基于MPI與MODBUS協(xié)議的燃?xì)庹{(diào)壓站控系統(tǒng)

唐 波，孟祥印，唐 磊

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院智能機(jī)電研究所，四川成都 610031)

1 天然氣調(diào)壓系統(tǒng)工藝及其通信改造

1.1 天然氣調(diào)壓系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)介

一路完整的調(diào)壓系統(tǒng)由調(diào)壓器、緊急切斷閥、調(diào)流閥和其他溫度或壓力機(jī)械儀表組成。由于工業(yè)和民用用氣的不間斷性，所以一套完整的站控調(diào)壓系統(tǒng)通常由一主(運(yùn)行路)和一備(備用路)兩個(gè)管路組成，并輔以過(guò)濾、加臭、泄漏檢測(cè)等其他工藝。當(dāng)運(yùn)行路發(fā)生故障或下游用氣量突然增大，造成出口壓力過(guò)分低時(shí)，備用路能在自動(dòng)不停氣的情況下補(bǔ)上運(yùn)作供氣；若運(yùn)行路故障引起出口壓力過(guò)高時(shí)，緊急切斷閥能切斷運(yùn)行路，備用路自動(dòng)投入供氣。該系統(tǒng)共有4路：2路用于工業(yè)，2路用于民用。以工業(yè)用氣的兩路為例，其工藝如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

1.2 站控系統(tǒng)通信改造

改造前系統(tǒng)選用的是SIEMENS 315-2DP，該P(yáng)LC有很高的電磁兼容性和抗振動(dòng)、沖擊能力，溫度適應(yīng)范圍大[2]，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理與控制[3]。自帶兩個(gè)物理層為RS485的通訊端口，其中一個(gè)X1端口支持MPI協(xié)議；另一個(gè)X2端口支持DP協(xié)議，主從模式均可。為節(jié)省采購(gòu)控制器成本，仍使用該型號(hào)CPU，只是將通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為MPI，通信端口換作XI口。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與評(píng)估，單個(gè)站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與數(shù)據(jù)量均不多，通信速率要求也并不高，MPI方式完全可以滿足通信需求[4]。該方式節(jié)省了采購(gòu)EM277的成本，縮短了軟件開(kāi)發(fā)周期，簡(jiǎn)化改造后的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖(以提供工業(yè)用氣的兩個(gè)管路為例，下同)如圖2所示。

圖2 改造后的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖2中，UPS為控制器提供不間斷電源，即便在斷電情況下，選定的UPS電池也能維持系統(tǒng)正常工作2 h.KTP 600 Basic Color PT為西門(mén)子觸摸屏，支持MPI協(xié)議；S7-224XP CN只提供SCADA工作站與下位機(jī)的通信橋梁。需要注意的是，現(xiàn)有MODBUS指令庫(kù)中，PORT 1只能作為主機(jī)；PORT0口既能為主機(jī)，也能為從機(jī)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件連接

硬件的選型與連接主要考慮到設(shè)備的接口形式、模擬量與數(shù)字量的點(diǎn)數(shù)分配和現(xiàn)場(chǎng)的安全性，系統(tǒng)硬件連接圖如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)硬件連接圖

調(diào)壓器閥位為以0～5 kΩ的三線制電阻信號(hào)，需要安全柵將其轉(zhuǎn)換為二線制送入AI模塊中；此外，安全柵兼有浪涌保護(hù)器的功能，因而不用再額外添加模擬量浪涌保護(hù)器。調(diào)流閥、泄漏檢測(cè)儀均在內(nèi)供電方式下工作，對(duì)應(yīng)的信號(hào)為四線制，兩根信號(hào)線可直接對(duì)應(yīng)接入AI模塊，其他儀表信號(hào)為二線制。以壓力變送器和調(diào)流閥閥位為例，圖4、圖5分別表示了不同線制的接線方法。

圖4 兩線制信號(hào)接線方法

圖5 四線制信號(hào)接線方法

數(shù)字量一般為二線制，接線方法同二線制的模擬量接線；24 V電源為工業(yè)開(kāi)關(guān)電源提供。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

315-2DP的軟件流程圖如圖6所示，其中OB32與OB33為組織塊中斷程序變換，中斷時(shí)間分別為1 s與500 ms.OB32負(fù)責(zé)調(diào)流閥閥位的PID調(diào)節(jié)，OB33處理S200與315-2DP的MPI通信；OB100僅在系統(tǒng)暖啟動(dòng)時(shí)調(diào)用，它初始化了調(diào)流閥的工作方式為手動(dòng)/本地模式，并根據(jù)當(dāng)?shù)亓髁亢妥畲笤O(shè)計(jì)流量初始化調(diào)流閥閥位遠(yuǎn)控值。由于S200為上、下位機(jī)通信橋梁，只需初始PORT0口為MODBUS從站模式即可。

3.1 MPI通信程序

使用SIMATIC Step 7對(duì)315-2DP編程，該軟件能添加HMI站點(diǎn)，方便觸摸屏流程并能在線仿真。MPI通信的數(shù)據(jù)大小為21個(gè)字節(jié)。為方便程序編寫(xiě)，通信前將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)規(guī)整到一片連續(xù)的存儲(chǔ)區(qū)中，各變量對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

315-2DP采用系統(tǒng)功能函數(shù)SFC 68(即X-PUT指令)實(shí)現(xiàn)發(fā)送。類(lèi)似地，SFC 67(即X-GET)接收從SCADA工作站發(fā)送至S200的工作參數(shù)。通信時(shí)，S200的MPI地址(DEST_ADDR)為0，通信伙伴對(duì)應(yīng)接收這些變量的地址(VAR_ADDR)為VBO～VB20指向本地CPU包含要發(fā)送的數(shù)據(jù)區(qū)域(SD)為(QB8～QB28)。選擇S200的V存儲(chǔ)區(qū)是為了方便MODBUS通信。以發(fā)送為例，MPI通信程序如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

表1 通信數(shù)據(jù)地址規(guī)整對(duì)應(yīng)表

3.2 MODBUS通信程序

使用Micro/Win V4.0 SP6對(duì)224XP編程，其與SCADA工作站通信時(shí)，S200為MODBUS從站。在第一個(gè)循環(huán)掃描周期，MBUS_INIT指令將PORT0口初始化為MODBUS從站，此后在每個(gè)循環(huán)周期調(diào)MB_SLAVE指令完成數(shù)據(jù)交換，接收區(qū)起始地址為VB0，波特率為9 600，無(wú)校驗(yàn)。通信程序如下：

LD SM0.1

CALL MBUS_INIT：SBR1，1，16#0A，9600，0，0，128，32，256，&VB0，M0.1，MB1

LD SM0.0

CALL MBUS_SLAVE：SBR2，M0.2，MB2

3.3 觸摸屏組態(tài)界面

良好的人機(jī)交換界面能反映系統(tǒng)的功能，為操作員培訓(xùn)、用戶管理和操作提供方便。通過(guò)觸摸屏，用戶根據(jù)自己的權(quán)限就能不同程度地查看現(xiàn)場(chǎng)情況、設(shè)置儀表參數(shù)、壓力與流量曲線等[5]，工業(yè)用氣的兩路管道監(jiān)控主界面如圖8所示(管路二為備用管道，沒(méi)有通氣)。

圖8 觸摸屏就地監(jiān)控界面

4 結(jié)束語(yǔ)

改造后的系統(tǒng)較原系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到了一定優(yōu)化，硬件成本和軟件開(kāi)發(fā)周期得到了縮減。該站控制系統(tǒng)于2013年5月投入運(yùn)行，通信穩(wěn)定、可靠，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程和就地控制兩種控制方式，完全滿足用戶需求；對(duì)其他類(lèi)似易燃易爆工況下的遠(yuǎn)程監(jiān)控有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳志剛.PLC在天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用.電氣與應(yīng)用，2011，30(11)：84-86.

[2] 孟彬，王傳松，孫晉永，等.西門(mén)子PLC與英格索蘭壓風(fēng)機(jī)之間的MODBUS通信.工礦自動(dòng)化，2013，39(1)：118-120.

[3] 廖常初.PLC編程及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：149-158.

[4] 田海，張勇.基于多通信協(xié)議的高爐渣?；O(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì).工礦自動(dòng)化，2012(10)：13-18.

[5] 車(chē)小偉，周倫，孟祥印.PLC在天然氣調(diào)壓站智能監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用.化工自動(dòng)化及儀表，2013，40(7)：901-904.