一、大慶油田

    大慶油田是20世紀(jì)60年代~現(xiàn)在中國(guó)的油區(qū)，位于松遼平原中央部分，濱洲鐵路橫貫油田中部。其中大慶油田為大型背斜構(gòu)造油藏，自北而南有喇嘛甸、薩爾圖、杏樹崗等高點(diǎn)。油層為中生代陸相白堊紀(jì)砂巖，深度900米~1200米，中等滲透率。原油為石蠟基，具有含蠟量高（20%~30%），凝固點(diǎn)高（25℃~30℃），粘度高（地面粘度35），含硫低（在0.1%以下）的特點(diǎn)。原油比重0.83~0.86.1959年，在高臺(tái)子油田鉆出口油井，1960年3月，大慶油田投入開發(fā)建設(shè)。

    1976年以來(lái)，年產(chǎn)原油一直在5000萬(wàn)噸以上，1983年產(chǎn)油5235萬(wàn)噸。大慶油區(qū)的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)，證實(shí)了陸相地層能夠生油并能形成大油田，從而豐富和發(fā)展了石油地質(zhì)學(xué)理論，改變了中國(guó)石油工業(yè)落后面貌，對(duì)中國(guó)工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了極大的影響。

    二、概述

    大慶油田天然氣紅壓深冷裝置是天然氣分公司的氣處理裝置，每天處理天然氣量達(dá)到90 萬(wàn)方，生產(chǎn)輕烴200 余噸。

    根據(jù)天然氣深冷分離裝置自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，由于相關(guān)的 PLC設(shè)備分布廣泛，監(jiān)控功能要求自動(dòng)化程度高，而且有關(guān)的信息要迅速獲取及處理，并要易于管理。

    因此自動(dòng)控制系統(tǒng)以O(shè)PTO 22公司 SNAP I/O系統(tǒng)作為骨干框架，結(jié)合其極其先進(jìn)易用的應(yīng)用開發(fā)組態(tài)軟件包Factory Floor Suit 4.0c,在 32位的WINDOWS操作系統(tǒng)平臺(tái)上，開發(fā)出既能很簡(jiǎn)便完成系統(tǒng)各種監(jiān)控功能，又具有使用靈活的人機(jī)界面的天然氣深冷分離裝置自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件，監(jiān)控裝置區(qū)各工藝點(diǎn)的溫度、壓力、差壓、調(diào)節(jié)閥、電磁閥等。

    裝置內(nèi)壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、丙烷制冷機(jī)、ESD緊急停車系統(tǒng)等與OPTO22 SNAP I/O系統(tǒng)通過(guò)通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由于機(jī)組自帶的PLC系統(tǒng)出自多個(gè)廠家，通訊標(biāo)準(zhǔn)不同，技術(shù)難度較大。

    我們通過(guò)不斷摸索、實(shí)踐，在較短時(shí)間內(nèi)，順利完成了多個(gè)系統(tǒng)間的通信問(wèn)題，使系統(tǒng)具有可靠性高、兼容性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，并且為項(xiàng)目節(jié)省了投資。

    三、Opto 22固態(tài)繼電器

    固態(tài)繼電器（Solid State Relay, SSR）是一種無(wú)觸點(diǎn)電子開關(guān)，采用混合工藝組裝實(shí)現(xiàn)控制回路（輸入電路）與負(fù)載回路（輸出電路）的電隔離及信號(hào)耦合，由固態(tài)器件實(shí)現(xiàn)負(fù)載的通斷切換功能。跟機(jī)電式繼電器不同，它內(nèi)部無(wú)任何運(yùn)動(dòng)機(jī)械零件。固態(tài)繼電器的控制信號(hào)所需的功率極低，因此可以用弱信號(hào)控制強(qiáng)電流。

    按負(fù)載電源的類型不同可將SSR分為交流固態(tài)繼電器（AC-SSR）和直流固態(tài)繼電器（DC-SSR）。按開關(guān)型式可分為常開型和常閉型。按隔離型式可分為混合型、變壓器隔離型和光電隔離型，以光電隔離型為多。

    Opto 22固態(tài)繼電器是工業(yè)界“可靠性”的代名詞。

    所有Opto 22的固態(tài)繼電器都伴隨著終生保用的承諾。Opto 22全系列的繼電器都在美國(guó)加州總部用的工藝制造而成。所有的繼電器都有4000V以上的光耦隔離，并且所有的產(chǎn)品都在6倍滿負(fù)荷電涌的條件下進(jìn)行出廠測(cè)試。

    Opto 22 提供全系列的固態(tài)繼電器產(chǎn)品。包括從120/240v 單相接裝式交/直流標(biāo)準(zhǔn)系列，到單列直插式 MP 系列。所有的 Opto 22 固態(tài)繼電器都具有4000v光電隔離的特性（現(xiàn)場(chǎng)端和控制端之間），并且都通過(guò)了UL和CSA。

    四、通訊系統(tǒng)的要求

    （1） 具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸通訊功能，利用OPTO22 產(chǎn)品的強(qiáng)大的通訊優(yōu)勢(shì)，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絆PTO22 SNAP I/O系統(tǒng)。

    （2） 完善的安全監(jiān)控功能。OPTO22 SNAP I/O系統(tǒng)接收到機(jī)組通訊傳出的報(bào)警信號(hào)，能夠及時(shí)記錄并執(zhí)行相應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)控制流程。

    （3） 支持多通訊協(xié)議；

    （4） 良好的中文人機(jī)界面；

    （5） 采用工業(yè)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)，便于維護(hù)、擴(kuò)充和升級(jí)；

    五、技術(shù)實(shí)現(xiàn)

    紅壓深冷裝置項(xiàng)目由壓縮機(jī)控制子系統(tǒng)、膨脹機(jī)控制子系統(tǒng)、丙烷機(jī)控制子系統(tǒng)、ESD緊急停車子系統(tǒng)和OPTO 22公司OPTO22 SNAP I/O 控制系統(tǒng)（ME系統(tǒng)）五部分組成。其中前四個(gè)系統(tǒng)只是進(jìn)行局部的單體控制，與OPTO22 SNAP I/O控制系統(tǒng)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。OPTO22 SNAP I/O系統(tǒng)（ME系統(tǒng)）在整個(gè)系統(tǒng)中處于全局控制和監(jiān)視的至關(guān)重要的地位。

    在本項(xiàng)目中我們使用OPTO22 SNAP I/O控制系統(tǒng)的 OPTO22 SNAP LCM4做為主控制器，該控制器CPU采用 32位Motorola 68EC030 處理器，4MB內(nèi)存帶電池后備，2MB快閃可讀寫內(nèi)存，四個(gè)串行接口，一個(gè)固定的RS-485,三個(gè)可分別獨(dú)立設(shè)定為RS-232/485.我們利用控制器自帶的串行接口進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。

    六、ESD--緊急停車系統(tǒng)

    ESD是英文Emergency Shutdown Device緊急停車系統(tǒng)的縮寫。

    這種專用的安全保護(hù)系統(tǒng)是90年代發(fā)展起來(lái)的，以它的高可靠性和靈活性而受到一致好評(píng)。

    ESD緊急停車系統(tǒng)按照安全獨(dú)立原則要求，獨(dú)立于DCS集散控制系統(tǒng)，其安全級(jí)別高于DCS.在正常情況下，ESD系統(tǒng)是處于靜態(tài)的，不需要人為干預(yù)。作為安全保護(hù)系統(tǒng)，凌駕于生產(chǎn)過(guò)程控制之上，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置的安全性。只有當(dāng)生產(chǎn)裝置出現(xiàn)緊急情況時(shí)，不需要經(jīng)過(guò)DCS系統(tǒng)，而直接由ESD發(fā)出保護(hù)聯(lián)鎖信號(hào)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)，避免危險(xiǎn)擴(kuò)散造成巨大損失。據(jù)有關(guān)資料，當(dāng)人在危險(xiǎn)時(shí)刻的判斷和操作往往是滯后的、不可靠的，當(dāng)操作人員面臨生命危險(xiǎn)時(shí)，要在60s內(nèi)作出反應(yīng)，錯(cuò)誤決策的概率高達(dá)99.9%.因此設(shè)置獨(dú)立于控制系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖是十分有必要的，這是作好安全生產(chǎn)的重要準(zhǔn)則。該動(dòng)則動(dòng)，不該動(dòng)則不動(dòng)，這是ESD系統(tǒng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)。

    對(duì)于較大規(guī)模的緊急停車系統(tǒng)應(yīng)按照安全獨(dú)立原則與DCS分開設(shè)置，這樣做主要有以下幾方面原因：

    （1）降低控制功能和安全功能同時(shí)失效的概率，當(dāng)維護(hù)DCS部分故障時(shí)也不會(huì)危及安全保護(hù)系統(tǒng)；

    （2）對(duì)于大型裝置或旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備而言，緊急停車系統(tǒng)響應(yīng)速度越快越好。這有利于保護(hù)設(shè)備，避免事故擴(kuò)大；并有利于分辨事故原因記錄。而DCS處理大量過(guò)程監(jiān)測(cè)信息，因此其響應(yīng)速度難以作得很快；

    （3）DCS系統(tǒng)是過(guò)程控制系統(tǒng)，是動(dòng)態(tài)的，需要人工頻繁的干預(yù)，這有可能引起人為誤動(dòng)作；而ESD是靜態(tài)的，不需要人為干預(yù)，這樣設(shè)置ESD可以避免人為誤動(dòng)作。

    七、分析ESD系統(tǒng)

    在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，首先我們分析ESD系統(tǒng)。ESD緊急停車系統(tǒng)是紅壓深冷裝置安全保證的基礎(chǔ)，它采用SIEMENS S7-400 可編程序控制器實(shí)現(xiàn)，自身設(shè)計(jì)成主站工作，無(wú)上位機(jī)顯示設(shè)備，監(jiān)視完全在OPTO22 SNAP I/O中實(shí)現(xiàn)。OPTO22 SNAP I/O控制系統(tǒng)中的LCM4控制器的COM0---COM3 通訊端口可以根據(jù)需要設(shè)置成232 或 485方式， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的多次通訊實(shí)驗(yàn)，通訊采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS 方式實(shí)現(xiàn)不了。

    主要原因是ESD 系統(tǒng)采用的是主站方式，若改為從站通訊方式需更換所有 ESD軟、硬件。費(fèi)用太高，實(shí)現(xiàn)不可能。經(jīng)過(guò)對(duì)ESD PLC的進(jìn)一步分析，我們決定采用自由口通訊方式，把SIEMENS S7-400 通訊端口用485接線方式連接到與其標(biāo)準(zhǔn)兼容的LCM4控制器的 COM3上。通過(guò)編制數(shù)據(jù)交換程序，設(shè)定起始碼、奇偶效驗(yàn)、每個(gè)數(shù)組的位數(shù)、傳輸波特率等。調(diào)試過(guò)程中，DCS 接收到了ESD 發(fā)送的數(shù)據(jù)，但穩(wěn)定性差，在線（ONLINE）程序中看到有時(shí)出現(xiàn)空棧錯(cuò)誤，程序運(yùn)行至通訊時(shí)邏輯不正常，經(jīng)過(guò)反復(fù)分析及多次試驗(yàn)，在程序中加了數(shù)據(jù)同步處理，至此，與ESD通訊完全正常，實(shí)現(xiàn)了DCS與緊急停車系統(tǒng)的通訊。

    在與壓縮機(jī)系統(tǒng)PLC通訊時(shí)，壓縮機(jī)系統(tǒng)采用GE 公司的90-70,我們采用MODBUS RTU方式，編制相應(yīng)程序，在程序編制完成后，通過(guò)下裝、運(yùn)行，不斷調(diào)試，終順利的進(jìn)行了連接。 在實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)機(jī)組通訊實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，利用積累的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)機(jī)組各自的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了DCS與全部機(jī)組的通訊。

    八、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置方案

    在本系統(tǒng)中，采用OPTO 22的先進(jìn)且成熟可靠的OPTO22 SNAP I/O系統(tǒng)，這是一個(gè)應(yīng)用串行通訊多次重發(fā)技術(shù)的三層分布式網(wǎng)絡(luò)。 本系統(tǒng)由自控中心的監(jiān)控主機(jī)PC和四臺(tái)OPTO 22的主控制器OPTO22 SNAP-LCM4 以及7個(gè)可分布安裝放置的前端智能I/O單元B3000組成。

    在三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中：

    層是由PC 組成，使用ETHERNET 網(wǎng)絡(luò)連接，作為監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面，動(dòng)態(tài)顯示各種設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，顯示和記錄設(shè)備的異常和故障報(bào)警，設(shè)定設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行時(shí)間及條件，操作者可切換系統(tǒng)設(shè)備按自動(dòng)或手動(dòng)的方式運(yùn)行。

    另外如用戶有所要求，可把監(jiān)控主機(jī)設(shè)立為Web Sever,所有的監(jiān)控圖畫轉(zhuǎn)換為Web Page,用戶可在局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)上，使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器Internet Explorer,對(duì)系統(tǒng)實(shí)行監(jiān)視甚至進(jìn)行操作控制。

    第二層由四臺(tái)OPTO 22 控制器OPTO22 SNAP-LCM4 組成，各控制器與監(jiān)控主機(jī)之間采用以太網(wǎng)通訊方式，組成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)（C-Net）。其中兩臺(tái)控制器與現(xiàn)場(chǎng)I/O相聯(lián)，另外每臺(tái)控制器與現(xiàn)場(chǎng)PLC相聯(lián)。

    第三層是由多臺(tái)PLC及 7個(gè)I/O智能單元B3000組成。I/O單元之間及相關(guān)控制器之間由RS-485,組成I/O網(wǎng)絡(luò)（I/O-NET），I/O單元的距離是1000m,加通訊重發(fā)器可延長(zhǎng)分布距離。這樣就可以把I/O單元和I/O模塊分散安置在各相關(guān)設(shè)備附近，使連接的信號(hào)線減到少，大大減少信號(hào)傳輸過(guò)程中受到干擾的機(jī)會(huì)。I/O單元直接獲取設(shè)備的工作狀態(tài)和報(bào)警信號(hào)，設(shè)備的檢測(cè)信號(hào)數(shù)值，同時(shí)可自動(dòng)或手動(dòng)控制設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)有關(guān)的PID運(yùn)算控制回路，進(jìn)行本地的運(yùn)算和調(diào)節(jié)，大大加強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制及快捷反應(yīng)能力。

    九、實(shí)踐意義

    通過(guò)實(shí)踐證明OPTO22 OPTO22 SNAP I/O 系統(tǒng)與多機(jī)組PLC間通訊是穩(wěn)定的和便捷的， 實(shí)時(shí)性好，可靠性也高，體現(xiàn)了OPTO22 OPTO22 SNAP I/O 系統(tǒng)靈活、多變、通訊功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。