电动阀门执行器是天然气长输管道中常用的现场控制设备，其智能化程度的高低、所含信息的多少和对故障的诊断与容错能力直接影响到数据采集与监控系统的可靠性、稳定性和易用性。大型站场中的电动调节阀数量多且分散，采用普通的电动阀门硬布线繁多，这在一定程度上使站场监控系统的设计复杂化。
本工程首次在大型输气管道站场上采用英国Rotork公司的Pakscan电动阀门执行器总线控制系统，大大简化了监控系统的复杂设计，而且借助其丰富的诊断信息和对故障的容错能力，使控制系统的可靠性得以提高。
一、阀门执行器现场总线控制系统
近年来，在世界工业阀门和执行器生产制造中占有主导地位的专业化公司相继推出各自为阀门执行器开发设计的现场总线控制系统。其中主要有美国Limitorque公司的DDC - 100TM系统、美国Key-stone公司的KEYD IG系统和英国Rotork公司的Pakscan IIE系统。这类系统，无论其系统结构、总线形式和通信协议如何不同，都完全实现了阀门执行器等现场装置与上位控制系统的通信和智能化控制。
1、系统特点
阀门执行器现场总线控制系统是根据用户需要最新发展起来的“FCS”（现场控制系统）。其系统配置和构成灵活多变，具有很强的适用性和扩展能力。它很好地解决了现场最常见的有关干扰噪声、控制距离、接点容量和工作环境等方面的问题，具有如下特点：
A、电缆成本降低
阀门执行器现场总线控制系统由于具有良好的消噪功能，因此，它可以使用带屏蔽的双绞线或使用廉价的无屏蔽三线电缆进行系统内部的通信。在常规控制系统中，接到每台阀门执行器上的控制电缆芯数依据其传输信号数量而定，最多的可达22根，而阀门执行器现场总路线控制系统中的所有阀门执行器的连接只需要两芯或三芯电缆即可完成。
B、控制系统成本降低
由于采用总线控制方式，上位控制系统节省了大量的I/O卡件和防浪涌保护设备。
C、系统容量大
根据使用要求和系统规模，阀门执行器现场总线控制系统允许在10～20km的一条通信环路上接入100～250台阀门执行器等各种类型的现场装置。在整个有效通信环路内，不设中继站也可将信息或数据传送到各个现场装置，同时还不限制接入环路内阀门执行器等装置之间的距离。
D、安装调试成本降低
安装调试成本降低，由于每台电动执行机构在接线时只涉及4个接线端子。而传统控制方式每台电动执行机构所涉及的接线端子少则14个多则30多个，使得安装调试非常烦琐。
E、信息传递量大幅度提高
由于采用双线控制方式可完成传统22芯电缆所能实现的信息传递，使得双线控制方式所能实现的信息传递量得以大幅度提升。
F、配置齐全
用户可根据过程控制的需要任意提出要求和配置，这种系统既能以主系统也能以子系统参与过程控制，使用时还可将阀门执行器等设置成智能化或半智能化单元。其它诸如主控站冗余、紧急操作面板、各种信号的输入输出接口、多站系统和多任务软件等都可以根据需要来配置。
G、接口简单
在阀门执行器现场总线控制系统中，系统内部通信接口短距离一般采用RS232，而长距离则采用RS485。同时，各种信号的输入输出接口也都采用插拔连接方式。
2、系统结构
不同的阀门执行器现场总线控制系统在结构上是基本相同的。它们一般是由主控站、通信环路和现场单元（本体为阀门执行器）组成。系统结构框图如图1所示。
图1 系统结构框图
A、主控站
主控站多采用工业PC机构成，以利用其键盘和显示器对系统的操作方式以及工作状态进行控制和监视。用户可根据系统提供的丰富方便的软件包非常容易地生成操作方式、系统状态和控制逻辑画面，并通过键盘随时发出操作命令，设置系统必要的工作参数条件。DDC-100TM系统和KEYD IG系统采用工业PC机构成的一种主控站。主控站也有特殊设计的盘装式结构，例如Pakscan IIE的主控站就是这种结构。在它的控制面板上，装有监视环路工作状态的液晶显示器、设置系统参数和数据的键盘以及显示系统运行和报警信息的指示灯。通过控制面板，可完成系统环路波特率、现场单元地址和数据传输等参数的设置。此外，万一主控站失控或系统工作不正常，操作人员可使用键盘直接控制阀门执行器。而当系统遇到意外情况时，控制面板上还有应急按钮供操作人员紧急关闭系统中最重要的阀门与管道。它可在主控站发生故障后50ms自动切换到备用主控站，从而确保系统仍能安全可靠地运行。
B、通信环路
一般工业现场中的阀门执行器与控制室之间传输信号所需的接线十分繁杂，安装与维修都很困难，费用也很高。而阀门执行器现场总线控制系统中使用的两线或三线电缆既安装简单、维修方便、易于扩展、成本低、节省费用。特别是系统中所有阀门执行器用这种电缆一台一台串接起来后形成一条闭合的环路时，每台阀门执行器都能从环路的两个方向与主控站进行信息和数据的交换，相当又给系统增加了一条冗余通信路径。
3、系统工作原理
系统运行期间，除了正常的工作之外，环路电缆不停地被扫描查询，以确定其是否完整。若通信环路完整无损，主控站将依过程控制的需要通过环路电缆向现场单元发送控制命令，同时接受现场单元发回的工作状态信息。当然，所有现场单元都已预先设置好了地址并随时准备接受命令和接受查询。一般情况下，主控站要发数次命令。每发一次命令，都要接收到被询址现场单元的应答一次，否则，系统将按环路故障进行处理。现场单元的应答时间则由现场单元的数量以及环路距离所决定。
通信环路一旦断开，在环路断点一侧的现场单元将会自动地形成各自一侧完整的环路，继续保持主控站与所有现场单元之间的通信。图2为几种常见的环路故障，图3和图4则分别是系统正常工作时和环路断开后两种方式的工作原理示意图。
环路断开后，主控站首先通过端口A向与其连接的第一台现场单元发送命令，同时接收该现场单元的应答。然后再向第二台现场单元发送命令，同时也接收这台现场单元的应答。这样，发送命令，接收应答，连接现场单元的环路一步步扩大，直到环路断点处不能再继续下去为止。同时，主控站也通过端口B向相反方向的现场单元发送命令并接收应答，直到断点前的现场单元。用这种方法，主控站不仅从环路两个方向确定了断点位置，也确定了断点两端现场单元自行构成的返回路径，从而保证所有现场单元与主控站之间的通信工作始终不被中断。
图2 常见的环路故障
图3 系统正常工作原理示意图
图4 环路断开工作原理示意图
作为环路故障检查的必要手段，主控站一般要重复进行检查。即不断地发出命令，接收应答。正常情况下，从端口A发出命令，端口B接收应答。
4、现场单元
阀门执行器现场总线控制系统中的现场单元是根据阀门执行器的特殊要求专门设计的Smart控制器，结构为单机架装方式或执行器整体方式。但不管是哪种结构方式，它总是和阀门执行器作为智能化或半智能化的装置来使用的。通常，半智能化的现场单元仅仅是主控站的一个分散的I/O口。在系统中，它接受主控站的控制命令，对阀门执行器进行一系列的操作，同时将阀门执行器上的工作状态和其它信息反馈给主控站，供系统采集、记录、显示和控制使用。智能化现场单元除可与主控站通过环路进行信息和数据通信并根据主控站命令工作外，还可单独与阀门执行器构成回路，为工业过程提供阀门定位、逻辑控制、批量操作、PID调节以及多回路运行等多种能力，对位置、流量、压力和液面进行更为丰富和精确的控制。无论是智能化还是半智能化的，也无论是架装式还是整体式的，这些现场单元都具有阀门执行器操作所需要的特殊功能，其中包括：
a. 过力矩保护。在阀门执行器发生堵转或出力超过限定值时，可自动地切断动力电源停止运行。
b. 电机过热保护。电机绕组中埋有热敏元件，在由于超载使电机过热时发出信号，然后由保护电路自动切断电源使电机停转。
c. 断信号保护。无论是在输入信号还是位置信号消失或超量程时，执行器都可自动地转入事先预置的安全工作状态，或由闭环控制转入开环控制。信号正常后，执行器可自动恢复到原来的工作状态。
d. 遥控与本机手操。通过按纽进行阀门的“开”、“关”、“停”操作和紧急关闭操作。
e. 故障显示和报警。通过自诊断，可在万一发生故障或工作不正常时自动发出声光报警信号并及时显示故障内容。由于是在恶劣的现场环境条件下使用，现场单元均采用了高可靠性器件、表面封装技术、坚固的双层密封外壳、特殊的软硬件抗干扰技术等措施来保证其能长期安全可靠地工作。
5、总线形式和通信协议
在阀门执行器现场总线控制系统中，维持系统高效而有秩序工作的是系统通信所使用的各种现场总线协议。
在国际性现场总线标准没有完全统一之前，阀门执行器专业公司出于自身的利益，开发了各自的现场总线控制系统。这些系统有共同之处，也有不同之处。同时，系统所使用的总线形式和通信协议有相同的也有不同的。
尽管有各自的特点和优点，尽管其局域网和标准规格不一，但无论哪种总线协议，都是用于现场仪表与控制系统之间进行全数字化、双向和多站通信工作的，而且从总体上看，还都是靠软硬件来实现的。上述几种系统所使用的总线协议实现的一般方法是，较低层的具体功能和任务要求主要由硬件实现，而高层则主要由软件来实现。
二、工程电现场总线控制系统的应用
陕京二线输气管道工程电动阀门采用Rotork公司Pakscan执行器现场总线控制系统。
1、Pakscan IIE执行器现场总线控制系统
A、系统特点
Pakscan控制系统是Rotork公司于1986年在世界上首次推出的双线控制系统。该系统主要用于石油天然气储运，石化装置水及污水处理等行业。
Pakscan双线控制系统与其他的总线控制方式相比具有以下优点：
1）可靠性高
Rotork Pakscan双线控制系统已有20年的使用历史，该系统主工作站可热备份（冗余）线路上一处出现短路和接地时，系统可继续工作并发出报警。
2）兼容性强
Rotork Pakscan双线控制系统不仅可对Rotork执行机构进行控制；同时，通过GP FCU通信卡还可对其他厂家的执行机构和现场仪表进行控制。在新近建成投产的广州白云机场项目中，Pakscan双线控制系统在对Rotork执行机构进行监控的同时，将其他液位仪和变送器等现场仪表的监控信息通过双线控制系统送到控制室。
2、系统组成
Pakscan IIE双线控制系统是一个以电动阀门执行器为主的智能化控制系统。系统中有三个组成部分：现场单元、双线回路和主工作站。
A、现场单元
在一个双线控制系统中，长达20km距离内主工作站可控制240台现场设备，采集现场执行器的重要数字和模拟数据，扫描周期为1.89s，结点间无距离限制，无需中继器。
Pakscan现场单元是一块在双线系统中用于通信的袖珍卡件。作为选件，被安装在Rotork执行器之中，与执行器的基本控制电路配合使用。每个现场单元在双线回路中都有其唯一的地址，只对发自主工作站的正确命令作出响应。Rotork还有与Pakscan现场单元类似的，数据收集和控制发送单元。[可将其他厂家的变送器、电磁阀、泵和搅拌器等现场设备信息采集到Pakscan双线控制系统中]
B、双线回路
双线回路与执行器的联接非常简单。电缆是一条容易安装的全屏蔽双绞线，在所有应用中具有易安装、易维护、低成本和高效率的优点。双线电缆顺序地与每一执行器接入或接出，它们起源于并返回至主工作站，形成一双线回路。因为每台现场设备都是双向连接的，就构成了一个冗余的通信线路。
正常操作情况下，通信电流信号沿环路的一条线从主站控制器的端口A流出，经该环路从端口B流回，此时，另一条线路是冗余的。当有一处线路发生故障时，该处故障线路被阀门屏蔽，故障线路两边的智能阀可通过各自的环路与主站控制器通信；当有两处线路发生故障时，这两处故障之间的智能阀都被屏蔽，两处故障之外的智能阀依然可以通过两“臂状”环路与主站控制器通信。
C、主工作站
现场智能电动阀监控系统主站控制器的系统连接图如图5所示。
主站控制器是由主CPU卡、环路通信卡、电源、液晶显示器和16按钮键盘组成的盘装智能仪表。它内部有两个固定的数据库：一个是现场单元数据库，负责接收并记录从两线环路传来的智能阀的地址、转矩、开度等数据，根据从上位机传来的读写命令控制阀门的运动，该数据库从逻辑上划分为四个区，每个区记录60个阀门的数据；另一个数据库为主站控制器状态及自诊断数据库，负责记录通信协议的有关状态并向智能阀发布命令。通过主站控制器的按键和液晶显示器，可以实现读取智能阀的开度、转矩、地址等数据，控制阀门的开闭，接收报警信号及与PLC通信等功能。
Pakscan IIEMaster Station是Rotork主站控制器中的一种，它为双重热备结构，在主控制器出现故障时可以自动切换到热备控制器。Pakscan IIE Master Sation有一个RS-485通信口和一个RS-232通信口，它们可通过Modbus协议与PLC通信。其中RS-232通信口可以不通过PLC直接连接打印机，打印报警信号。
固化于主工作站中的Pakscan软件包提供了一套先进的、标准化的预先工程化的控制系统。使用主工作站的显示器和键盘能对Pakscan IIE双线控制系统进行通信、控制等方面的组态。在需要直接操作控制的场合，可在主工作站上控制现场设备的“开”、“关”等。
作为双线控制系统的基本现场设备，Rotork执行器家族中有IQ，A，AQ和Q等系列产品，都是模块化结构设计的智能型执行器，集联锁电磁阀、阀位行程开关、模拟阀位变送器等于一身。
为完成不同的工作需要，只需在执行器中更换不同功能的现场单元模件。有Pakscan现场单元、Folomatic（阀位比例控制）单元、数据记录器单元和电流扭矩变送器单元等。
三、工程应用
1、系统结构
本工程现场智能电动阀监控系统的结构框图如图6所示。
图6 现场智能电动阀监控系统的结构框图
站控系统采用美国AB公司的Controllogix双重热备型PLC系统，通过PLC控制总线型电动阀门（IQ actuator）的开停闭。上位监控站可监视各个智能阀的阀位状态、阀位值以及报警信号，并可执行开阀、停阀和关阀操作。
Pakscan IIE主站控制器与站控系统之间采用Modbus协议通信，以Port1的RS-485接口连接。正常运行情况下，主PLC和主控制器工作，从PLC和热备控制器分别与主PLC和主控制器保持同步。智能阀将数据传送给主控制器，主PLC通过RS-485接口从主控制器中读取数据，并向其发布命令，主控制器再执行命令，驱动智能阀按命令运转。当主PLC或主控制器出现故障时，系统能分别自动切换到从PLC或热备控制器。
由于系统中采用的是Modbus通信协议，1台PLC可以连接多台Pakscan IIE主站控制器，因此，若现场智能阀较多，系统可以很方便地扩展而且连线简单。
2、监控系统的通信
站控系统选用Modbus RTU主通信模块（master）。Pakscan IIE主站控制器是一个远程终端单元，做为Modbus从设备（slave）。PLC的CPU通过Modbus RTU主通信模块控制Pakscan IIE主站控制器的读写，被称为Modbus host。系统采用单Modbus host两线通信方式，该方式最多可以连接32个Pakscan IIE主站控制器。
主通信模块的程序设计有三部分内容：初始化通信模块、读写Modbus/RTU数据、监测通信状态。
通信模块的初始化工作主要是配置三个初始化控制块的参数：Slave控制块（SCB）、信息控制块（MCB）和通信要求参数块（COM_REQ）。SCB是个15个寄存器长的数据块，功能是定义与其通信的Slave的型号、个数、状态等参数，每一个Slave需要定义一个SCB块。MCB是由6个寄存器长的数据块组成，功能是定义Master要求每个Slave执行的命令信息，包括命令类型、RTU引用地址偏移、PLC引用地址偏移、主机号等参数，每一种命令需要定义一个MCB块。COM_REQ是由17个寄存器长的数据块组成，功能是定义通信方式、端口控制字及监测SCB和MCB的状态参数等，每一端口需要定义一个COM_REQ块。所有这些初始化参数在PLC上电或冷启动初始化的第一个扫描周期内加载到RTU主通信模块，此后RTU主通信模块负责与Pakscan IIE主站控制器通信，而PLC则与RTU主通信模块交换数据。
读写Modbus/RTU数据和监测通信状态的编程相对简单，只要读写初始化时定义的相应PLC参数地址即可。
3、画面组态
上位监控站可准确监测和控制储运过程的所有信息和设备。通过编程、组态、连接，形象地反映实际工艺流程、显示动态数据，设置PID控制参数以及过程参数，并可以查看历史趋势、报警历史报表等。
Rotork的现场电动阀配置在流程的输气管线上，通过按钮可以人工启动、停止和关闭任一个阀门，并显示任意时刻的阀门状态和阀位值。设计良好的人机界面使操作简便、直观。
四、结论
该系统在陕京二线投用至今效果良好。本文提供了电动阀门执行器总线控制系统在本工程的应用情况，对于其他工程应根据各自的实际情况选择不同应用方案。
