港口流量計傳輸方式改造

周吉旭

（海南八所港務有限責任公司，海南東方 572600）

0 引言

目前港口在用的39 臺流量計采用的是脈沖信號接入PLC控制系統(tǒng)，組態(tài)畫面上僅能顯示瞬時流量和已裝卸量。隨著自動化水平的提高，許多生產(chǎn)過程都對流量計測量提出新的要求。要將流量計測量到的所有參數(shù)都傳輸至PLC 控制系統(tǒng)?，F(xiàn)有的流量計脈沖傳輸方式不能滿足提出的要求。因此，對流量計的信號傳輸方式進行改造設計才能滿足要求，詳細論述港口流量計傳輸方式的改造。

1 流量計脈沖傳輸方式及改造

1.1 流量計脈沖傳輸方式的弊端分析

脈沖信號是按一定電壓幅度，在一定時間間隔連續(xù)發(fā)出的脈沖信號。一般情況下脈沖信號的邊沿諧波頻率高于自身頻率，其快速變化的上升/下降沿會導致信號在傳輸過程中出現(xiàn)非預期的結果。由高速電路設計理論定義可知，如果脈沖信號傳輸長度大于信號上升或下降沿時間對應有效長度的1/6 時，就可認為信號的傳輸為長線傳輸。脈沖信號在長線傳輸中會出現(xiàn)明顯傳輸延遲、衰減和振蕩等現(xiàn)象，影響信號完整性。除此之外，采用脈沖信號傳輸進入PLC 控制系統(tǒng)只能顯示和記錄瞬時流量和本船次裝船量，不能把流量計檢測到的溫度、壓力、密度、累積流量等參數(shù)傳輸至PLC 控制系統(tǒng)上。目前碼頭內流量計在裝卸船作業(yè)前后均需要泊位操作人員查看流量計表低累積數(shù)報給中控人員進行核對裝卸量。無船作業(yè)時還需操作人員進行流量計巡檢，但人員巡檢做不到實時性，往往故障不能及時發(fā)現(xiàn)。

為了擺脫長期依賴人工，及時準確判斷流量計存在的故障，確保流量計裝卸計量準確。需對流量計的傳輸方式進行改造，將脈沖信號傳輸改造成RS485 信號傳輸，將能克服以上問題。

1.2 流量計RS485 通信設計

八所港第二裝卸區(qū)目前擁有一個1 萬噸級、一個5000 噸級泊位和一個50 000+2000 t 級泊位，港區(qū)內有2 套PLC 控制系統(tǒng)，分別位于1#中控樓、2#中控樓。2#中控樓的PLC 系統(tǒng)為主站，1#中控樓的PLC 系統(tǒng)是2#中控樓PLC 系統(tǒng)的從站，2 套系統(tǒng)之間能進行數(shù)據(jù)通信。泊位上所有工藝管線及流量計控制都集中在2#中控樓的中央控制室，兩座樓的距離約600 m，1#泊位和2#泊位流量計現(xiàn)有脈沖信號是從1#控制樓接出去，3#泊位流量計原有的脈沖信號是從2#中控樓接出去。

此次流量計傳輸方式改造主要采取RS485 通信，將流量計采集到的所有計量參數(shù)傳輸至中控組態(tài)畫面，自動生成數(shù)據(jù)報表，實現(xiàn)中控人員實時獲取所需數(shù)據(jù)。

2 流量計RS485 通信設計方案分析

2.1 方案一

現(xiàn)改造項目將現(xiàn)場39 臺質量流量計分成8 組接入MODBUS 轉PROFIBUS 模塊上，再通過Y-Link 將MODBUS 轉PROFIBUS 模塊與SIAMTIC S7-400 連接起來，然后接入PLC系統(tǒng)中，實現(xiàn)RS485 信號傳輸，其中新中控樓需增加一個機柜用于放置MODBUS 轉PROFIBUS 模塊和Y-Link?，F(xiàn)場敷設線路時每臺流量計處需增加1 個4 通防爆接線盒，經(jīng)6 芯電纜連接采集壓力變送器信號、連接另1 臺流量計的RS485 信號線、連接原有的脈沖信號。改造的系統(tǒng)在傳輸架構上增加MODBUS 轉PROFIBUS 模塊、Y-Link，在現(xiàn)場接線上增加防爆接線盒。

MODBUS 轉PROFIBUS 模塊：系統(tǒng)中主要將采集到的流量計RS485 信號轉換PROFIBUS-DP 協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

Y-Link：是西門子產(chǎn)品與碼頭集控PLC 系統(tǒng)兼容，它用于將只有1 個DP 接口的遠程IO 連接冗余系統(tǒng)，Y-Link 包含2 個IM153-2 接口，它作為冗余DP 主站系統(tǒng)的DP 從站，是處于下一級DP 主站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)代理。

2.2 方案二

改造項目采用通信方案是串口服務器+服務器+WINCC。以太網(wǎng)作為主干的通信方式?，F(xiàn)場流量計通過屏蔽雙絞電纜串聯(lián)，使用RS485 通信方式，將現(xiàn)場流量計分成8 組，分別為1#泊位1 組、2#泊位1 組、3#泊位6 組，其中1#和2#泊位的這兩組接入到1#中控樓的串口服務器中。3#泊位的這6 組接入到3#泊位現(xiàn)場工作間的串口服務器中上。再由串口服務器轉換為以太網(wǎng)通信方式，通過光纖接入到2#中控樓設置的服務器中，該服務器接入工業(yè)交換機與原有西門子PLC 控制系統(tǒng)融合為一體，進行時間數(shù)據(jù)的交互，同時將數(shù)據(jù)寫入原有西門子400H 系統(tǒng)中，在原有的WINCC 組態(tài)畫面中增加累積量、壓力、溫度、密度、驅動增益等參數(shù)，建立歷史數(shù)據(jù)趨勢，其中1#中控樓和現(xiàn)場泊位工作間增加2 個小型機柜用于放置串口服務器。2#中控樓設置服務器電腦及交換機。用于數(shù)據(jù)轉接處理和寫入S7-400 系統(tǒng)。中間鏈路通過屏蔽電纜、光纖以及網(wǎng)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

現(xiàn)場敷設線路時每臺流量計處需增加1 個4 通防爆接線盒，經(jīng)6 芯電纜連接采集壓力變送器信號、連接另一臺流量計的RS485 信號線、連接原有的脈沖信號。

連接線路后還需對流量計內參數(shù)進行設定，將波特率調好，建立RS485 通信基礎。經(jīng)改造的系統(tǒng)在傳輸架構上增加串口服務器、數(shù)據(jù)采集服務器，在現(xiàn)場接線上增加防爆接線盒。

串口服務器：串口服務器在系統(tǒng)中提供串口轉網(wǎng)絡功能，能夠將RS485 兩串口轉換成TCP/IP 網(wǎng)絡接口，實現(xiàn)RS485 通信的兩串口與TCP/IP 網(wǎng)絡接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。使得串口設備能夠立即具備TCP/IP 網(wǎng)絡接口功能，連接網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信，極大的擴展串口設備的通信距離。

數(shù)據(jù)采集服務器：它將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行整理保存在自己服務器中，打成數(shù)據(jù)包再接入PLC 控制系統(tǒng)中，是獨立于PLC 控制系統(tǒng)存在的，相對于直接在原工控機上進行修改組態(tài)，它的優(yōu)點是當它發(fā)生故障時，能快速鎖定故障發(fā)生點，及時將故障排除，不影響控制系統(tǒng)正常運行。

2.3 確定最優(yōu)方案

方案一從技術上分析可能存在傳輸滯后問題。第一：MOXA模塊的MGate 模塊組態(tài)在Y-Link 下，MGate 的工作原理是在MGate 中將相關的通信站點配置好以后，MGate 可以自動讀取從站的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)讀取上來后，自動同步到MGate 的DP 通信接口中。在相關配置完成后，西門子PLC 系統(tǒng)自動更新遠程DP的數(shù)據(jù)，但每個Y-Link 下面所有站點的通信數(shù)據(jù)容量有限制，輸入為最大244 Bytes，輸出為244 Bytes。原技術方案中，通過擴展的Y-Link 模塊將RS485 信號轉為DP 通信接入到西門子400 冗余系統(tǒng)中，該方案并未考慮Y-Link 的傳輸字節(jié)上限要求，根據(jù)西門子技術手冊，1 臺Y-Link 最大傳輸字節(jié)為244 個。而現(xiàn)場一臺流量計根據(jù)傳輸參數(shù)要求，字節(jié)數(shù)最少為20 個，原技術方案中有一臺Y-Link 接入8 個MGate 模塊，27 臺流量計，在一個掃描周期內傳輸最小字節(jié)總數(shù)為540 個。所以原有配置方案可能造成數(shù)據(jù)擁堵，或者根本就無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信等情況，對港口設備運行造成誤導甚至可能造成安全事故。從經(jīng)濟上分析，采取這樣的傳輸架構所需的模塊元件較多且選擇的必須與西門子產(chǎn)品兼容，價格較為昂貴。

方案二通過增加串口服務器和數(shù)據(jù)采集服務器能將現(xiàn)場流量計采集到的RS485 信號集中到串口服務器合成數(shù)據(jù)包。采用光纜將串口服務器的數(shù)據(jù)進行遠距離傳輸至中控室的數(shù)據(jù)采集服務器。一臺串口服務器遠遠滿足39 臺流量計傳輸?shù)男枰F(xiàn)場和中控控制系統(tǒng)可進行大數(shù)據(jù)通信，極大的擴展串口設備的通信距離，滿足遠距離傳輸，不會造成數(shù)據(jù)擁堵。同時，方案二從技術上分析，所采取的傳輸架構簡單，通信元件少，系統(tǒng)容易維護，安全可靠高。從經(jīng)濟上分析，該通信架構所需的配件在市場上容易獲得，價位比較廉價，不涉及到系統(tǒng)兼容問題。

綜上所述，最終確定方案二作為此次改造的最優(yōu)方案。

2.4 經(jīng)改造后的通信系統(tǒng)優(yōu)點和存在的問題

（1）經(jīng)過改造后具有以下優(yōu)點：①以往需現(xiàn)場人員在裝船作業(yè)前、后繞過管道前往流量計變送器處進行查看數(shù)據(jù)，并通過對講系統(tǒng)將數(shù)據(jù)報給中控人員。改造后流量計監(jiān)測到的數(shù)據(jù)直接傳至中控室，不需要現(xiàn)場值守人員進行查看流量計表底數(shù)，解決了現(xiàn)場作業(yè)難題，同時節(jié)省了裝船作業(yè)時間，有效避免減少人員查看、報送數(shù)據(jù)的失誤；②改造前數(shù)據(jù)在傳輸過程存在滯后，通改造后數(shù)據(jù)傳輸速率變大，縮短了獲得數(shù)據(jù)的時間；③改造后流量計檢測到的數(shù)據(jù)直接遠傳至中控PLC 系統(tǒng)，通過獲得的數(shù)據(jù)，在WCC 組態(tài)畫面上進行組態(tài)，將數(shù)據(jù)的歷史趨勢呈現(xiàn)出來，能直觀地反應數(shù)據(jù)的走向、記錄生產(chǎn)過程，保存生產(chǎn)數(shù)據(jù)，便于對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行追溯；④系統(tǒng)改造后可以實現(xiàn)流量計自診斷，根據(jù)機械設備運行過程中產(chǎn)生故障代碼信息判斷流量計是產(chǎn)生了何種故障，從而判定故障發(fā)生的部位，系統(tǒng)提示解決故障的方法。⑤改造后可以為后續(xù)實現(xiàn)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺的實現(xiàn)夯實基礎，為公司推進智能化碼頭創(chuàng)造條件。

（2）改造后存在的問題：①現(xiàn)場流量計表低位數(shù)顯示的數(shù)據(jù)小數(shù)點位數(shù)與中控組態(tài)顯示的有出入，中控組態(tài)畫面自動采取浮點數(shù)四舍五入；②現(xiàn)場流量計變送器流量計顯示有質量總量和庫存總量兩個參數(shù)，而中控組態(tài)電腦只顯示質量總量，數(shù)據(jù)上一對二關系容易給作業(yè)人員造成混淆；③組態(tài)畫面上歷史趨勢數(shù)據(jù)只有坐標和曲線，但曲線始終指零。

2.5 優(yōu)化存在的問題

針對組態(tài)畫面自動四舍五入，采取自動清零策略。由于流量計表頭顯示的數(shù)值位數(shù)有限，數(shù)值變大時小數(shù)點位數(shù)就需要縮減一位，當質量總量數(shù)值未達到百萬位數(shù)時對流量計進行清理可有效解決現(xiàn)場與中控數(shù)值不一致問題。針對組態(tài)畫面的質量總量“一對二”容易混淆問題，采取對流量計參數(shù)進行設置，用流量計專用475 手操器連上HART 進行在線式對特性化參數(shù)進行設定，將現(xiàn)場流量計的庫存總量參數(shù)隱藏。從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)“一對一”有限避免數(shù)據(jù)讀取錯誤。針對組態(tài)畫面上歷史趨勢無數(shù)據(jù)顯示，通過分析總結，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)改造后未對服務器里的數(shù)據(jù)更新，采取對服務器數(shù)據(jù)進行更新系統(tǒng)歷史趨勢便能直觀反映生產(chǎn)數(shù)據(jù)曲線。

3 結語

適應信息化高速發(fā)展，必須采用先進的傳輸方式，才可以獲得需要的參數(shù)，以便系統(tǒng)進行自動分析，才能確保碼頭作業(yè)安全。針對流量計脈沖信號傳輸存在的一些弊端，對其傳輸方式進行改造，實現(xiàn)在中控組態(tài)畫面上實時觀看到溫度、壓力、密度、累積量，便于調度人員即時掌握在裝卸過程中溫度、壓力、密度參數(shù)的發(fā)生的變化，即時調整裝卸工藝。