中石化管道儲運公司黃島油庫使用的電動執行機構數量多，且相對位置比較分散。在電動執行機構更新改造項目中采用現場總線方式接入，利用EIM TEC2000電動執行機構配套M124N網絡控制站，通過MODBUSRTU通訊協議與上位機系統進行通訊。相較過去傳統的硬接線控制方式具有控制冗余、信息量大，材料及安裝成本低、易于維護等優點。

1、概述

　　中石化管道儲運公司黃島油庫為全國最大的原油中轉基地。儲油容量210萬立方米，承擔著青島大煉油、青島石化、黃島國家原油儲備庫以及華北地區、華東沿海和沿江煉化企業原油接卸、中轉和輸送任務，年儲運原油能力達3000余萬噸，主要生產設備有輸油泵19臺、儲油罐38座等。

　　由于油庫的工藝特點，在泵房、流量計間等處電動執行機構數量多、分布較密集，在罐區則電動執行機構數量少、分布分散。隨著技術的進步，總線電動執行機構在國內大型油庫中得到了越來越多的成功應用，因此在黃島油庫罐前閥改造中采用了28臺EIM TEC2000電動執行機構，配套1套M124N網絡控制站，通過MOXA MB3180網關與上位機進行通訊。

2、總線電動執行機構特點

　　隨著現代工業的飛速發展，過程控制技術受到了人們的普遍重視，用戶對過程控制系統的要求也越來越高。現場總線的應運而生，表明控制技術達到了一個新的水平。它不僅極大地滿足了過程控制的需要，而且還將對工業自動化儀表行業帶來一場革命。

　　除了傳統的儀表越來越多地采用現場總線外，越來越多的電動執行機構廠家也相繼推出各自為電動執行機構開發設計的現場總線控制系統。這類系統，無論其系統結構、總線形式和通信協議如何不同，都完全實現了閥門或執行器等現場裝置與上位機的通信和智能化，而且整個系統簡單、可靠、經濟，深受用戶的歡迎。

　　現場總線電動執行機構是根據用戶需要最新發展起來的現場控制系統。其系統配置和構成靈活多變，具有很強的適用能力。它很好地解決了現場最常見的有關干擾噪聲、控制距離、接點容量和工作環境等方面的問題，非常具體地顯示了它在執行機構應用領域內巨大的潛在市場和發展前景。

　　2.1、節省安裝費用

　　現場總線電動執行機構由于具有良好的消噪功能，因此，它可以使用帶屏蔽的雙絞線或使用廉價的無屏蔽三線電纜進行系統內部的通信。這種系統安裝簡單，投運速度快，費用一般只有常規控制系統的40%左右。例如，在常規控制系統中，接到每臺閥門或執行器上的電纜芯數可達六、七根、十幾根，最多的可達二十二根，而閥門執行器現場總路線控制系統中的所有閥門或執行器的連接只需要兩根或三根電纜即可完成(除就地供電外)。

　　2.2、工程容量大

　　在單一網絡中可以配置254臺電動執行機構，并且不會影響網絡的性能和降低網絡響應的時間。在不使用中繼器的條件下，相鄰的兩臺電動執行機構能夠保證通訊時的電纜長度可以達到1500m(5000ft)。整個網絡的全長可以達到320km(200miles)。

　　2.3、高性能

　　總線控制方式能夠提供實時的和完整的現場設備自診斷信息和狀態信息，不僅提高了生產效率還減少了設備停工期。

　　現場總線電動執行機構控制系統功能豐富、性能優良、工作可靠，非常適合在一些特殊場合使用。即使在環境條件特別惡劣的地方，它也能發揮作用，長期安全可靠地工作。如今，各公司的閥門執行器現場總線控制系統都已經經過多年現場運行檢驗并得到用戶的認可，成為名副其實的現場控制系統。

圖1 傳統電纜硬連接示意圖

　　2.4、配置齊全

　　用戶可根據過程控制的需要任意提出要求和配置，這種系統既能以主系統也能以子系統參與過程控制，使用時還可將閥門或執行器等設置成智能或半智能化單元。其它諸如主控站冗余、緊急操作面板、各種信號的輸入輸出接口、多站系統和多任務軟件等都可以根據需要來配置。

　　2.5、接口簡單

　　在現場總線電動執行機構控制系統中，系統內部通信接口短距離一般采用RS232，而長距離則采用RS485。同時，各種信號的輸入輸出接口也都采用插拔連接方式。這就使得系統內部的接線非常簡單，僅使用一些標準的常用工具和少量的儀器便可完成。有時，甚至現場操作人員都能熟練地做好這些接線工作。

　　2.6、可靠性

　　對于大多數控制設備來說，總線控制方式能夠提供更高的可靠性和更便捷的連通性。

　　在網絡控制站和每個設備之間有兩條數據通道，互為冗余，并且電纜和物理連接冗余，通訊回路具有開路和短路保護功能，能夠有效的減少由于電纜故障和設備故障引起的停工期。

　　2.7、可擴展性

　　總線控制方式能夠僅僅使用單一的網絡來覆蓋整個庫區，并且網絡具有極好的擴展能力，可以滿足未來油庫發展的需要。

　　2.8、廉價的MODBUS協議解決方案

　　雖然各廠家現場總線電動執行機構支持Foundation Fieldbus。Profibus DP.Mmodbus Plus.Modbus RTU.DeviceNet.Ethernet,Lonworks等多種協議，但對比多種總線控制協議，Modbus協議是造價最低，性能表現良好，支持冗余和自動切換熱備功能的總

　　線協議。因其使用較低的波特率，所以電纜的費用和RS485接口的費用要遠低于其他現場總線產品;同時因為單網支持多達254臺設備，所以它在DCS、SCADA或PLC中需要的接口數量及電纜數量相比傳統控制和其他總線控制要少很多。

　　通過使用Modbus RTU協議和兩線制接線方式、可以使用全部數字通訊的方式獲得現場設備的狀態數據和發送數據命令。對于電動執行機構可以獲得：閥門開度、遠控、開足、開運行、關運行、綜合故障等設備信息。

圖2 EIM總線電動執行機構網絡結構圖

3、EIM總線電動執行機構方案簡述

　　黃鳥油庫罐前閥電動執行機構改造共包括12個罐的罐前閥，共計28個電動執行機構，同時預留了后續電動執行機構改造的總線接入。網絡結構如圖2所示。

　　構建這套閥門控制系統網絡所使用的產品：

　　1)TEC2000系列全智能型電動執行機構(EIM公司產品)

　　2)M124N網絡控制站(EIM公司產品)

　　M124N網絡控制站安裝在控制室內，該網絡控制站可以使用RS232、RS485或RS422物理接口通過MB3180網關接入油庫控制系統以太網，和上位機連接，并使用ModbusRTU通訊協議進行通訊，M124N網絡控制站和上位機之間的通訊是完全冗余的。

　　M124N網絡控制站和現場的TEC2000電動執行機構之間的連接使用帶有屏蔽的雙絞電纜連接，并使用Modbus RTU通訊協議進行通訊，使用了串行E>Net冗余環狀網絡拓撲結構。

　　3.1、串行E>Net環狀網絡拓撲的基本特性

　　1)在網絡控制站和每個設備之間有兩條數據通道，互為冗余，并且電纜和物理連接冗余。

　　2)通訊回路具有開路、短路和接地故障保護功能，當發生上述故障時，不會導致電動執行機構和控制系統之間的通訊失敗。

　　3)通訊距離長，相鄰設備之間的距離最長可以達到1500m(5000ft)，整個網絡的全長可以達到320km(200miles)。

　　4)在單一的網絡中可以配置最多達254臺的電動執行機構。

　　5)使用Modbus RTU協議和兩線制接線方式，可以使用全部數字通訊的方式發送數據命令以、獲得現場設備的詳細狀態數據和自診斷信息。

　　M124N網絡控制站和現場的TEC2000電動執行機構使用了串行E>Net冗余環狀網絡拓撲結構。現場的TEC2000電動執行機構之間和M124N網絡控制站之間的連接使用帶有屏蔽的比絞電纜連接，并使用Modbus RTU通訊協議進行通訊。

　　M124N網絡控制站和上位機之間的通訊和物理連接是完全冗余的，M124N網絡控制站與上位機之間的連接如圖3所示。

圖3 網絡控制站與上位機連接示意圖

　　3.2、M124N網絡控制站的特性

　　1)M124N網絡控制站所連接的一個RS-485Modbus環狀網絡拓撲結構中可以接入124臺執行機構。

　　2)M124N網絡控制站可以與上位主機方便的構成冗余或非冗余的控制網絡。

　　3)一個M124N網絡控制站中配置有兩個網絡控制器，二者完全冗余并且互為熱備用，M124N網絡控制站內的部件完全冗余(除LCD液晶屏幕外)。

　　4)M124N網絡控制站在網絡中支持對執行機構運行Modbus功能碼07來運行Report-By-Exception(RBE)例外報告命令。M124N網絡控制站使用Modbus功能碼07來對執行機構進行輪詢，如果執行機構狀態位為“0”，則跳過RBE命令，去輪詢下一下執行機構;

　　如果執行機構狀態位為“0xFF”，則執行機構運行RBE命令，該執行機構的數據將被讀取，并存儲在M124N網絡控制站的數據庫中。只有執行機構的狀態發生變化后，M124N網絡控制站才會使用寶貴的網絡時間來讀取數據和更新數據庫，所以支持使用RBE命令可以大大減少網絡中的數據傳輸量，能夠將網絡的效率和速度提高4-6倍。如是該執行機構的狀態位一直為“0”，則在第200年輪詢周期時會讀取該執行機構的數據來更新數據庫。

　　5)M124N網絡控制站的優先掃描功能確保對于正在運行的執行機構的狀態的快速更新。它對正在運行的執行機構的狀態交替掃描，典型的更新時間是100mS。如果M124N網絡控制站從上位主機接受到命令并發送到現場執行機構，那么這臺執行機構將被M124N網絡控制站優先掃描。優先掃描功能能夠保證M124N網絡控制站和上位主機獲得執行機構的最新狀態數據，從而可以快速的更新數據庫。

　　6)一個M124N網絡控制站中配置有兩個網絡控制器完全熱備用。

　　7)通過Modbus與上位主機實時冗余的連接可以提供fail-over容錯功能，并且上位主機可以隨時對所有網絡控制器讀和寫入數據。

　　8)M124N網絡控制站可以配置與上位主機的連接為RS-232、RS-422/485、4線或2線制接線。

　　9)可以通過M124N網絡控制站上的LCD液晶屏幕、LED指示燈和控制鍵盤來監視和控制網絡中所有的執行機構。

　　10)M124N網絡控制站配置帶有背光的LCD液晶屏幕可以顯示2行x16字符，能夠顯業執行機構機構狀態、閥門位置和報警等信息，并且所有系統的報警都可以顯示到LCD液晶屏幕上。

　　3.3、M124N網絡控制站的LCD液晶顯示視圖

　　M124N網絡控制站和現場TEC2000電動執行機構之間的連接：

圖4

　　M124N網絡控制站和現場TEC2000電動執行機構之間的通訊和物理連接是完全冗余的，其連接如下圖所示。

圖5

　　M124N網絡控制站和現場TEC2000電動執行機構之間的通訊使用Modbus RTU協議。通過使用Modbus RTU協議和兩線制接線方式，可以使用全部數字通訊的方式獲得現場設備的狀態數據和發送數據命令。對于控制電動執行機構可以獲得：閥門位置開度、控制模式、閥門極限位置、打開方向運行、關閉方向運行，過力矩和綜合故障等設備詳細信息。TEC2000電動執行機構的Modbus帶有A口和B口兩個通訊端口，這兩個通訊口都是雙向通訊的，即可以接受信號，也可以發送信號。

　　EIM公司的產品完全支持Modbus協議中的所有功能碼，包括“Report by Exception”命令，可以在2秒種內閱讀和改變100臺電動執行機構的狀態。在單一的E>Net環狀網絡中可以配置多達254臺電動執行機構，并且不會影響網絡的性能和降低網絡響應的時間。在不使用中繼器的條件下，相鄰的兩臺電動執行機構能夠保證通訊時的最大電纜長度可以達到1500m(5000ft)。

4、實際應用

　　在實施過程中，分別將各電動執行機構的MODBUS節點地址一一設置，我們按1-28順序設置，與MB3180的通訊參數設置如下：波特率9600/奇偶效驗N/數據位8/停止位1。

　　下表為上位機訪問1#節點電動執行機構所讀寫的變量地址清單

表1

　　上述數據閥位設定功能及閥位反饋顯示是以前硬接線的電動執行機構所不具備的，操作人員可通過閥門開度的設定來調節油庫生產作業過程中進、出油罐流量，并且數據刷新速度很快，完全能滿足油庫日常生產的需要。

　　在調試過程中，我們也發現了總線電動執行機構的另一個優點：由于接線少，僅需要配置相應的節點地址，傳統的回路校驗工作完全不需要了，調試過程非常順利，同時也極大地降低了日后維護的工作量。

　　在后續的改造過程中，僅需要把現在的環形網絡斷開，將新的總線電動執行機構接入目前的網絡中來就可以。

5、結論

　　EIM總線電動執行機構非常適合黃島油庫罐區電動執行機構這種應用場：數量多，相對較分散、距離遠(但每兩個執行機構之間距離 1km)。在近一年的使用過程中，我們發現和原硬接線方式相比較，所采集的信息多了，增加了閥位開度控制功能，可靠性提高了，同時還可以通過網絡控制站直接對閥門進行操作。

　　隨著對總線電動執行機構的了解及實際應用，我們相信總線電動執行機構將會在油庫等場合得到越來越廣泛的應用。