基于MPI与MODBUS协议的燃气调压站控系统

唐 波，孟祥印，唐 磊

(西南交通大学机械工程学院智能机电研究所，四川成都 610031)

1 天然气调压系统工艺及其通信改造

1.1 天然气调压系统工艺简介

一路完整的调压系统由调压器、紧急切断阀、调流阀和其他温度或压力机械仪表组成。由于工业和民用用气的不间断性，所以一套完整的站控调压系统通常由一主(运行路)和一备(备用路)两个管路组成，并辅以过滤、加臭、泄漏检测等其他工艺。当运行路发生故障或下游用气量突然增大，造成出口压力过分低时，备用路能在自动不停气的情况下补上运作供气；若运行路故障引起出口压力过高时，紧急切断阀能切断运行路，备用路自动投入供气。该系统共有4路：2路用于工业，2路用于民用。以工业用气的两路为例，其工艺如图1所示。

图1 工艺流程图

1.2 站控系统通信改造

改造前系统选用的是SIEMENS 315-2DP，该PLC有很高的电磁兼容性和抗振动、冲击能力，温度适应范围大[2]，能实现数据的快速处理与控制[3]。自带两个物理层为RS485的通讯端口，其中一个X1端口支持MPI协议；另一个X2端口支持DP协议，主从模式均可。为节省采购控制器成本，仍使用该型号CPU，只是将通信协议转换为MPI，通信端口换作XI口。

根据现场测试与评估，单个站点的网络设备与数据量均不多，通信速率要求也并不高，MPI方式完全可以满足通信需求[4]。该方式节省了采购EM277的成本，缩短了软件开发周期，简化改造后的系统网络结构图(以提供工业用气的两个管路为例，下同)如图2所示。

图2 改造后的系统网络结构图

图2中，UPS为控制器提供不间断电源，即便在断电情况下，选定的UPS电池也能维持系统正常工作2 h.KTP 600 Basic Color PT为西门子触摸屏，支持MPI协议；S7-224XP CN只提供SCADA工作站与下位机的通信桥梁。需要注意的是，现有MODBUS指令库中，PORT 1只能作为主机；PORT0口既能为主机，也能为从机。

2 监控系统硬件连接

硬件的选型与连接主要考虑到设备的接口形式、模拟量与数字量的点数分配和现场的安全性，系统硬件连接图如图3所示：

图3 系统硬件连接图

调压器阀位为以0～5 kΩ的三线制电阻信号，需要安全栅将其转换为二线制送入AI模块中；此外，安全栅兼有浪涌保护器的功能，因而不用再额外添加模拟量浪涌保护器。调流阀、泄漏检测仪均在内供电方式下工作，对应的信号为四线制，两根信号线可直接对应接入AI模块，其他仪表信号为二线制。以压力变送器和调流阀阀位为例，图4、图5分别表示了不同线制的接线方法。

图4 两线制信号接线方法

图5 四线制信号接线方法

数字量一般为二线制，接线方法同二线制的模拟量接线；24 V电源为工业开关电源提供。

3 监控系统软件实现

315-2DP的软件流程图如图6所示，其中OB32与OB33为组织块中断程序变换，中断时间分别为1 s与500 ms.OB32负责调流阀阀位的PID调节，OB33处理S200与315-2DP的MPI通信；OB100仅在系统暖启动时调用，它初始化了调流阀的工作方式为手动/本地模式，并根据当地流量和最大设计流量初始化调流阀阀位远控值。由于S200为上、下位机通信桥梁，只需初始PORT0口为MODBUS从站模式即可。

3.1 MPI通信程序

使用SIMATIC Step 7对315-2DP编程，该软件能添加HMI站点，方便触摸屏流程并能在线仿真。MPI通信的数据大小为21个字节。为方便程序编写，通信前将需要发送的数据规整到一片连续的存储区中，各变量对应关系如表1所示。

315-2DP采用系统功能函数SFC 68(即X-PUT指令)实现发送。类似地，SFC 67(即X-GET)接收从SCADA工作站发送至S200的工作参数。通信时，S200的MPI地址(DEST_ADDR)为0，通信伙伴对应接收这些变量的地址(VAR_ADDR)为VBO～VB20指向本地CPU包含要发送的数据区域(SD)为(QB8～QB28)。选择S200的V存储区是为了方便MODBUS通信。以发送为例，MPI通信程序如图7所示。

图6 系统软件流程图

表1 通信数据地址规整对应表

3.2 MODBUS通信程序

使用Micro/Win V4.0 SP6对224XP编程，其与SCADA工作站通信时，S200为MODBUS从站。在第一个循环扫描周期，MBUS_INIT指令将PORT0口初始化为MODBUS从站，此后在每个循环周期调MB_SLAVE指令完成数据交换，接收区起始地址为VB0，波特率为9 600，无校验。通信程序如下：

LD SM0.1

CALL MBUS_INIT：SBR1，1，16#0A，9600，0，0，128，32，256，&VB0，M0.1，MB1

LD SM0.0

CALL MBUS_SLAVE：SBR2，M0.2，MB2

3.3 触摸屏组态界面

良好的人机交换界面能反映系统的功能，为操作员培训、用户管理和操作提供方便。通过触摸屏，用户根据自己的权限就能不同程度地查看现场情况、设置仪表参数、压力与流量曲线等[5]，工业用气的两路管道监控主界面如图8所示(管路二为备用管道，没有通气)。

图8 触摸屏就地监控界面

4 结束语

改造后的系统较原系统的网络结构得到了一定优化，硬件成本和软件开发周期得到了缩减。该站控制系统于2013年5月投入运行，通信稳定、可靠，实现了远程和就地控制两种控制方式，完全满足用户需求；对其他类似易燃易爆工况下的远程监控有一定借鉴意义。

参考文献：

[1] 吴志刚.PLC在天然气调压站智能监控系统中的应用.电气与应用，2011，30(11)：84-86.

[2] 孟彬，王传松，孙晋永，等.西门子PLC与英格索兰压风机之间的MODBUS通信.工矿自动化，2013，39(1)：118-120.

[3] 廖常初.PLC编程及应用.北京：机械工业出版社，2005：149-158.

[4] 田海，张勇.基于多通信协议的高炉渣粒化监控系统的设计.工矿自动化，2012(10)：13-18.

[5] 车小伟，周伦，孟祥印.PLC在天然气调压站智能监控系统中的应用.化工自动化及仪表，2013，40(7)：901-904.