輸氣管道工程中電動(dòng)閥組總線技術(shù)的應(yīng)用

張 濤

中國(guó)石油管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部,北京 100101

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輸氣管道工程中電動(dòng)閥組總線技術(shù)的應(yīng)用

張 濤

中國(guó)石油管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部,北京 100101

隨著管道的發(fā)展,電動(dòng)閥大量應(yīng)用于大型壓氣站、樞紐聯(lián)絡(luò)站等,為了解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信，以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞,電動(dòng)閥組采用了總線控制方式?？偩€控制方式較傳統(tǒng)電纜控制方式，既節(jié)省了工程成本,減少了施工難度,又可以提供設(shè)備的故障分析及后期診斷,甚至為設(shè)備全生命周期管理提供有效手段。電動(dòng)閥數(shù)量多、站場(chǎng)工藝復(fù)雜的輸氣管道采用電動(dòng)閥組總線技術(shù)是必要的。

總線技術(shù);故障診斷;天然氣長(zhǎng)輸管道

0 前言

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是20世紀(jì)80年代末國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[1],在電力、汽車等行業(yè)應(yīng)用較廣泛。隨著管道的發(fā)展,大型壓氣站、樞紐聯(lián)絡(luò)站等都集中使用電動(dòng)閥組。為了解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備間的數(shù)字通信,以及這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與管道站場(chǎng)控制室中計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(站控制系統(tǒng))之間的信息傳遞,需要敷設(shè)大量的儀表控制電纜。通常情況下輸氣管道站場(chǎng)電動(dòng)閥組與站控制系統(tǒng)的電纜敷設(shè)需要通過(guò)電纜溝或電纜橋架,而開挖電纜溝或建設(shè)電纜橋架工程量大、費(fèi)用高,且需解決電纜溝防雨、防爆以及橋架的防腐、防雷等問(wèn)題[2]。而電動(dòng)閥組采用總線控制方式,經(jīng)核算電動(dòng)閥數(shù)量在20臺(tái)以上,控制電纜平均長(zhǎng)度超過(guò)300 m時(shí),可降低工程投資并提高電動(dòng)閥組的診斷能力。所以,電動(dòng)閥數(shù)量多、站場(chǎng)工藝復(fù)雜的輸氣管道采用電動(dòng)閥組總線技術(shù)是必要的。

1 電動(dòng)閥組總線技術(shù)的目的

電動(dòng)閥組總線技術(shù)的目的在于提高對(duì)各閥門故障的診斷能力和降低工程投資,利于管道站場(chǎng)改造或擴(kuò)建,符合管道全生命周期信息化管理的要求。

1.1 采集數(shù)據(jù)更全面、故障診斷更準(zhǔn)確

總線技術(shù)上傳數(shù)據(jù)量是傳統(tǒng)硬接線的3倍[3]。傳統(tǒng)閥組上傳一個(gè)綜合故障信號(hào),運(yùn)行人員實(shí)際上并不知道閥組內(nèi)部出現(xiàn)了哪種問(wèn)題;而總線技術(shù)通過(guò)對(duì)上傳信號(hào)中故障數(shù)據(jù)的細(xì)分,可以讓運(yùn)行人員及時(shí)了解閥門出現(xiàn)何種故障,快速進(jìn)行故障排除和維修。

1.2 減少工程投資和施工工程量

總線技術(shù)施工簡(jiǎn)單、維修方便、人工成本低。對(duì)于雙總線來(lái)說(shuō),通過(guò)2根2芯電纜將所有電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)串聯(lián)起來(lái)形成2個(gè)閉合環(huán)路[5]?？梢詮沫h(huán)路的兩個(gè)方向進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)環(huán)路的實(shí)時(shí)掃描和查詢,任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

1.3 符合管道全生命周期信息化管理

利用總線上傳數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和記錄,形成設(shè)備資產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)庫(kù),與管道全生命周期設(shè)計(jì)理念相適應(yīng),數(shù)字化設(shè)計(jì)是全生命周期管理的一部分[6],獲取設(shè)備的診斷信息,建立“管道數(shù)據(jù)模型”,實(shí)現(xiàn)管道資產(chǎn)從規(guī)劃到報(bào)廢的全業(yè)務(wù)、全過(guò)程信息化管理[7]。

2 閥門控制技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)電動(dòng)閥硬接線現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)電動(dòng)閥組采用閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)與數(shù)據(jù)采集控制模塊點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電纜連接方式,見圖1。每根電纜都需要從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到控制室采集模塊,造成電纜數(shù)量多、敷設(shè)投資大、維護(hù)困難,電纜無(wú)容錯(cuò)能力,無(wú)法傳輸具體故障信息等。

圖1 傳統(tǒng)電纜模式

2.2 閥門總線技術(shù)

2.2.1 雙總線環(huán)路容錯(cuò)技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)采用雙總線環(huán)路容錯(cuò)技術(shù),環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并由總線控制器組成冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[8],見圖2。其環(huán)路容錯(cuò)功能:環(huán)路回流功能可在環(huán)路電纜出現(xiàn)開路、短路或接地故障時(shí)將故障隔離；在環(huán)路電纜斷路、短路或接地時(shí)仍可正常操作[9]。而采用傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式,無(wú)容錯(cuò)能力,當(dāng)電纜斷路、短路時(shí)閥門將失去控制。

2.2.2 通訊速率

為滿足閥門控制快速響應(yīng)的要求,閥門總線通訊速率可達(dá)到1 Mb/s以上。

2.2.3 響應(yīng)時(shí)間

為保證閥門控制的及時(shí)響應(yīng),從總線上任何一點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求至收到應(yīng)答的時(shí)間不超過(guò)3 s。

2.2.4 安全儀表系統(tǒng)的相關(guān)電動(dòng)閥

為了保證安全儀表系統(tǒng)的可靠性,安全儀表系統(tǒng)相關(guān)電動(dòng)閥的控制信號(hào)采用常規(guī)硬點(diǎn)傳輸,診斷數(shù)據(jù)采用總線方式傳輸,即閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)接常規(guī)儀表信號(hào)電纜以及總線電纜。這種設(shè)計(jì)在兼顧總線技術(shù)優(yōu)勢(shì)的情況下,能夠滿足安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。

2.3 總線控制器配置及功能

2.3.1 冗余配置

總線控制器為主備冗余配置,當(dāng)主控制器發(fā)生故障后自動(dòng)切換到備用控制器,提高系統(tǒng)可靠性[10]。

2.3.2 上傳數(shù)據(jù)內(nèi)容

通過(guò)總線技術(shù),電動(dòng)閥組上傳信息由常規(guī)7個(gè)信號(hào)擴(kuò)展為20多個(gè)信號(hào),其中大部分為報(bào)警診斷信號(hào),見表1。通過(guò)對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)的細(xì)分[11],運(yùn)行人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)閥組出現(xiàn)故障信息,針對(duì)具體故障快速處理,提高處理問(wèn)題的效率。

表1 總線控制閥門上傳信息

序號(hào)閥門上傳信息備注1開到位常規(guī)信號(hào)2關(guān)到位常規(guī)信號(hào)3閥門正在動(dòng)作常規(guī)信號(hào)4開命令常規(guī)信號(hào)5關(guān)命令常規(guī)信號(hào)6就地/遠(yuǎn)控狀態(tài)常規(guī)信號(hào)7綜合故障常規(guī)信號(hào)3停止在中間位置總線可上傳5電機(jī)運(yùn)行總線可上傳6電機(jī)正在開總線可上傳7電機(jī)正在關(guān)總線可上傳8執(zhí)行機(jī)構(gòu)正在動(dòng)作總線可上傳11電池低報(bào)警總線上傳報(bào)警信息13RAM/ROM內(nèi)存故障總線上傳報(bào)警信息14通信故障總線上傳報(bào)警信息15執(zhí)行機(jī)構(gòu)不在遠(yuǎn)控狀態(tài)總線上傳報(bào)警信息16不允許控制總線上傳報(bào)警信息17電源在復(fù)位狀態(tài)總線上傳報(bào)警信息18看門狗故障總線上傳報(bào)警信息19溫度調(diào)節(jié)裝置停車總線上傳報(bào)警信息20就地停止操作總線上傳報(bào)警信息21啟動(dòng)/停止失敗總線上傳報(bào)警信息22閥門卡住總線上傳報(bào)警信息23閥門堵塞總線上傳報(bào)警信息24手動(dòng)操作閥門總線上傳報(bào)警信息

2.3.3 安全防護(hù)措施

設(shè)置安全防護(hù)措施,包括密碼保護(hù)、指定地址訪問(wèn)、端口開啟/關(guān)閉功能配置。降低誤操作或人為惡意攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.4 接口與通信協(xié)議

通信接口可采用多個(gè)以太網(wǎng)或RS 485串口,通過(guò)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MODBUS RTU串口通信或MODBUS TCP/IP以太網(wǎng)與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[12]。

與PLC通信可采用冗余結(jié)構(gòu),當(dāng)主通信鏈路故障時(shí)自動(dòng)切換到備用鏈路[13]。

2.3.5 事件記錄及報(bào)警功能

每次閥門狀態(tài)的變化都可以存儲(chǔ),同時(shí)可以記錄開、關(guān)閥命令信號(hào)。這對(duì)一個(gè)事件的追溯和查詢非常有幫助,尤其是出現(xiàn)事故工況后,為關(guān)鍵閥門的狀態(tài)和動(dòng)作的排查提供了依據(jù)。

閥門的報(bào)警信息可以在總線控制器顯示面板以及上位機(jī)HMI畫面上顯示和報(bào)警。閥門總線技術(shù)具備自診斷功能,實(shí)時(shí)掃描總線環(huán)路的工作狀態(tài),當(dāng)總線環(huán)路出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)產(chǎn)生報(bào)警提醒運(yùn)行人員處理。

2.3.6 時(shí)鐘同步功能

通過(guò)來(lái)自控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)時(shí)鐘源可以實(shí)現(xiàn)對(duì)總線控制器的時(shí)鐘校時(shí)[14],確保閥組數(shù)據(jù)的時(shí)間一致性,便于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障時(shí)可根據(jù)事件發(fā)生的時(shí)間順序排查原因。

2.3.7 環(huán)境適應(yīng)性

表2 采用標(biāo)準(zhǔn)硬接線方式經(jīng)濟(jì)費(fèi)用

設(shè)備名稱數(shù)量單價(jià)/元費(fèi)用/元閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)及線纜XV001～XV040300×40=12000m30(16芯電纜)[15]360000PLCDI模塊40(閥門數(shù)量)×5(硬點(diǎn)數(shù))/16(模板通道數(shù)量)×1.3(30%余量)=17塊10000170000PLCDO模塊40(閥門數(shù)量)×2(硬點(diǎn)數(shù))/16(模板通道數(shù)量)×1.3(30%余量)=7塊1000070000浪涌保護(hù)器40×7=280個(gè)500140000總線控制器---總線通信模塊---接線、調(diào)試工程量40人工時(shí)200080000合計(jì)820000

表3 采用總線技術(shù)經(jīng)濟(jì)費(fèi)用

設(shè)備名稱數(shù)量單價(jià)/元費(fèi)用/元閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)XV001及線纜200m--閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)XV002～XV039及線纜50×38=760m15(2芯電纜)37500閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)XV040及線纜400m--PLCDI模塊---PLCDO模塊---浪涌保護(hù)器40×2=80個(gè)100080000總線控制器2個(gè)90000180000總線通信模塊40塊6000240000接線、調(diào)試工程量40人工時(shí)200080000合計(jì)581500

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

當(dāng)1座站場(chǎng)閥門達(dá)到一定數(shù)量時(shí),采用閥組總線技術(shù)可以有效降低工程投資,下面將閥組總線技術(shù)與常規(guī)硬接線的投資進(jìn)行比較。

以1座典型壓氣站為例,電動(dòng)閥數(shù)量約40個(gè),閥組采用常規(guī)電纜長(zhǎng)度為200～400 m,按平均300 m進(jìn)行計(jì)算。采用標(biāo)準(zhǔn)硬接線方式的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用見表2，采用總線技術(shù)經(jīng)濟(jì)費(fèi)用見表3。

4 總線技術(shù)的限制條件

4.1 掛接數(shù)量和長(zhǎng)度限制

總線長(zhǎng)度和通訊速率以及掛接設(shè)備的數(shù)量成反比。當(dāng)總線掛接的閥門數(shù)量越多或總線距離越長(zhǎng),閥門接收信號(hào)和響應(yīng)時(shí)間會(huì)越慢,曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)閥組接收信號(hào)及響應(yīng)延時(shí)5～6 s甚至更長(zhǎng)時(shí)間的情況。

在總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)要求廠家提供總線控制器、接口模件、總線通訊電纜等所有設(shè)備的最大負(fù)荷量及限制條件。

一般來(lái)說(shuō),單條總線掛接的電動(dòng)閥數(shù)量不宜超過(guò)60臺(tái),單條總線長(zhǎng)度控制在20 km以內(nèi)。

4.2 小型站場(chǎng)采用總線技術(shù)性價(jià)比不高

對(duì)于小型分輸站場(chǎng)和清管站場(chǎng)來(lái)說(shuō),采用總線技術(shù)總體性價(jià)比不高。

一般來(lái)說(shuō),當(dāng)站場(chǎng)電動(dòng)閥總數(shù)小于20臺(tái)時(shí),采用總線技術(shù)不具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),是否采用總線技術(shù)則根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需求確定。如果為了降低工程投資,可采用常規(guī)傳輸技術(shù);如果對(duì)智能化、提高診斷效果有更高需求,則可采用閥門總線技術(shù)。

5 結(jié)論

總線技術(shù)在輸氣管道工程應(yīng)用前景廣闊。在大型場(chǎng)、站應(yīng)用該技術(shù)既可以節(jié)省工程成本,減少施工難度,又可以提供設(shè)備的故障分析及后期診斷,甚至為設(shè)備全生命周期管理提供有效手段。閥組總線作為一種新型技術(shù)手段,值得在輸氣管道大型站場(chǎng)推廣和應(yīng)用。

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2015-12-22

張 濤(1980-),男,山東巨野人,工程師,學(xué)士,主要從事油氣管道儀表自動(dòng)化工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.017