总线型阀岛在精细化工项目的应用

摘要：主要介绍了总线型阀岛结构、特点和工作原理，分析了总线型阀岛在精细化工项目的应用情况。结果表明，总线型阀岛可以使电控阀的布线更加容易，简化系统的调试和维护工作。这对于推广总线型阀岛在精细化工项目的应用具有一定的意义。

关键词：精细化工;现场总线;阀岛

0    引言

随着经济的发展尤其是石油化工产业的迅速发展，仪表系统的构建也越加庞大，用到大量的气动、电动和控制元件，仪表系统的连接和布线变得越来越复杂，所以有必要寻求一种新的技术解决方案。

目前，采用阀岛的性价比在不断提高，很多新建的精细化工项目和食品行业项目正在广泛使用阀岛技术。德国Festo公司最先推出了阀岛的概念和相对应的产品。阀岛理念的成功在于将气动、电气和网络元件组合在一个产品中。阀岛按照不同的工作原理主要分为多针接口型阀岛、现场总线型阀岛、可编程智能型阀岛，其中总线型阀岛已经在汽车制造、橡胶、化工、医药、食品等各个行业都有广泛的应用。

1    总线型阀岛结构

总线型阀岛就是把电磁阀输出模块、总线通信模块、输入/输出（I/O）卡件集成布置在一个机架内。该阀岛采用图形和文字显示界面，给客户提供直观和便捷的调试、诊断及状态信息;可设置网络地址、波特率、I/O容量;能进行负载短路及开路检测、传感器及电缆短路检测、低压或失电检测、模块故障检测、自诊断、子网故障检测、网络故障检测;与DCS或PLC控制器通信的现场总线节点，以及与之衔接的输入/输出模块一个个相对独立，方便拆卸、快速更换与扩展，如果阀岛需要使用不同的现场总线协议，与不同的DCS系统或PLC控制器通信，则更换该阀岛上的总线节点以及相应的总线接口的插头即可。

2013年，Festo公司推出紧凑型插装式阀岛VTUG，紧凑型阀岛兼备电气模块化和气动灵活性的特点，对于分散与集中控制起了十分重要的作用。VTUG的最显著特点是体积小，流量大，重量轻，使得它在现场安装非常方便，特别适用于现场工况非常狭小、拥挤的地方。产品涵盖范围从紧凑型单个阀岛VUVG到兼容各种现场总线的插装式阀岛VTUG，该产品为VG家族提供了技术先进的多样选择和简单价优的现场总线连接，适用于所有标准的现场总线、以太网及IO-LINK。用户可快速简便地更换现场总线，现场总线节点是通过螺丝固定到阀岛上的，方便拆卸。

2    总线型阀岛的特点及优势

由现场总线型阀岛组成的系统中，每个阀岛都带有一个总线输入口和总线输出口，当系统中有多个现场总线阀岛或其他现场总线设备（比如装在现场的远程IO机柜）时，可按照需要进行多种拓扑连接。普通电磁阀的控制信号采用硬接线接入DCS或PLC系统，电缆数量非常多，而总线型阀岛与DCS或PLC系统通信连接，只需一根Profibus-DP总线电缆，大幅减少了电缆及其敷设工作。现场总线型阀岛支持目前市场上所有开放式现场总线协议（比如Profibus-DP、Ethernet/IP、Profinet、Devicenet、Modbus-TCP、CC Link等），可直接通过总线电缆与主要可编程控制器厂家的控制器进行连接和通信。现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制器之间实现双向、串行、多节点通信的数字技术。两个采用现场总线进行信息交换的对象之间只需一根两芯或四芯的总线电缆连接，这大大减少了电路的接线工作，有效降低了安装设备需要的空间，使设备的安装、调试和后期生产运行时的维护更加简便。

3    Festo总线型阀岛在某精细化工项目的应用

3.1    项目应用背景

某年产10万t植物油及制品扩建项目，新建RXS工艺装置生产高级植物油，该装置主要由酯交换、精馏、脱色工艺过程组成，与一期项目类似，但不包括氢化单元，且酯交换过程采用专有的生物酶催化剂。新增加3个主要装置，分别是BP装置、CP装置、UP装置，这3个主装置总的气动开关阀数量是270台。DCS系统选用的是ABB的800xA系列，整个DCS系统的控制要求如下：系统采用集中顺序控制的方式完成对系统的控制，要求仪表工作人员可以通过DCS操作员站实现全厂集中监控。

3.2    Festo总线型阀岛的设计方案

根据上述项目条件，气动开关阀门数量非常多，而且很密集，整个装置里工艺管线、水管、风管和各种大小设备非常多，可留给仪表设备安装用的空间很小，如选择传统的单个电磁阀的设计，气路和电路设计会非常复杂，设计工作量很大。施工时因为空间有限，线缆非常多，会增加施工难度。选择Festo紧凑型总线阀岛，设计人员根据现场工况对阀岛进行设计配置如下：每个阀岛内配32台电磁阀，通信模块，数字量输入卡件，端子128个，阀岛厂家成套带过滤减压阀和压力表，气源无缝钢管8 mm接口（底装32个），供电接口开孔?25（底装2个），DP通信接口开孔?20（底装2个），接地线接口开孔?20（底装2个），信号电缆接口开孔?50（底装3个）等。

阀岛通过Profibus-DP总线与控制系统进行通信传输，阀岛和閥岛之间也用Profibus-DP进行通信传输。首先，统计工艺系统的气动开关阀门270台，根据气动阀门的物理位置把它们分配到不同的总线型阀岛，然后设计总线型阀岛的主要元器件，根据工艺需要，气动开关阀门选用单电控电磁阀，确定气动阀门是单路进气。统计气动开关阀门数字输入量模块，最后设计总线阀岛主要元器件在阀岛内的布置、阀岛对外进出气路数、电缆进出线开孔尺寸。根据阀门数量总共设计了10个Festo紧凑形阀岛，位号分别是VT-29001/VT-29002/VT-29003/VT-29004 / VT-29005 / VT-29006 / VT-29007 / VT-29008 / VT-29009/VT-29010，采用Profibus-DP总线型接口。如果用传统的控制方案，各种器件必须单独通过大量控制电缆连接到DCS控制柜，有些控制柜中排满了端子板和数不尽的端子块。现在应用DP总线接口后就非常简洁了，彻底消除了拥挤的接线，只需要配置一根DP总线电缆。

总线型阀岛系统配置图如图1所示。

控制系统主要选用元件如下：

上位监控软件：ABB 800xA Ver 6.1;

可编程控制器：ABB AC800M PM866;

I/O从站：ABB远传IO和SIMATIC ET200SPIM155-6PN;

Festo紧凑型阀岛：VTUG-14-VRPT-B1T-G14L-DTFD-G18SFD;

总线接口：Profibus-DP。

每个阀岛根据需要配两位三通总线型电磁阀和总线式I/O卡。总线式I/O用于采集气动开关阀的位置信号，总线型阀岛不仅具有远程I/O功能，还具有气动开关阀气源控制的功能，它能通过Profibus-DP通信接口，将DCS对气动开关阀的控制指令直接转换为控制气动开关阀的气动信号，省略了中间转换环节，由于总线型阀岛本身具有Profibus-DP通信接口，因此它取代了传统方案输入/输出电缆的连接方式，仅仅采用Profibus-DP总线连接，使大量的输入/

输出硬接线信号电缆被简洁的Profibus-DP通信总线所替代。10个总线型阀岛仅通过DP总线与DCS远程控制站的Profibus-DP通信接口相连，阀岛和阀岛之间也是通过Profibus-DP总线相连，通过现场总线将每个分散的阀岛连成网络，即可满足控制要求。

采用总线型阀岛方案后，对单个气动开关阀的控制及反馈信息流程为：DCS的Profibus-DP输出指令→总线型阀岛的Profibus-DP通信接口→阀岛的总线型电磁阀→现场的气动开关阀→气动阀门位置开关反馈信号→阀岛的总线式I/O卡件→总线型阀岛的Profibus-DP通信接口→DCS的Profibus-DP输入指令。通过这一流程可以看出，DCS系统通过DP通信命令就能够控制总线型阀岛完成动作并采集总线阀岛的反馈信号。

总线型阀岛在装置现场的安装方式如图2所示。

3.3    工程量比较（气动阀门数量270台）

通过与传统控制方案对比（表1），此项目采用总线型阀岛节省了DO卡件和对应的端子数量、DCS机柜数量和电缆及穿线管数量，也大量节省了位置开关硬接线信号电缆和穿线管数量，同时节省了气源分配器数量。

4    结语

上述两种方案的对比，进一步证实了总线型阀岛在精细化工项目中应用的优越性。它不仅简化了设计人员的设计工作，同时也降低了DCS系统的I/O模块数量，大大减少了需要接线的端子，因此很大程度上节省了电缆和电缆桥架等安装材料，使实际现场控制电缆至少可减少60%，电缆桥架也至少减少60%。另外，它还节省了后期运行时大量的维护检修的人力成本和时间成本，明显提高了生产运行效率。据该项目的施工承包商现场反馈，采用总线型阀岛方案的安装工作量只有传統控制方案的30%左右，同时也减少了系统调试的工作量，实现了双向数据传输。采用总线型阀岛不仅简化了电磁阀等的电缆接线工作以及现场电缆的敷设工作，而且省去了中间转换环节，提高了系统的可靠性和故障自诊断能力，使得工厂的自动化水平上了一个新台阶。但是这种方案只适合用于气动阀门数量很多且相对集中的场合，对于那些气动阀门数量少且非常分散的工况，选用总线型阀岛就没有很大的优势了。

由于精细化工行业的迅速发展，项目规模也越来越大，相信像本项目这种气动阀门数量非常多且集中的情况会越来越多，因此总线型阀岛的应用必将越来越广泛。

[参考文献]

[1] 李跃，金勤芳.气动阀岛技术（一）[J].流体传动与控制，2012（5）：56-57.

[2] 周根来，宋慧兰.总线阀岛技术在水处理中的应用[J].石油化工自动化，2016，52（6）：59-60.

[3] 张玉龙.阀岛技术在自动化生产线上的应用[J].制造业自动化，2002，24（11）：46-48.

[4] 陈剑波.阀岛及其控制技术[J].科技信息，2009（19）：475-476.

收稿日期：2020-03-10

作者简介：田立（1980—），女，湖北仙桃人，高级工程师，研究方向：自动控制。