=readinputreg(1,0,49,a); //讀取儀表地址為1，數(shù)據(jù)地址為0開始的49個數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存放在數(shù)組中，將讀取數(shù)據(jù)的質(zhì)量碼賦值給"RETURN31"。
 setdelaytime(250); //讀取數(shù)據(jù)延時250毫秒，保證不丟失數(shù)據(jù)包。
        
        if(_TAG("RETURN31")==0 ) //如果返回的質(zhì)量碼為0，則開始賦值。
   {
    _TAG("S101")=a[0]; //將數(shù)組中的第一個整型數(shù)賦值給101。
    _TAG("S102")=a[8]; //將數(shù)組中的第9個整型數(shù)賦值給S102。
   _TAG("S103")=a[16]; //將數(shù)組中的第17個整型數(shù)賦值給S103。
   _TAG("S104")=a[24]; //將數(shù)組中的第25個整型數(shù)賦值給S104。
   _TAG("S105")=a[32]; //將數(shù)組中的第33個整型數(shù)賦值給S105。
  _TAG("S106")=a[40]; //將數(shù)組中的第41個整型數(shù)賦值給S106。
  _TAG("S107")=a[48]; //將數(shù)組中的第49個整型數(shù)賦值給S107。  
     }
  }
  phase=phase+1; //運(yùn)行周期加1。
 if  (phase<0 OR phase>0)
 {
   phase=0;
 }
}
 

    將讀取的整型數(shù)據(jù)S101轉(zhuǎn)換成無符號整型數(shù)據(jù)

    將轉(zhuǎn)換成無符號整型數(shù)據(jù)S0101進(jìn)行取值運(yùn)算，將S0101第一位狀態(tài)送給B-101-1，將S0101第二位狀態(tài)送給B-101-2。。。。。。 

    如上圖，泵運(yùn)行時狀態(tài)為ON，停止?fàn)顟B(tài)為OFF。BLS207為報警投入切除按鈕，當(dāng)BLS207為OFF時ALMB207一直為OFF，不產(chǎn)生報警；當(dāng)BLS207為ON時，如果B-207-1、B-207-2全部為OFF時產(chǎn)生報警ALMB207直為ON。
其余報警與次相同。

6、結(jié)論

    1 MTL8000 Process I/O是一種可以有效滿足過程工業(yè)需求的可現(xiàn)場安裝的I/O平臺，不僅能滿足一般應(yīng)用的需要，而且還能夠滿足危險場合應(yīng)用的需要。具有高度的信號轉(zhuǎn)換精度和提供完善的系統(tǒng)診斷信息功能，夠滿足生產(chǎn)過程的苛刻要求。在一條通訊總線上可以傳輸大量的I/O信號，從而替代了傳統(tǒng)的的電纜連線，由于I/O節(jié)點位于現(xiàn)場，從系統(tǒng)設(shè)計、安裝到投用的周期可以大大縮短，同時也大量節(jié)省了控制室內(nèi)的空間。低電平信號可以直接連接到節(jié)點的端子上而不再需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從這一點上也能節(jié)省大量的費用。完善的診斷和現(xiàn)場維護(hù)功能為系統(tǒng)提供了很高的可用性，從而提高生產(chǎn)裝置的可靠性和安全性。

    2 每臺機(jī)泵通過一個接點實現(xiàn)對其運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，方法便捷、簡單、使用，可以節(jié)省大量的設(shè)備、材料、人工。 
 
7、參考文獻(xiàn)：

    1分布式I/O系統(tǒng)解決方案及其應(yīng)用  作者：汪仁智

8、作者情況：

    袁漢福   副總工程師，藍(lán)星石化有限公司天津石油化工廠，從事煉油自動化的設(shè)計、施工等工作。