一、大慶油田

    大慶油田是20世紀(jì)60年代~現(xiàn)在中國的油區(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。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%），凝固點高（25℃~30℃），粘度高（地面粘度35），含硫低（在0.1%以下）的特點。原油比重0.83~0.86.1959年，在高臺子油田鉆出口油井，1960年3月，大慶油田投入開發(fā)建設(shè)。

    1976年以來，年產(chǎn)原油一直在5000萬噸以上，1983年產(chǎn)油5235萬噸。大慶油區(qū)的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)，證實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，改變了中國石油工業(yè)落后面貌，對中國工業(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到90 萬方，生產(chǎn)輕烴200 余噸。

    根據(jù)天然氣深冷分離裝置自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計要求，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)平臺上，開發(fā)出既能很簡便完成系統(tǒng)各種監(jiān)控功能，又具有使用靈活的人機界面的天然氣深冷分離裝置自動化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件，監(jiān)控裝置區(qū)各工藝點的溫度、壓力、差壓、調(diào)節(jié)閥、電磁閥等。

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

    我們通過不斷摸索、實踐，在較短時間內(nèi)，順利完成了多個系統(tǒng)間的通信問題，使系統(tǒng)具有可靠性高、兼容性強、操作簡便等優(yōu)點，并且為項目節(jié)省了投資。

    三、Opto 22固態(tài)繼電器

    固態(tài)繼電器（Solid State Relay, SSR）是一種無觸點電子開關(guān)，采用混合工藝組裝實現(xiàn)控制回路（輸入電路）與負(fù)載回路（輸出電路）的電隔離及信號耦合，由固態(tài)器件實現(xiàn)負(fù)載的通斷切換功能。跟機電式繼電器不同，它內(nèi)部無任何運動機械零件。固態(tài)繼電器的控制信號所需的功率極低，因此可以用弱信號控制強電流。

    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)荷電涌的條件下進行出廠測試。

    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)場端和控制端之間），并且都通過了UL和CSA。

    四、通訊系統(tǒng)的要求

    （1） 具備實時數(shù)據(jù)傳輸通訊功能，利用OPTO22 產(chǎn)品的強大的通訊優(yōu)勢，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時傳輸?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)接收到機組通訊傳出的報警信號，能夠及時記錄并執(zhí)行相應(yīng)現(xiàn)場控制流程。

    （3） 支持多通訊協(xié)議；

    （4） 良好的中文人機界面；

    （5） 采用工業(yè)組態(tài)軟件實現(xiàn)，便于維護、擴充和升級；

    五、技術(shù)實現(xiàn)

    紅壓深冷裝置項目由壓縮機控制子系統(tǒng)、膨脹機控制子系統(tǒng)、丙烷機控制子系統(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。其中前四個系統(tǒng)只是進行局部的單體控制，與OPTO22 SNAP I/O控制系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。OPTO22 SNAP I/O系統(tǒng)（ME系統(tǒng)）在整個系統(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，四個串行接口，一個固定的RS-485,三個可分別獨立設(shè)定為RS-232/485.我們利用控制器自帶的串行接口進行編程實現(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系統(tǒng)是90年代發(fā)展起來的，以它的高可靠性和靈活性而受到一致好評。

    ESD緊急停車系統(tǒng)按照安全獨立原則要求，獨立于DCS集散控制系統(tǒng)，其安全級別高于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)。作為安全保護系統(tǒng)，凌駕于生產(chǎn)過程控制之上，實時在線監(jiān)測裝置的安全性。只有當(dāng)生產(chǎn)裝置出現(xiàn)緊急情況時，不需要經(jīng)過DCS系統(tǒng)，而直接由ESD發(fā)出保護聯(lián)鎖信號，對現(xiàn)場設(shè)備進行安全保護，避免危險擴散造成巨大損失。據(jù)有關(guān)資料，當(dāng)人在危險時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時，要在60s內(nèi)作出反應(yīng)，錯誤決策的概率高達99.9%.因此設(shè)置獨立于控制系統(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。該動則動，不該動則不動，這是ESD系統(tǒng)的一個顯著特點。

    對于較大規(guī)模的緊急停車系統(tǒng)應(yīng)按照安全獨立原則與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失效的概率，當(dāng)維護DCS部分故障時也不會危及安全保護系統(tǒng)；

    （2）對于大型裝置或旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備而言，緊急停車系統(tǒng)響應(yīng)速度越快越好。這有利于保護設(shè)備，避免事故擴大；并有利于分辨事故原因記錄。而DCS處理大量過程監(jiān)測信息，因此其響應(yīng)速度難以作得很快；

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

    七、分析ESD系統(tǒng)

    在現(xiàn)場應(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 可編程序控制器實現(xiàn)，自身設(shè)計成主站工作，無上位機顯示設(shè)備，監(jiān)視完全在OPTO22 SNAP I/O中實現(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)場的多次通訊實驗，通訊采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS 方式實現(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。費用太高，實現(xiàn)不可能。經(jīng)過對ESD PLC的進一步分析，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。通過編制數(shù)據(jù)交換程序，設(shè)定起始碼、奇偶效驗、每個數(shù)組的位數(shù)、傳輸波特率等。調(diào)試過程中，DCS 接收到了ESD 發(fā)送的數(shù)據(jù)，但穩(wěn)定性差，在線（ONLINE）程序中看到有時出現(xiàn)空棧錯誤，程序運行至通訊時邏輯不正常，經(jīng)過反復(fù)分析及多次試驗，在程序中加了數(shù)據(jù)同步處理，至此，與ESD通訊完全正常，實現(xiàn)了DCS與緊急停車系統(tǒng)的通訊。

    在與壓縮機系統(tǒng)PLC通訊時，壓縮機系統(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，通過下裝、運行，不斷調(diào)試，終順利的進行了連接。 在實現(xiàn)上述兩個機組通訊實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，利用積累的經(jīng)驗，根據(jù)機組各自的特點，實現(xiàn)了DCS與全部機組的通訊。

    八、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置方案

    在本系統(tǒng)中，采用OPTO 22的先進且成熟可靠的OPTO22 SNAP I/O系統(tǒng)，這是一個應(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PC和四臺OPTO 22的主控制器OPTO22 SNAP-LCM4 以及7個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)的人機界面，動態(tài)顯示各種設(shè)備運轉(zhuǎn)的實時狀態(tài)，顯示和記錄設(shè)備的異常和故障報警，設(shè)定設(shè)備的自動運行時間及條件，操作者可切換系統(tǒng)設(shè)備按自動或手動的方式運行。

    另外如用戶有所要求，可把監(jiān)控主機設(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)頁瀏覽器Internet Explorer,對系統(tǒng)實行監(jiān)視甚至進行操作控制。

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

    第三層是由多臺PLC及 7個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，使連接的信號線減到少，大大減少信號傳輸過程中受到干擾的機會。I/O單元直接獲取設(shè)備的工作狀態(tài)和報警信號，設(shè)備的檢測信號數(shù)值，同時可自動或手動控制設(shè)備的運轉(zhuǎn)，對有關(guān)的PID運算控制回路，進行本地的運算和調(diào)節(jié)，大大加強了系統(tǒng)的實時控制及快捷反應(yīng)能力。

    九、實踐意義

    通過實踐證明OPTO22 OPTO22 SNAP I/O 系統(tǒng)與多機組PLC間通訊是穩(wěn)定的和便捷的， 實時性好，可靠性也高，體現(xiàn)了OPTO22 OPTO22 SNAP I/O 系統(tǒng)靈活、多變、通訊功能強大的特點。